安全的豎軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)想

揚(yáng)州科技學(xué)院（籌）揚(yáng)州職業(yè)大學(xué) ■ 湯先祥

一 引言

目前，國內(nèi)外已有“風(fēng)力發(fā)電和建筑一體化”(以下簡稱為“風(fēng)建一體化”)實(shí)施的成功實(shí)例，但對民用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如安裝在屋頂或房屋旁，在“風(fēng)建一體化”應(yīng)用中還處于初步實(shí)踐和探索中。據(jù)報(bào)道稱日本許多住宅屋頂上都設(shè)有一個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在微風(fēng)情況下能保證家庭照明用電。筆者曾設(shè)計(jì)了“安全的C型多葉片豎軸風(fēng)力機(jī)”和“安全的達(dá)里厄H型豎軸風(fēng)力機(jī)”兩個(gè)風(fēng)力機(jī)，特點(diǎn)是安全網(wǎng)牢固，使用安全。筆者之所以要將尚未經(jīng)過試驗(yàn)的設(shè)想拋出，是希望該文能成為引玉之磚，獲得內(nèi)行和專家的指教，并在實(shí)踐中日臻完善，從而對我國“風(fēng)建一體化”的安全發(fā)展和早日普及作出微薄貢獻(xiàn)。

二 設(shè)計(jì)原理

安全的C型多葉片豎軸風(fēng)力機(jī)(簡稱安C風(fēng)力機(jī))是借鑒了反擊式水輪發(fā)電機(jī)組中的明槽式混流式水輪機(jī)[1,2]和C型多葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)[3]的構(gòu)造和原理設(shè)計(jì)而成。即先將C型多葉片風(fēng)力機(jī)的擋風(fēng)罩和風(fēng)向標(biāo)等去除，再將剩下的部分(機(jī)芯)替換水輪機(jī)的內(nèi)輪。

安全的達(dá)里厄H型豎軸風(fēng)力機(jī)(簡稱為安H風(fēng)力機(jī))是借鑒了反擊式水輪發(fā)電機(jī)組中的明槽式混流式水輪機(jī)[1,2]和達(dá)里厄H型風(fēng)力機(jī)的原理和構(gòu)造設(shè)計(jì)而成。即用達(dá)里厄H型風(fēng)力機(jī)替換水輪機(jī)的內(nèi)輪，使H型風(fēng)力機(jī)成為新的風(fēng)力機(jī)的機(jī)芯。而水輪機(jī)的外輪就成為機(jī)芯外面的安全網(wǎng)，如果機(jī)芯上的任何零部件在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生折斷、脫落，并在離心力的作用下向外飛出時(shí)，就會(huì)撞在外輪上，不會(huì)直接飛出而傷人，外輪起到安全防護(hù)的作用。

三 構(gòu)造和作用

1 安全的C型多葉片豎軸風(fēng)力機(jī)

安全的C型多葉片豎軸風(fēng)力機(jī)的構(gòu)造如圖1所示。本機(jī)主要由外輪8、機(jī)芯11及不在外輪上的調(diào)速裝置18、19、20三大部分構(gòu)成。

圖1 安全的C型多葉片豎軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)造示意圖

(1)外輪8

它是車輪形，又在風(fēng)力機(jī)的外部，故稱為外輪。它由導(dǎo)風(fēng)葉的軸14、導(dǎo)風(fēng)葉15、控制環(huán)16、控制環(huán)的環(huán)耳17等部件構(gòu)成。它的主要作用為：安裝導(dǎo)風(fēng)葉、引導(dǎo)風(fēng)向并調(diào)節(jié)和控制風(fēng)量和風(fēng)速、對機(jī)芯11兼有安全防護(hù)網(wǎng)的功能。

外輪8固定不動(dòng)，當(dāng)任意方向的風(fēng)吹到外輪上時(shí)，只有少量的風(fēng)會(huì)被導(dǎo)風(fēng)葉15擋在本機(jī)的外面，而大部分風(fēng)都會(huì)進(jìn)入導(dǎo)風(fēng)葉之間的進(jìn)風(fēng)道12。受導(dǎo)風(fēng)葉的引導(dǎo)，風(fēng)向?qū)θ~片7的角度就得到了調(diào)整和改變。風(fēng)向被調(diào)整好后，吹到葉片上，推動(dòng)葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向如圖中箭頭V1。葉片又帶動(dòng)懸臂9和豎軸10共同旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

(2)導(dǎo)風(fēng)葉15和控制環(huán)16

控制環(huán)的作用是調(diào)節(jié)、控制導(dǎo)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，以調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)葉之間的進(jìn)出風(fēng)道12的大小和方向。

引導(dǎo)風(fēng)向的葉片叫導(dǎo)風(fēng)葉。導(dǎo)風(fēng)葉15的作用有5點(diǎn)：

①調(diào)整風(fēng)向的角度，提高功率。

②將部分逆風(fēng)改為順風(fēng)，并為逆風(fēng)旋轉(zhuǎn)的葉片遮擋逆風(fēng)，提高了本機(jī)的功率。

③調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)速。導(dǎo)風(fēng)葉在控制環(huán)的作用下可轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，以改變導(dǎo)風(fēng)葉之間進(jìn)風(fēng)道的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)速的作用。進(jìn)風(fēng)道的形狀呈喇叭形，即進(jìn)口大、出口小，因此能增加風(fēng)速，也就是能增加葉片的轉(zhuǎn)速。

④關(guān)閉風(fēng)輪機(jī)。當(dāng)導(dǎo)風(fēng)葉15在控制環(huán)16的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)到相鄰兩只導(dǎo)風(fēng)葉的首尾相接時(shí)，相鄰導(dǎo)風(fēng)葉之間的空隙為零，風(fēng)力機(jī)關(guān)閉。

⑤作為外輪的一部分，對內(nèi)輪兼有安全防護(hù)網(wǎng)的作用。

(3)推拉桿18、調(diào)速板19和調(diào)速軸20

它們都是調(diào)節(jié)控制環(huán)16的裝置。當(dāng)調(diào)速軸20轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)調(diào)速板19和推拉桿18，推拉桿再帶動(dòng)控制環(huán)16上的環(huán)耳17，使控制環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)；控制環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過轉(zhuǎn)臂和連桿帶動(dòng)導(dǎo)風(fēng)葉的軸14和導(dǎo)風(fēng)葉15轉(zhuǎn)動(dòng)。因圖幅所限，轉(zhuǎn)臂和連桿未能畫出。導(dǎo)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就能調(diào)節(jié)進(jìn)出風(fēng)道12的大小和方向。

(4)機(jī)芯11

機(jī)芯由葉片7、懸臂9和豎軸10等構(gòu)成，機(jī)芯的詳細(xì)構(gòu)造和原理見文獻(xiàn)[3]。

風(fēng)吹過C型多葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片后，直接流出機(jī)外。而安C風(fēng)力機(jī)的機(jī)芯外面有外輪，吹過葉片的風(fēng)，不會(huì)立即流出機(jī)外，仍會(huì)在外輪中心旋轉(zhuǎn)、滯留，而后才從中心的上下出風(fēng)口5和背風(fēng)方向的進(jìn)出風(fēng)道12出去。實(shí)際情況較復(fù)雜，必需經(jīng)過實(shí)驗(yàn)才能得知。

因機(jī)芯在工作時(shí)會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，所以機(jī)芯的各零部件必須制造并安裝牢固，最好采用鑄造或焊接的方法，使葉片和懸臂成為一個(gè)整體。不能采用螺栓、螺母和螺紋等可拆式聯(lián)接。應(yīng)防止在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)自身可能會(huì)發(fā)生的滑牙、折斷、脫落等事故，以免葉片或碎片飛出傷人。在文獻(xiàn)[3]中C型多葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的垂直軸上端有一個(gè)螺帽，是用于固定擋風(fēng)罩的，但在本文中，由于擋風(fēng)罩已被拆除，所以不需要這個(gè)螺帽。

2 安全的達(dá)里厄H型豎軸風(fēng)力機(jī)

安全的達(dá)里厄H型豎軸風(fēng)力機(jī)的構(gòu)造如圖2所示。安H風(fēng)力機(jī)與安C風(fēng)力機(jī)只有機(jī)芯不同，其余的外輪以及不在外輪上的調(diào)速裝置都一樣。另需要說明的部分如下：

(1)導(dǎo)風(fēng)葉43

當(dāng)H型葉片的中心線和風(fēng)向的夾角為0?和180?時(shí)，相對風(fēng)速不產(chǎn)生升力；當(dāng)葉片的中心線和風(fēng)向的夾角在90?附近時(shí)，才有較大的輸出力。導(dǎo)風(fēng)葉43可根據(jù)需要調(diào)整風(fēng)向的角度，提高本機(jī)的功率。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率最大時(shí)，葉片與風(fēng)向的夾角為最佳夾角。

圖2 安全的達(dá)里厄H型豎軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)造的示意圖

同時(shí)，當(dāng)導(dǎo)風(fēng)葉43被旋轉(zhuǎn)到其葉尖對準(zhǔn)豎軸的圓心時(shí)，即如圖2中導(dǎo)風(fēng)葉所在的位置，無論是順風(fēng)、逆風(fēng)，只要是從導(dǎo)風(fēng)葉之間的進(jìn)風(fēng)道37進(jìn)入本機(jī)的風(fēng)，就全部被變?yōu)榛旧洗怪庇谌~片的風(fēng)。葉片每旋轉(zhuǎn)一周就會(huì)和每個(gè)進(jìn)風(fēng)道垂直相遇一次，即吹在葉片上的風(fēng)都與葉片基本垂直。而逆風(fēng)和與葉片夾角為0?的平行風(fēng)消失，風(fēng)力機(jī)的功率得到了提高。

(2)機(jī)芯38

現(xiàn)在的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)多采用直形風(fēng)葉，又稱為H型風(fēng)力機(jī)，本機(jī)芯就是H型風(fēng)力機(jī)。H型風(fēng)力機(jī)的葉片一般為2～6個(gè)，圖2取6個(gè)。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)是升力型豎軸風(fēng)力機(jī)的代表，圖2中機(jī)芯由葉片31、懸臂40、豎軸41等構(gòu)成。

當(dāng)任意方向的風(fēng)吹到外輪上時(shí)，只有極少量的風(fēng)會(huì)被導(dǎo)風(fēng)葉43擋在本機(jī)的外面，而絕大部分風(fēng)都會(huì)進(jìn)入導(dǎo)風(fēng)葉間的進(jìn)風(fēng)道37。受導(dǎo)風(fēng)葉的引導(dǎo)，風(fēng)向?qū)θ~片31、34的角度得到調(diào)整和改變。風(fēng)向被調(diào)整好后，才吹在葉片上，推動(dòng)葉片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向如圖中箭頭V2。葉片又帶動(dòng)懸臂40和豎軸41共同旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

四 本機(jī)的特點(diǎn)

(1)本機(jī)的安全網(wǎng)最嚴(yán)密，最牢固，其安全性好，可在“風(fēng)建一體化”中使用。它縮短了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組到用戶之間的距離，減少了輸電損失。

(2)它與三葉片式水平軸風(fēng)力機(jī)相比各有長短，在使用地點(diǎn)和范圍上可作為三葉片式水平軸風(fēng)力機(jī)的補(bǔ)充。它的使用范圍大，總發(fā)電量也大。

(3)本機(jī)借鑒了水輪機(jī)的構(gòu)造和原理，風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率高。

(4)本機(jī)的導(dǎo)風(fēng)裝置合理，一物多用，能適應(yīng)任意方向的風(fēng)。

(5)在安C風(fēng)力機(jī)中，導(dǎo)風(fēng)葉能將部分逆風(fēng)變?yōu)轫橈L(fēng)，同時(shí)還能阻擋吹向逆風(fēng)旋轉(zhuǎn)的葉片的逆風(fēng)，因而提高了安C風(fēng)力機(jī)的功率。在安H風(fēng)力機(jī)中，導(dǎo)風(fēng)葉能將進(jìn)入本機(jī)的風(fēng)都變?yōu)榛旧洗怪庇谌~片的風(fēng)， 功率得到提高。

(6)進(jìn)風(fēng)道的形狀呈喇叭形，能增加風(fēng)速。

(7)擴(kuò)大了外輪的外徑，能吸收更多的風(fēng)能，增加本機(jī)的功率。

(8)具有豎軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

(9)還有一些其他的豎軸風(fēng)力機(jī)也可做本機(jī)的機(jī)芯，具有同樣的安全性。

(10)一臺風(fēng)力機(jī)的功率可能不大，這是本機(jī)的缺點(diǎn)。但由于本機(jī)的造價(jià)低，使用范圍廣，因此可用數(shù)量來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。

(11)本機(jī)尚處于借鑒、推理和設(shè)想的階段，還未進(jìn)入試驗(yàn)和實(shí)踐的階段。

⑴高建銘, 林宏義, 揚(yáng)永萼. 水輪機(jī)及葉片泵結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1992, 6－19, 79－88.

⑵東北水利水電學(xué)校. 水輪機(jī) [M]. 北京：電力工業(yè)出版社1980，3－5, 30－48.

[3]湯先祥. 關(guān)于C型多葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)想[J]. 太陽能, 2010,(1): 37－39.