基于機械傳動的阻力式風(fēng)力機研究

包 耳，胡紅英，韓志敏，唐建波

(大連民族學(xué)院機電與信息工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

近些年來，風(fēng)力發(fā)電已由單一化向多元化方向發(fā)展［1－2］:(1)重視大功率風(fēng)機研發(fā)的同時，也重視小型機的發(fā)展;(2)重視傳統(tǒng)的水平軸升力式風(fēng)機的同時，也重視新型的垂直軸阻力式風(fēng)機的發(fā)展［3］;(3)重視聯(lián)網(wǎng)型大容量風(fēng)電場建設(shè)的同時，也重視分散型、小容量風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展［4－5］。這不僅具有多元化發(fā)展的意義，對于發(fā)展中國家的草原、山區(qū)、海島等地區(qū)電網(wǎng)不發(fā)達(dá)這一現(xiàn)狀，更具有明顯的現(xiàn)實意義。

1 垂直軸阻力式風(fēng)力機的一般問題

以圖1所示的純平板式葉片為例來研究阻力式風(fēng)力機的功率［6］。平板面積為F，風(fēng)速為v1，平板在風(fēng)的推力T(也稱為阻力)作用下以速度v'運動，那么風(fēng)能作用于平板的功率P為

其中，ρ為空氣密度;CT為阻力系數(shù)。

阻力式風(fēng)力機存在的一個較大問題是，風(fēng)力機在工作過程中，葉片與風(fēng)向之間的夾角φ處于不斷變化之中(如圖1)，因此葉片所受推力也是不斷變化的。當(dāng)φ=0°～90°時，葉片的受風(fēng)面積由0增加到葉片面積F，作功推力也由0增加到最大值，其后，作功推力減小。當(dāng)φ=180°時，推減小為0。當(dāng)φ=180°～360°時，平板逆風(fēng)運動，這時平板要克服風(fēng)的壓力作負(fù)功。由此可見，如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧桨迨饺~片的阻力式風(fēng)力機是不可能正常工作的。

圖1 平板槳葉的受力狀況

本文討論了一種新型垂直軸阻力式風(fēng)力機的原理、結(jié)構(gòu)及提高風(fēng)力機功率的方法。

2 減小葉片作負(fù)功的一般方法

由于風(fēng)力機在旋轉(zhuǎn)過程中，葉片總是會在部分區(qū)內(nèi)處于逆風(fēng)中運動，所以葉片作負(fù)功的問題很難完全消除，只能采取適當(dāng)措施使其盡量少作負(fù)功［6］。

一種方法是，當(dāng)葉片運動到逆風(fēng)階段時，在其上風(fēng)處設(shè)置屏障(如圖2)，屏障可隨尾舵轉(zhuǎn)動，以保持遮擋逆風(fēng)葉片的進風(fēng)位置，這種風(fēng)力機需要調(diào)向機構(gòu)。另一種方法是，當(dāng)葉片處于逆風(fēng)階段時，葉片可繞自身的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，以減小此時的迎風(fēng)面積(如圖3)。圖中的風(fēng)力機每旋轉(zhuǎn)一周，葉片在其根部限位塊的作用下，實現(xiàn)了在順風(fēng)階段葉片張角較大，以增加推力;在逆風(fēng)階段張角較小，以減小阻力。這種風(fēng)力機無需調(diào)向機構(gòu)，但風(fēng)力機每轉(zhuǎn)一周，葉片都要撞擊限位塊一次，增加了運行噪聲，且容易損壞葉片。

圖2 帶有屏障的風(fēng)力機

圖3 葉片可擺轉(zhuǎn)的風(fēng)力機

3 新型風(fēng)力機的原理及結(jié)構(gòu)

阻力式風(fēng)力機設(shè)計的關(guān)鍵問題是，在一個工作循環(huán)過程中，如何使得動力槳葉盡量保持較大的迎風(fēng)面積，而使阻力槳葉盡量保持較小的迎風(fēng)面積。也就是說，在風(fēng)力機工作過程中，槳葉能夠適當(dāng)?shù)恼{(diào)整其迎風(fēng)角度。為實現(xiàn)這一目的，可能會有若干種控制方式供選擇。但筆者認(rèn)為最簡單可靠的方式還應(yīng)是機械傳動式。為實現(xiàn)這一目的，本文給出了新型風(fēng)力機的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖4是其俯視圖。

圖4 風(fēng)力機結(jié)構(gòu)俯視圖

該風(fēng)力機的工作原理是，構(gòu)件8和構(gòu)件9為對稱布置的兩個槳葉，在風(fēng)力作用下，槳葉帶動轉(zhuǎn)臂逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臂中心軸10與轉(zhuǎn)臂固聯(lián)而隨轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，中心軸帶動發(fā)電機發(fā)電。在圖4所示位置時，槳葉8與轉(zhuǎn)臂平行，即與X軸張角為0°，處于正面迎風(fēng)，可產(chǎn)生最大工作推力，而槳葉9與轉(zhuǎn)臂垂直，與X軸張角為90°，處于順槳狀態(tài)，工作阻力為零。此時風(fēng)力機處于最佳工作狀態(tài)，即輸出功率為最大值。在風(fēng)力機逆時針旋轉(zhuǎn)一周過程中，槳葉8由之前的B'置處的45°張角狀態(tài)，逐漸減小張角，到A位置處張角為最小值0°，然后張角逐漸增大，到A'位置處為45°，這一階段槳葉8作正功。同時，槳葉9由A'的45°張角狀態(tài)，逐漸增大張角，到B位置處張角達(dá)到最大值90°，然后張角逐漸減小，到B'位置處為45°，這一階段槳葉9作負(fù)功。這一設(shè)計，使得動力槳葉保持了較大的迎風(fēng)面積，而阻力槳葉保持了較小的迎風(fēng)面積。這一結(jié)果的實現(xiàn)，是由于槳葉在隨轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)過程中，同時還繞自身軸線回轉(zhuǎn)一個補償角。由上述分析可知，槳葉旋轉(zhuǎn)的補償角應(yīng)等于轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角的二分之一。為實現(xiàn)這一目的，可能有多種方案，但本文給出的圖4所示的行星傳動方案，無疑是簡單、可靠的。

為實現(xiàn)上述目的，需對傳動系統(tǒng)進行設(shè)計計算。

設(shè)轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速為ω6，槳葉的轉(zhuǎn)速為ω1，設(shè)計目的是使ω1=ω6/2。由于固定的中心輪的轉(zhuǎn)速ω3=0，帶輪2與行星齒輪4為雙聯(lián)輪，所以ω2=ω4。另取齒形帶輪1與2完全相同，所以ω1=ω2。于是可得

得到Z4=2Z3。在本設(shè)計中，令 Z3=17，則Z4=34。

4 風(fēng)力機功率計算公式推導(dǎo)

圖5 槳葉的功率計算

5 進一步提高風(fēng)力機功率的措施

由式(1)可知，如果同時提高風(fēng)速與風(fēng)機轉(zhuǎn)速，可大大提高風(fēng)力機的功率。當(dāng)自然風(fēng)速為確定值的情況下，也可采取辦法使其速度提高。即可在自然風(fēng)來流與風(fēng)力機之間增加風(fēng)流增速裝置。其裝置可設(shè)計為一固定的筒狀導(dǎo)流管，其進風(fēng)口截面積大于出風(fēng)口截面積，自然風(fēng)由進風(fēng)口進入，由出風(fēng)口流出后吹向風(fēng)力機槳葉。

由于空氣流是連續(xù)的和不可壓縮的，所以沿導(dǎo)流管方向的空氣質(zhì)量流量是處處相等的。設(shè)導(dǎo)流管的進、出口截面積分別為S入和S出，進、出口風(fēng)速分別為v入和v出，則有

如果導(dǎo)流管的 S入是 S出的 1.5倍，則 v出=1.5v入=1.5v1。即導(dǎo)流管相當(dāng)于將風(fēng)速提高到1.5倍。再來比較有導(dǎo)流管和無導(dǎo)流管兩種情況下的(1)式:由于v出=1.5v1，所以有導(dǎo)流管時平板獲得的功率大約是無導(dǎo)流管時的3.4倍。這一措施可明顯提高風(fēng)力機的功率。

導(dǎo)流管進出口截面形狀為圓形或方形均可。當(dāng)風(fēng)力過大時，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)流管內(nèi)的擋板，使得導(dǎo)流管進口截面積減小，由式(17)可知，這時導(dǎo)流管的出口風(fēng)速v出就隨之減小了，從而減小風(fēng)力機的功率，以保障風(fēng)力機的安全。

6 結(jié)語

該風(fēng)力機的原理新穎、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，設(shè)計與制造均很方便。行星傳動使得風(fēng)力機槳葉在工作過程中能夠自動旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的補償角，從而使得槳葉能獲得盡量大的推力。在風(fēng)力機前端增加導(dǎo)流管，可明顯提高風(fēng)力機的有效功率。

［1］包耳，胡紅英.風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r與展望［J］.大連民族學(xué)院學(xué)報，2011(1):24－27.

［2］祝賀，徐建源，張明理.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題［J］.華東電力，2009(2):314－316.

［3］包耳.風(fēng)力機葉片設(shè)計的新方法［J］.機械設(shè)計，2005(2):24－26.

［4］科學(xué)技術(shù)部辦公廳，國際技術(shù)經(jīng)濟研究所.世界前沿技術(shù)發(fā)展報告2009［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［5］郭洪澈.小型風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)優(yōu)化［J］.可再生能源，2002(5):38－42.

［6］郭新生.風(fēng)能利用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)出版社，2007.

［7］朱兆瑞.風(fēng)壓計算的研究［M］.北京:科學(xué)出版社，1976.

(責(zé)任編輯 劉敏)