垂直軸雙葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳全 方繼松 張峰 張?jiān)陲w

摘 要：垂直軸雙葉組風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)是有主葉片和副葉片，兩葉片之間的靠聯(lián)動(dòng)裝置連接。由于副葉片和主葉片之間形成風(fēng)力機(jī)的葉柵效應(yīng)，提高了功率特性。本文采用了反平行四邊形機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)聯(lián)動(dòng)裝置的改進(jìn)，以改變兩葉片間的夾角，進(jìn)一步改進(jìn)立軸風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)性能，使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)速度快。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；垂直軸風(fēng)機(jī)；反平行四邊形機(jī)構(gòu)；葉柵效應(yīng)；功率特性

1 前言

風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能是大自然賦予人類最清潔、最廉價(jià)的可再生能源。世界各國(guó)對(duì)這種能源都給予高度的重視，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)。根據(jù)《2012年中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告》，中國(guó)、歐盟、美國(guó)仍然占據(jù)了風(fēng)電發(fā)展的區(qū)域分布的主導(dǎo)地位，占世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)的85%，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到62.364GW[1]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能或熱能等的能量轉(zhuǎn)換裝置，它是風(fēng)力發(fā)電中的主要組成部分，其性能決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組效率的關(guān)鍵。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類和特點(diǎn)

風(fēng)力機(jī)有多種的分類方法，根據(jù)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的位置不同，可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。按照風(fēng)力機(jī)葉片的工作原理，風(fēng)力機(jī)分為升力型和阻力型兩類[2]。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)軸和風(fēng)向平行時(shí)，稱為水平軸風(fēng)力機(jī)[3]，也是目前國(guó)內(nèi)外研制最多的、最常見(jiàn)的風(fēng)力機(jī)，使用率占整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的97%。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸和風(fēng)向垂直時(shí)，稱為垂直軸風(fēng)力機(jī)。作用在風(fēng)力機(jī)葉片上的風(fēng)力可分解成與風(fēng)向平行和垂直兩個(gè)分力，平行分力稱為阻力，垂直分力稱為升力。根據(jù)分力的方向不同，垂直軸風(fēng)力機(jī)分為兩類：一類是利用空氣動(dòng)力的阻力做功，稱為阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)；另一類是利用翼形的升力做功，稱為升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，最典型的是達(dá)里厄（Darrieus）型風(fēng)力機(jī)，其葉片包括了直線翼形（如H型）和曲線翼形（如Φ型）。

相比水平軸發(fā)電機(jī)，垂直軸發(fā)電機(jī)可以接受任何方向的來(lái)風(fēng)，因此，不需要對(duì)風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜性較低，并提高了風(fēng)能利用率。并且，其發(fā)電機(jī)及齒輪箱安裝在底部，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，方便調(diào)試。產(chǎn)生的氣動(dòng)噪音也小，適合于對(duì)噪聲控制要求較高的地方運(yùn)行。

垂直軸風(fēng)力機(jī)理論是從水平軸風(fēng)機(jī)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。水平軸風(fēng)力機(jī)是在飛機(jī)機(jī)翼理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它有得天獨(dú)厚的機(jī)遇。但隨著科技發(fā)展，技術(shù)的不斷改進(jìn)，立軸風(fēng)力機(jī)在葉片的設(shè)計(jì)與制造、風(fēng)能利用率、啟動(dòng)風(fēng)速、風(fēng)輪結(jié)構(gòu)、控制裝置、環(huán)保效果等方面優(yōu)于水平軸風(fēng)力機(jī)。因此，現(xiàn)在正是建立起立軸風(fēng)力機(jī)理論的時(shí)代。

3 垂直軸雙葉片風(fēng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 反平行四邊形機(jī)構(gòu)基本原理

反平行四邊形機(jī)構(gòu)存在的充要條件是：

⑴曲柄為最短桿；

⑵最短桿長(zhǎng)和最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和；

⑶桿長(zhǎng)滿足兩對(duì)邊相等且不平行（如圖2所示），

當(dāng)主動(dòng)曲柄AO1以ω1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)連桿AE推動(dòng)從動(dòng)曲柄EO2以ω3繞O2點(diǎn)作反向非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)曲柄的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于和它們固連的一對(duì)橢圓凸輪的純滾動(dòng)[5]。

此機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)構(gòu)件n=3，低副PL=4，

所以，自由度F=3n-2PL-PN=3×3-2×4-0=1

此機(jī)構(gòu)具有唯一可動(dòng)性，符合實(shí)際要求。

由圖可看出，從動(dòng)件3受力點(diǎn)E的速度為VE，其方向與EO2垂直，從動(dòng)件3上的力F的作用線與其速度VE方向之間的夾角α為壓力角。壓力角的余角γ為傳動(dòng)角。

反平行四邊形機(jī)構(gòu)常用作聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組合機(jī)床的專用夾具、拖車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和車門的啟閉機(jī)構(gòu)等。

2.2 反平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)用

垂直軸雙葉組風(fēng)力機(jī)有主葉片和副葉片，主葉片在外，副葉片在內(nèi)。兩葉片安裝時(shí)與風(fēng)輪主軸平行，副葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)起導(dǎo)向作用。

為了保證主、副葉片在運(yùn)動(dòng)時(shí)切向力最大，在安裝時(shí)，葉臂的中心軸線OO1是主葉片弦線HB的中垂線，直線OD是副葉片的弦線GF的中垂線。主、副葉片間采用反平行四邊形機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)裝置。

副葉片和葉臂之間設(shè)置有一個(gè)氣壓缸連接。氣壓缸的內(nèi)部裝有彈簧，使其緩沖效果好。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，主、副葉片圍繞主動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸O旋轉(zhuǎn)。風(fēng)小時(shí)，連架桿AE對(duì)副葉片的拉力小于氣壓缸的拉力，兩葉片間仍保持最佳的角度。但當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度，主葉片沿O1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連架桿AE帶動(dòng)副葉片繞O2點(diǎn)作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而減小兩葉片間的夾角，流過(guò)的風(fēng)量減少，使主、副葉片產(chǎn)生的升力減少，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變慢，向額定轉(zhuǎn)速靠近，降低其輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)剎車制動(dòng)的效果。

加了氣缸后，整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

活動(dòng)構(gòu)件n=5，低副PL=7

所以，自由度F=3n-2PL-PN=3×5-2×7-0=1

此機(jī)構(gòu)具有唯一可動(dòng)性，符合實(shí)際要求。

設(shè)定主葉片的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～10°，根據(jù)圖2，可算出，其傳動(dòng)角大于50°，其傳動(dòng)效果較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)反平行四邊形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)垂直軸雙葉片組的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用了葉柵效應(yīng)原理，最小傳動(dòng)角大于50°，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能好，經(jīng)初步測(cè)定，提高了風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李俊峰，等，主編.ISBN：978-7-5111-1099-2.中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2012年[M].北京：中國(guó)環(huán)境出版社，2012年9月.

[2]戴庚，徐璋，皇甫凱林，鐘英杰.垂直軸風(fēng)力機(jī)研究進(jìn)展[J].理論導(dǎo)刊， 2010，38（10）：39-43.

[3]李巖.垂直軸風(fēng)力機(jī)及其發(fā)展概況[J].可再生能源，2009，27（1）：121-123.

[4]李慶宜，主編.小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986年12月.

[5]魏兵，熊禾根，主編.ISBN：978-7-5609-3964-3.機(jī)械原理[M].湖北：華中科技大學(xué)出版社，2007年3月.