基于機械傳動的阻力式風力機研究

包 耳，胡紅英，韓志敏，唐建波

(大連民族學院機電與信息工程學院，遼寧大連 116605)

近些年來，風力發電已由單一化向多元化方向發展［1－2］:(1)重視大功率風機研發的同時，也重視小型機的發展;(2)重視傳統的水平軸升力式風機的同時，也重視新型的垂直軸阻力式風機的發展［3］;(3)重視聯網型大容量風電場建設的同時，也重視分散型、小容量風電系統的發展［4－5］。這不僅具有多元化發展的意義，對于發展中國家的草原、山區、海島等地區電網不發達這一現狀，更具有明顯的現實意義。

1 垂直軸阻力式風力機的一般問題

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

阻力式風力機存在的一個較大問題是，風力機在工作過程中，葉片與風向之間的夾角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φ=0°～90°時，葉片的受風面積由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φ=180°時，推減小為0。當φ=180°～360°時，平板逆風運動，這時平板要克服風的壓力作負功。由此可見，如果不采取適當的措施，平板式葉片的阻力式風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力機的原理、結構及提高風力機功率的方法。

2 減小葉片作負功的一般方法

由于風力機在旋轉過程中，葉片總是會在部分區內處于逆風中運動，所以葉片作負功的問題很難完全消除，只能采取適當措施使其盡量少作負功［6］。

一種方法是，當葉片運動到逆風階段時，在其上風處設置屏障(如圖2)，屏障可隨尾舵轉動，以保持遮擋逆風葉片的進風位置，這種風力機需要調向機構。另一種方法是，當葉片處于逆風階段時，葉片可繞自身的旋轉軸轉動，以減小此時的迎風面積(如圖3)。圖中的風力機每旋轉一周，葉片在其根部限位塊的作用下，實現了在順風階段葉片張角較大，以增加推力;在逆風階段張角較小，以減小阻力。這種風力機無需調向機構，但風力機每轉一周，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 帶有屏障的風力機

圖3 葉片可擺轉的風力機

3 新型風力機的原理及結構

阻力式風力機設計的關鍵問題是，在一個工作循環過程中，如何使得動力槳葉盡量保持較大的迎風面積，而使阻力槳葉盡量保持較小的迎風面積。也就是說，在風力機工作過程中，槳葉能夠適當的調整其迎風角度。為實現這一目的，可能會有若干種控制方式供選擇。但筆者認為最簡單可靠的方式還應是機械傳動式。為實現這一目的，本文給出了新型風力機的原理及結構設計，如圖4是其俯視圖。

圖4 風力機結構俯視圖

該風力機的工作原理是，構件8和構件9為對稱布置的兩個槳葉，在風力作用下，槳葉帶動轉臂逆時針旋轉，轉臂中心軸10與轉臂固聯而隨轉臂旋轉，中心軸帶動發電機發電。在圖4所示位置時，槳葉8與轉臂平行，即與X軸張角為0°，處于正面迎風，可產生最大工作推力，而槳葉9與轉臂垂直，與X軸張角為90°，處于順槳狀態，工作阻力為零。此時風力機處于最佳工作狀態，即輸出功率為最大值。在風力機逆時針旋轉一周過程中，槳葉8由之前的B'置處的45°張角狀態，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，逐漸增大張角，到B位置處張角達到最大值90°，然后張角逐漸減小，到B'位置處為45°，這一階段槳葉9作負功。這一設計，使得動力槳葉保持了較大的迎風面積，而阻力槳葉保持了較小的迎風面積。這一結果的實現，是由于槳葉在隨轉臂旋轉過程中，同時還繞自身軸線回轉一個補償角。由上述分析可知，槳葉旋轉的補償角應等于轉臂轉角的二分之一。為實現這一目的，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。

為實現上述目的，需對傳動系統進行設計計算。

設轉臂的轉速為ω6，槳葉的轉速為ω1，設計目的是使ω1=ω6/2。由于固定的中心輪的轉速ω3=0，帶輪2與行星齒輪4為雙聯輪，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。在本設計中，令 Z3=17，則Z4=34。

4 風力機功率計算公式推導

圖5 槳葉的功率計算

5 進一步提高風力機功率的措施

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

由于空氣流是連續的和不可壓縮的，所以沿導流管方向的空氣質量流量是處處相等的。設導流管的進、出口截面積分別為S入和S出，進、出口風速分別為v入和v出，則有

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

導流管進出口截面形狀為圓形或方形均可。當風力過大時，可以調節導流管內的擋板，使得導流管進口截面積減小，由式(17)可知，這時導流管的出口風速v出就隨之減小了，從而減小風力機的功率，以保障風力機的安全。

6 結語

該風力機的原理新穎、結構簡單、性能可靠，設計與制造均很方便。行星傳動使得風力機槳葉在工作過程中能夠自動旋轉相應的補償角，從而使得槳葉能獲得盡量大的推力。在風力機前端增加導流管，可明顯提高風力機的有效功率。

［1］包耳，胡紅英.風力發電的發展狀況與展望［J］.大連民族學院學報，2011(1):24－27.

［2］祝賀，徐建源，張明理.風力發電技術發展現狀及關鍵問題［J］.華東電力，2009(2):314－316.

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

［4］科學技術部辦公廳，國際技術經濟研究所.世界前沿技術發展報告2009［M］.北京:科學出版社，2010.

［5］郭洪澈.小型風力發電機組系統優化［J］.可再生能源，2002(5):38－42.

［6］郭新生.風能利用技術［M］.北京:化學出版社，2007.

［7］朱兆瑞.風壓計算的研究［M］.北京:科學出版社，1976.

(責任編輯 劉敏)