一種帶有擾流器的新型葉片設(shè)計(jì)*

□ 徐麗娜 □ 劉海華 □ 趙 獻(xiàn) □ 孫 慧

1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程系 內(nèi)蒙古包頭 014030

2.包鋼集團(tuán)公司 運(yùn)輸部設(shè)備科 內(nèi)蒙古包頭 014010

3.包鋼集團(tuán)公司 運(yùn)輸部機(jī)運(yùn)車間 內(nèi)蒙古包頭 014010

4.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控技術(shù)系 內(nèi)蒙古包頭 014030

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)日益發(fā)展的成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不斷向大型的趨勢(shì)發(fā)展，為了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全和平穩(wěn)運(yùn)行，制動(dòng)裝置是必不可少的。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)裝置是風(fēng)力機(jī)在遇到大風(fēng)或維修時(shí)，使風(fēng)輪達(dá)到靜止或降速的系統(tǒng)，制動(dòng)裝置大體可以分為空氣動(dòng)力制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)兩大類?！讹L(fēng)力發(fā)電機(jī)組——第一部分安全要求》（IEC61400-1）和 《風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的認(rèn)證準(zhǔn)則》（GL）標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組至少有一套制動(dòng)系統(tǒng)作用于風(fēng)輪或低速軸上，而1992年的丹麥標(biāo)準(zhǔn)DS472進(jìn)一步要求必須有一套空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)［1］。在實(shí)際應(yīng)用中，空氣動(dòng)力制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)兩種都要提供，因?yàn)闄C(jī)械制動(dòng)器的功能是使風(fēng)輪靜止，即停車。而空氣動(dòng)力剎車并不是使風(fēng)輪完全靜止下來(lái)，只是使其轉(zhuǎn)速限定在允許范圍內(nèi)?？諝鈩?dòng)力制動(dòng)性能優(yōu)于機(jī)械制動(dòng)，所以通常風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)，都優(yōu)先選擇空氣動(dòng)力制動(dòng)［2］［3］。 本設(shè)計(jì)中的帶有擾流器的葉片即為采用空氣動(dòng)力制動(dòng)原理的一種新型葉片，并已于2012年8月獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

▲圖1 普通葉片圖

▲圖2 帶有擾流器的葉片圖

▲圖3 帶有擾流器的葉片主體部分立體圖

目前，大部分風(fēng)力發(fā)電裝置中的葉片都是作為一個(gè)整體而出現(xiàn)，如圖1所示，葉片在遭遇強(qiáng)風(fēng)襲擊下，很難保證自身及整個(gè)機(jī)組的安全，即使有制動(dòng)、限速裝置，也多為額外添加的液壓、氣壓等制動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修保養(yǎng)困難，且不能根據(jù)具體的風(fēng)速來(lái)調(diào)整限速效果。圖2所示的葉片不是一個(gè)整體，分為主體部分和葉尖部分，其主體部分與葉尖部分是可分離的。

圖3即為葉片主體部分的立體圖，在葉片主體部分靠近葉尖的一端，先從端部加工一個(gè)有一定深度的矩形槽，在矩形槽終止的截面處繼續(xù)向里加工2個(gè)圓柱孔，孔徑小于等于矩形槽的槽寬，如圖4所示，2個(gè)圓柱孔是用來(lái)安放2根彈簧的，彈簧的一端與圓柱孔底面固連，另一端與擾流器相連。矩形槽就是用來(lái)存放擾流器的。

▲圖4 帶有擾流器的葉片主體部分圖

▲圖5 擾流器裝配立體圖

▲圖6 擾流器裝配圖

▲圖7 中間擋板

▲圖8 葉尖部分與擾流器連接圖

在圖5、圖6中，擾流器是由中間擋板（1個(gè)）、彈簧擋板（3對(duì)）及數(shù)根彈簧組成。彈簧一端固定于中間擋板的上、下槽底面，另一端與彈簧擋板連接。

圖7是中間擋板的具體結(jié)構(gòu)，中間擋板的左邊壁厚稍薄，并在靠近上、下槽底面處加工2個(gè)圓柱孔，用來(lái)穿鋼絲與葉尖部分相連。圖8是葉尖部分與擾流器的連接圖，用數(shù)根鋼絲一端固定于葉尖內(nèi)部，另一端穿過(guò)中間擋板的兩個(gè)圓柱孔，分別向上、向下折彎，緊靠在中間擋板上、下槽的左側(cè)面，由于有彈簧擋板的壓迫作用，使鋼絲很難拉直，造成葉尖部分與中間擋板分開?；虼颂幉捎闷渌绞竭B接，如焊接等。

中間擋板的右邊壁厚突出較多，右邊突出部分主要是用于擾流器工作時(shí)（即從矩形槽中伸出時(shí)），中間擋板還有一小部分留在矩形槽中，以形成和矩形槽的剛性連接，否則，在強(qiáng)風(fēng)的作用下，擾流器起不到擋風(fēng)的作用，而是被風(fēng)吹得傾斜一邊。而中間擋板右邊連接的是葉片主體中安放的2根彈簧。

彈簧擋板在從中間擋板中伸出時(shí)，也要有一小部分并未完全伸出中間擋板。否則，在強(qiáng)風(fēng)作用下，彈簧擋板起不到擋風(fēng)的作用，而是被風(fēng)吹得傾斜一邊。

2 設(shè)計(jì)原理與工作原理

▲圖9 擾流器工作圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作時(shí)，當(dāng)風(fēng)速在某一特定范圍時(shí)，葉片正常轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片的葉尖部分與主體部分緊緊挨住連成一體，形成一個(gè)完整的葉片。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某一特定范圍時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度升高，從而產(chǎn)生的離心力較大，當(dāng)離心力大于葉片主體中2根彈簧的彈簧拉力時(shí)，整個(gè)擾流器連同葉尖部分都要向離心的方向逐漸甩出，這時(shí)葉尖部分與主體部分脫離，而擾流器也開始工作。擾流器的中間擋板逐漸向外伸，第一對(duì)彈簧擋板由于不受葉片主體的壓迫，在數(shù)根彈簧的彈簧力作用下伸出中間擋板。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，中間擋板繼續(xù)外伸，以至于第二對(duì)彈簧擋板也脫離壓迫，從中間擋板中伸出，擋風(fēng)面積也繼續(xù)增大。風(fēng)速再增大，第三對(duì)彈簧擋板亦伸出，擋風(fēng)面積達(dá)到最大，如圖9所示。

風(fēng)速降低時(shí)，離心力減小，在彈簧的拉力作用下，擾流器連同葉尖部分開始回收，彈簧擋板上有很大的圓弧角，葉片主體部分的矩形槽上、下邊亦有圓弧角，目的是為了更容易壓縮彈簧擋板回到中間擋板的槽中，而不至于卡死在葉片主體的外面。最終彈簧擋板縮回中間擋板中，跟隨中間擋板一起回到葉片主體的矩形槽中，葉尖與主體部分又連為一體，正常工作。也就是當(dāng)擾流器工作時(shí)，即連帶葉尖部分遠(yuǎn)離葉片主體時(shí)，彈簧擋板在離心力作用下從中間擋板中伸出，當(dāng)擾流器不工作時(shí)，即擾流器收縮回到葉片主體的矩形槽中時(shí)，彈簧擋板壓縮彈簧回到中間擋板的槽中。

擾流器各部分具體的尺寸可根據(jù)葉片大小而定，彈簧的根數(shù)及彈簧擋板的對(duì)數(shù)亦可視具體情況而定。

3 結(jié)論

在本設(shè)計(jì)中，葉片自身即可限速，無(wú)需額外加限速裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。在擾流器中，由于應(yīng)用了幾對(duì)彈簧擋板，擾流器的擾流面積是隨著風(fēng)速增大而增大，這就使風(fēng)力機(jī)的工作效率始終達(dá)到最佳狀態(tài)，具有智能調(diào)節(jié)功能，避免了風(fēng)速稍高一點(diǎn)即加以擾流而降低了風(fēng)能利用效率，以及風(fēng)速繼續(xù)增大卻對(duì)限速無(wú)能為力的情況。另一方面，有了可伸出的彈簧擋板，使擾流器的擋風(fēng)面積增大，在強(qiáng)風(fēng)作用下，該擾流器具有更明顯的限速效果。

［1］ 吳雙群,趙丹平.風(fēng)力發(fā)電原理［M］.北京:北京大學(xué)出版社,2011.

［2］ 宮靖遠(yuǎn).風(fēng)電場(chǎng)工程技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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