模擬戶外風速裝置設(shè)計

程君妮

(榆林學院能源工程學院，陜西 榆林 719000)

模擬戶外風速裝置設(shè)計

程君妮

(榆林學院能源工程學院，陜西 榆林 719000)

葉片是風力機整體設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接決定風力機的發(fā)電量。對葉片在風力機整體設(shè)計環(huán)節(jié)中的重要性以及風輪尺寸決定風電場的發(fā)電量進行了研究，設(shè)計了一種模擬戶外條件并提供不同大小風速的裝置，以檢驗設(shè)計的葉片模型在不同風速條件下的性能。首先介紹了該裝置的具體結(jié)構(gòu)以及工作原理，包括直筒內(nèi)部設(shè)計、光圈結(jié)構(gòu)、底座結(jié)構(gòu)以及電路系統(tǒng)等。然后分析了該裝置在設(shè)計過程中所需考慮的關(guān)鍵問題，包括圓柱之間距離、電機安裝位置、風流過圓柱產(chǎn)生的噪聲以及風葉尺寸的限制等。最后確定了該風速裝置的設(shè)計規(guī)格和主要參數(shù)。結(jié)合風輪尺寸和葉片設(shè)計要求，風機內(nèi)部可以安裝不同直徑的通風管，以檢驗葉片性能。利用數(shù)值模擬并結(jié)合Origin軟件，模擬設(shè)計了一組不同直徑的通風管，繪制了風速與通風管橫截面積的關(guān)系圖。結(jié)果表明，該裝置可提供的風速范圍為6.8～56 m/s。

風力發(fā)電; 風能； 電機; 變風速; 模型檢測; 葉片性能

0 引言

葉片是將風能轉(zhuǎn)化為機械能的一種裝置。如果提高葉片翼型的升阻比，葉片便能更加充分地利用風能，以提高風力機的發(fā)電量。由于薄翼型葉片具有比較高的升阻比，也就意味著薄翼型葉片具有較高的風能利用系數(shù)，因此設(shè)計人員在設(shè)計葉片時，趨向于葉片越薄越好。然而，葉片在利用風能的同時也承受著風的巨大載荷，葉片要能正常旋轉(zhuǎn)，必須在旋轉(zhuǎn)方向上有足夠的強度和剛度[1]。因此，葉片越厚越好。

薄翼型葉片具有較高的風能利用系數(shù)，厚葉片可以確保風輪安全旋轉(zhuǎn)，這就造成了在葉片設(shè)計環(huán)節(jié)中的矛盾。因此，合理的葉片厚度設(shè)計顯得十分重要。葉片在設(shè)計完成之后，必須經(jīng)過一系列的試驗，檢驗其可靠性[2-3]。但是如果葉片設(shè)計過大，在檢驗過程中一旦出現(xiàn)問題，就必須重新修改葉片設(shè)計參數(shù)，十分浪費時間和材料。因此，設(shè)計一種可以模擬戶外風速的裝置，以此來檢驗葉片的設(shè)計模型，不僅省事省力，而且縮短了葉片的設(shè)計周期[4]。首先介紹了該裝置的具體結(jié)構(gòu)和工作原理；然后分析了該裝置在設(shè)計過程中需要注意的問題；最后確定了該裝置的規(guī)格，并利用Origin軟件繪制了通風管風速與橫截面積的關(guān)系圖。

1 不同大小風速的裝置設(shè)計

風速裝置如圖1所示。

圖1 風速裝置示意圖

風速裝置由3個部分組成，分別是風扇、直筒和底座。風扇最上面有兩個旋轉(zhuǎn)開關(guān)，分別是控制風扇的開關(guān)和風扇的檔位，其中風扇有3個檔位，分別提供不同的風速。將該風扇整體外形尺寸的大小考慮在內(nèi)，最后選定型號為JM02的風扇。直筒是該風力裝置的核心部件，主要作用是由風扇產(chǎn)生的風，流過直筒形成大小不同的風速。底座主要作用是支撐直筒和減震，其內(nèi)部裝有控制直筒內(nèi)部光圈大小的電路裝置。

風速裝置直筒內(nèi)部為空心，上、下兩個表面均為具有一定厚度的實心圓柱，上表面實心圓柱內(nèi)部鑲嵌有一個光圈和帶有把手的轉(zhuǎn)動盤，下表面同樣鑲嵌有一個光圈和固定裝置。兩個光圈相互對應(yīng)，在上、下兩個實心圓柱表面位置相同。在直筒底端，兩個光圈外表面各延伸出一個柱狀的探頭，兩個探頭用一根直桿連接并固定。每個光圈內(nèi)部含有12個鐮刀狀的小葉片，彼此在光圈內(nèi)部緊密排列成一圈，暴露出光圈內(nèi)部的空心圓。當探頭沿著光圈外表面缺口移動時，光圈內(nèi)部含有的12個葉片會伸縮和延伸，從而在光圈內(nèi)部形成半徑大小不一的空心圓。轉(zhuǎn)動盤表面刻有6個數(shù)字，分別代表6個半徑不同的直空心圓柱。為了使轉(zhuǎn)動盤順、逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動盤上帶有一個把手。用一根實心圓柱連接轉(zhuǎn)動盤與固定裝置，并在實心圓柱外層套一個半徑大的空心圓柱，使半徑大的空心圓柱和實心圓柱組合構(gòu)成一個實心圓柱。空心圓柱兩個端面為直圓柱，鑲嵌在直筒上、下表面內(nèi)部，厚度與光圈厚度相同；空心圓柱外表面設(shè)計成“十”字形，鑲嵌在圓筒內(nèi)部的圓環(huán)中心，在把手帶動下，空心圓柱外表面的“十”字形可以帶動直圓環(huán)順、逆時針旋轉(zhuǎn)。直圓環(huán)內(nèi)部固定有6個半徑不同的空心圓柱。圓環(huán)轉(zhuǎn)動，6個空心圓柱也跟隨一起轉(zhuǎn)動。每個空心圓柱轉(zhuǎn)動到兩個光圈之間的空隙處時，空心圓柱停止轉(zhuǎn)動，使空心圓柱半徑和空心圓半徑一致，實現(xiàn)兩者在空間位置上的相互銜接。

光圈基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光圈基本結(jié)構(gòu)示意圖

光圈由4個不同的器件組合而成，其中光圈外殼底部是圓環(huán)，中心是空心，其余都是實心。光圈外殼空心圓的半徑與其余3個器件空心圓半徑相等。托盤用來承載12個鐮刀狀的葉片，它們按照一定的順序排列，每個葉片左端口有一個小的空心圓，右端口有一個凸處。托盤表面含有12個小凸處，主要作用是與每個葉片上的空心圓相互銜接，從而固定葉片。光圈內(nèi)盤表面刻有12個軌道，用來固定葉片，使葉片凸處在上面滑動。光圈內(nèi)盤螺絲固定處與光圈外盤螺絲固定處相互對應(yīng)，用來固定安裝好的光圈。托盤與葉片一起放在光圈外盤內(nèi)部，其中托盤探頭穿過光圈外殼外表面缺口。光圈內(nèi)盤用于覆蓋葉片，與外盤組合構(gòu)成光圈。光圈探頭在外殼外表面缺口上、下移動時，內(nèi)部裝有的12個葉片凸處順著軌道移動，在光圈內(nèi)部出現(xiàn)半徑時大時小的空心圓。

底座下方設(shè)置有管狀電機。管狀電機封裝在不銹鋼套筒中，相應(yīng)套筒的兩端各有固定端，以固定套筒并保證套筒中的管狀電機平穩(wěn)運行。底座上方設(shè)置有長實心直桿，直桿兩端固定，中心可以自由轉(zhuǎn)動。在底座正前方有電源開關(guān)以及控制管狀電機的開關(guān)。探頭是光圈的延伸部分。由布將管狀電機套筒、直桿和探頭連接，底座左、右兩邊各有一塊布，在探頭處連接固定并包裹住探頭。打開電源開關(guān)，控制管狀電機開關(guān)，使兩個電機轉(zhuǎn)速保持一致。管狀電機1帶動套管轉(zhuǎn)動，拉動布前進，迫使探頭逆時針轉(zhuǎn)動；同時電機2也帶動套管順時針轉(zhuǎn)動，使纏繞在套管上的布展開。由于兩個管狀電機轉(zhuǎn)速始終保持一致，在電機1拉動布前進的情況下，電機2將纏繞在套筒上的布展開，從而保證固定在探頭上的兩塊布勻速帶動探頭前進。

2 風速裝置設(shè)計要點

風力裝置設(shè)計過程中，直筒6個空心圓柱彼此間隔的距離、兩個管狀電機的位置、風通過通風管產(chǎn)生的噪聲以及風葉的尺寸等都會對裝置設(shè)計產(chǎn)生影響。下面具體分析這些因素對該裝置設(shè)計產(chǎn)生的影響。

2.1 不同空心圓柱之間距離的影響

在把手的帶動作用下，轉(zhuǎn)動盤會帶動直圓環(huán)一起轉(zhuǎn)動。直圓環(huán)外6個空心圓柱交錯在兩個光圈相距的空間來回移動。由于探頭的移動，使光圈空心處呈現(xiàn)半徑大小不一的空心圓，這也導致了6個空心圓柱轉(zhuǎn)動時，必須使相應(yīng)空心圓柱的半徑與光圈空心圓的半徑相匹配。由于6個空心圓柱的橫截面積大小不一樣，因此，空心圓柱彼此之間的間距也應(yīng)不同，才能保證空心圓柱與光圈空心圓半徑相對應(yīng)。相鄰兩個空心圓柱的弧長L為：

L=Rα

(1)

式中：R為圓環(huán)圓心到相應(yīng)空心圓柱圓心的距離；α為相鄰兩個空心圓柱半徑R1和R2的夾角。

由式(1)可知，在夾角α不變的情況下，半徑R越大，對應(yīng)的弧長L就會越大。因此，半徑越小的空心圓柱離前一個圓柱的圓弧距離越大，且越靠近直圓環(huán)的外表面。

2.2 管狀電機安裝位置的影響

在兩個管狀電機底座的下方，利用兩塊布在探頭處纏繞并固定，從而使兩個管狀電機帶動探頭順、逆時針勻速轉(zhuǎn)動。要想保證探頭順、逆時針勻速轉(zhuǎn)動，兩個電機的位置應(yīng)反向安裝。管狀電機1接電線部分朝向底座上表面，管狀電機2接電線部分朝向底座下表面，而且布在兩個管狀電機套管的同側(cè)，這樣才能保證管狀電機1、2在同步轉(zhuǎn)動的同時，探頭勻速轉(zhuǎn)動。

2.3 風通過不同空心圓柱產(chǎn)生噪聲的影響

在風量一定的條件下，較小的通風管會提高風的速度，但這也會在風管中產(chǎn)生較高的二次氣流噪聲，從而影響室內(nèi)環(huán)境[5-6]。假設(shè)流過空心圓柱的風為理想流體，則由連續(xù)性方程可知:

S1V1=S2V2

(2)

式中：S1為風扇旋轉(zhuǎn)時掃過的面積；V1為風扇產(chǎn)生的風速；S2為空心圓柱的橫截面積；V2為流過空心圓柱風的速度。

由式(2)可知，當S1V1為定值時，空心圓柱橫截面積S2與流過它的風速V2成反比。

直管道氣流噪聲功率由式(3)確定：

LW=10+50LgV+10LgS

(3)

式中：LW為噪聲功率；V為通風管的風速；S為通風管的橫截面積。

利用式(3)，可以確定風流過半徑不同的空心圓柱產(chǎn)生的噪聲功率。當S=S2一定時，V=V2越大，則噪聲功率LW越大，由此對室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生的影響也會越明顯。因此，對該風力裝置必須進行消聲處理。

2.4 風葉尺寸限制的影響

由于該風力裝置提供大小不同的風速，以檢驗葉片模型設(shè)計的合理性，因此，葉片模型尺寸也會對該風力裝置的設(shè)計產(chǎn)生影響，特別是該裝置的出風口大小[7-8]。假設(shè)風從該裝置空心圓柱流出，進入空氣，在空心圓柱出風口處，風的方向呈發(fā)散狀，流經(jīng)一段距離L后，風的各個方向逐漸趨于平行[9-10]。風力機一般安裝在戶外工作，葉片將風能轉(zhuǎn)化為機械能，近似認為風葉迎面吹來的風是平行的，因此，風葉模型不可能放置在風口處，只能放置在離出風口一定距離L處。

3 確定該風速裝置整體參數(shù)方案

以上討論了不同空心圓柱之間的距離、管狀電機的位置、風通過通風管產(chǎn)生的噪聲以及風葉的尺寸等對該風力裝置設(shè)計的影響，從而確定了該風速裝置的設(shè)計規(guī)格。風速裝置風扇及底座參數(shù)表分別如表1、表2所示。

表1 風扇參數(shù)表

表2 底座參數(shù)表

4 裝置提供風速估計

采用風扇和底座的規(guī)格，可以設(shè)計出不同尺寸的直筒。這也意味著直筒尺寸一旦確定之后，風葉模型的大小以及直筒內(nèi)部6個空心圓柱橫截面積也就確定了。

根據(jù)上述風扇和底座尺寸的大小，模擬設(shè)計了一組空心圓柱。直筒參數(shù)如表3所示。由于風扇與直筒采用一定尺寸的空心圓臺鏈接，圓臺半徑大的圓包裹在風扇的內(nèi)直徑上，圓臺半徑小的圓連在直筒的外表面；同時，光圈底面積近似認為等于光圈葉片全部收縮時空心圓的面積。因此，直筒參數(shù)表如表3所示。

表3 直筒參數(shù)表

利用Origin軟件繪制了風扇在1檔、2檔以及3檔時，風穿過6個半徑不同空心圓柱風速大小變化的示意圖,如圖3所示。

圖3 空心圓柱風速與橫截面積關(guān)系圖

通過圖3發(fā)現(xiàn)，風扇不同檔位產(chǎn)生的風，穿過空心圓柱風速的大小與通風管橫截面積呈線性關(guān)系。當風扇檔位一定時，空心圓柱對應(yīng)的風速隨通風管橫截面積增加而下降。當S1V1固定時，空心圓柱橫截面積S2與流過通風管的風速V2成反比。當風扇處于1檔時，風扇產(chǎn)生的風速為1.25 m/s，流過半徑最大的空心圓柱風速為6.8 m/s；當風扇處于3檔時，風扇產(chǎn)生的風速為3.5 m/s，流過半徑最小的空心圓柱風速為56 m/s。結(jié)果表明:該裝置可提供的風速范圍為6.8～56 m/s。

5 結(jié)束語

葉片設(shè)計的優(yōu)劣是風力機能否最大化利用升阻比的關(guān)鍵[11]。優(yōu)質(zhì)葉片能最大化地利用風能，提高風能利用系數(shù)，因此葉片趨向于薄翼型。但是，葉片在利用風能的同時，也在承受著巨大的風載荷[12]，因此，葉片越厚越好。這也導致了葉片在設(shè)計過程中存在矛盾。

本文設(shè)計了一種提供大小不同風速的裝置，可以對已經(jīng)設(shè)計完成的葉片模型進行驗證，以確定其穩(wěn)定性和設(shè)計的合理性。這樣不僅在葉片設(shè)計環(huán)節(jié)中可以省時省力，而且縮短了葉片的設(shè)計周期，極大地推動了風力機葉片的發(fā)展。

[1] KYOUNGSOO L.Evaluation of equivalent structural properties of NREL phase VI wind turbine blade[J].Renewable Energy,2016,86(27):796-818.

[2] 王益祥,王聿彪,周勇.新型風速測量裝置設(shè)計[J].自動化儀表,2008,29(3):63-65.

[3] 寇薇,苑賓,李琦,等.一種組合型垂直軸風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電力科學與工程,2011,27(5):25-28.

[4] WANG J,SONG Y,LIU F,et al.Analysis and application of forecasting models in wind power integration：A review of multi-step-ahead wind speed forecasting models[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,60(3):960-981.

[5] 賈少紅.風電葉片氣動噪聲研究[D].北京：中國科學院大學,2014.

[6] 王文龍.大氣風場模型研究及應(yīng)用[D].長沙：國防科學技術(shù)大學,2009.

[7] 陸科,李濤,王振,等.低速風速裝置檢測方法探討[J].中國計量,2015(1):103-105.

[8] 陳鳳貴,姜明波,杜智濤,等.地面風場風速測量標準裝置需求與設(shè)計[J].裝備環(huán)境工程,2013,10(1):79-82.

[9] 陳鳳貴,劉克華,姜明波,等.地面風場風速測量標準裝置性能測試分析[J].裝備環(huán)境工程,2013(2):9-13.

[10]李春曦,李新穎,葉學民.垂直軸風力機結(jié)構(gòu)及性能改進的研究進展[J].風機技術(shù),2013(1):67-73.

[11]KORPRASERTSAK N,LEEPHAKPREEDA T.Analysis and optimal design of wind boosters for vertical axis wind turbines at low wind speed[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2016,159(5):9-18.

[12]呂躍剛,關(guān)曉慧,劉俊承.風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].自動化與儀表,2012,27(1):6-10.

Design of the Emulated Device for Outdoor Wind Speed

CHENG Junni

(School of Energy Engineering,Yulin University,Yulin 719000，China)

Blade is very important part in the overall design of the wind turbine,its performance directly determine show many electricity the wind turbine can generate.The importance of the blade in the overall design of wind turbine,and the relationship between generation capacity of the wind farm and the sizes of wind wheel are studied,and the emulated device is designed for providing outdoor conditions with difference wind speed,to detect the performance of blade model designed under different wind speed.Firstly,the specific structure and operational principle of the device are introduced,including the internal design of straight tube,the structure of aperture,the pedestal structure and circuit system.Then,the key issues to be considered in the process of design are analyzed,including the distance of the cylinders and motor installation location,noise produced by wind in cylinder and the restrictions of sizes of blade,etc.Finally,the specification of the wind speed device and major parameters are determined.Combining with the size of wind wheel and design requirements of blade,the pipes with different diameter can be installed inside the device,to test the performance of blades.By using numerical simulation and the Origin software,a set of ventilation pipes with different diameter are designed,and the diagram of the relationship between wind speed and cross-sectional area is drawn.The results show that the device can provide 6.8～56 m/s wind speed range.

Wind power generation; Wind energy; Motor; Variable wind speed; Model detection; Blade performance

陜西省榆林科學技術(shù)局產(chǎn)學研基金資助項目(2015cxy-22)

程君妮(1982 —)，女，學士，講師，主要從事風電場風力機的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail:3139516353@qq.com。

TH122；TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705009

修改稿收到日期：2017-01-26