基于地鐵風能利用的微型風力機結構設計

程遠建　張緣　陳博

摘 要：能源結構中非化石能源占比逐漸提高，低碳化發展趨勢日益明確。新形勢下仍然要繼續堅持節能優先，推動能源消費革命，加快能源向綠色低碳方向的結構調整。本文提出對地鐵風能的利用理念，利用地鐵運行時所引起的空氣流動，帶動特制微型風力機葉片轉動發電。一方面為地鐵的照明提供部分電能，另一方面以這樣的形式宣揚低碳節能的理念。

關鍵詞：地鐵隧道風；扇形葉片；鏤空扇形葉片；扇形加套殼葉片

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）16-0053-04

最近幾年，地鐵發展迅速。在地鐵站等候列車的時候，我們能夠感受到地鐵進站時的空氣流動。我們直接感受到的是已經經過屏蔽處理的地鐵風，因此我們想到在地鐵站的隧道內加裝微型風力機，利用地鐵進站時引起的隧道風帶動風機葉片轉動發電。劉煜煒[1]等人經過研究發現，高實度的扇形葉片適用于地鐵隧道環境。然而，當轉速達到一定值，風就很難通過實度這樣大的葉片，從而大量的風從葉片外圍擾流，限制了風能的捕獲效率。因此為了讓更多的風從葉片表面經過，我們采取兩種措施：一個是葉片后緣部位鏤空設計，讓風從孔洞處流過；二是在葉片外圍加一個套殼，強迫風從葉片流過。

1 地鐵風特征

地鐵隧道內，當有列車經過時，帶動的風具有周期性和變化幅度大的特征。參考別的文獻[2]測得的數據：列車進站平均風速為7.00m/s，出站平均風速為5.40m/s。這組數據是在月臺上測得，列車處于低速狀態，且沒有屏蔽門，而在裝有屏蔽門的封閉軌道中，各項數據應該大于測量值。平均風速大于3m/s，因此地鐵隧內的風能有相當利用價值。

2 地鐵隧道風電利用可行性

地鐵隧道上部空間需設置提供給地鐵牽引力的電網或電柜和通風控溫設備，所以只能利用地鐵隧道左右的空間。在地鐵站臺附近，據觀察南京地鐵S1號線，地鐵隧道寬度幾乎是地鐵軌道的三到四倍，因此左右的空間足夠安裝風輪直徑為1米的風力發電機。

地鐵運行的空氣阻力主要來源于正面與空氣擠壓的阻力，還有兩側的摩擦阻力，是空氣在車身表面產生的行駛方向的分力，盡占空氣阻力總額的9%。根據空氣阻

根據分析，在安裝風力發電機后，由于阻力系數C，空氣密度和物體的迎風面積S不變，正面的阻力幾乎沒有變化。[3]

3 地鐵隧道風力機葉片設計

葉片優化設計理論：風力機是將風的動能轉化為機械能進而電能的裝置，風輪作為風力機的關鍵部件，其葉片外部形狀直接決定風力機的工作效率。參照傳統風力機的結構設計理論[4]，對微型風力機風輪結構進行優化。通過改變微型風力機風輪的葉片形狀有效地增加風輪的輸出轉矩，以達到降低所需啟動風速和提高風輪的輸出功率的目的。

3.1 葉片優化方案

3.1.1 扇形葉片

為了增加單個葉片在風輪掃掠面上的投影面積，由已有研究，用無扭轉矩形葉片代替傳統葉片以達到預想效果。同時為了減少微型風力機正常運轉時的噪聲，根據Duquette的發現，需要通過降低風力機的轉速來實現。風輪的葉尖線速度與來流V的比值為葉尖速比，葉尖速比為

因此可以通過選擇較低的也加速比，來限制微型風機的轉速n。擬定風輪的葉尖速比為2～3之間（約為傳統風機的一半），并根據風輪也加速比與葉片數的關系[6]確定葉片數為6片。

此外為了進一步增加矩形葉片風輪的風能捕獲能力，從葉片的形狀方面對其結構進行改進，得到了扇形葉片風輪結構[7]。以上述研究為基礎，本文以扇形葉片作為本體，為了避免葉片投影面積的重合，在扇形葉片的葉根和葉尖處施加不同的扭轉角度。其結構如圖1所示。

扇形葉片的相關參數見表1。

3.1.2 扇形鏤空葉片

常規葉片受到支撐材料強度的限制，為了保證安全運行，傳統葉片通常實度很小，致使大量的風從葉片的空隙穿過，使風能不能更大限度地利用[2]。初衷是不僅要把葉片做的多且大，而且還要能保證剛度強度要求。基于此對扇形葉片進行優化，因此本文在研究過程中首先對上文提到的扇形葉片做應力分析。發現扇形葉片的前緣收到的應力是后緣的3～5倍，且后緣處的應力較小區域呈現出三角形分布。詳見圖2。

因此鏤空部位不能設置在前緣部分，否則在同樣的材料和工況下，前緣更容易折斷或開裂。綜合上述考慮本文在單個扇形葉片的后緣處添加呈三角形的鏤空孔洞設計。其結構如圖3所示。

為了證實扇形鏤空葉片的應力分布符合最初設想，本文對扇形鏤空葉片同樣做了應力分析，其結果和最初設想的一樣，詳見圖4。

由此可見，在扇形葉片后緣處加鏤空設計是安全、有效的辦法。

3.1.3 扇形加套殼葉片

因為在地鐵隧道內，風輪面的面積相對于地鐵隧道的截面積過小，在開放式的站臺氣流的散逸情況比較嚴重[3]，因此給扇形葉片加裝套殼，強制風流向風輪面。其結構如圖5所示。

3.2 建模過程

流場網格劃分，內流場圓柱半徑R=170mm，厚度200mm；外流場，在風輪前1.5倍風輪直徑即L1=450mm，在風輪后7.5倍直徑即L2=2250mm，外流場圓柱R=600mm；對于加套殼的扇形葉片風輪，內流場R=200mm，厚度300mm，套殼的尺寸R=170mm，厚度200mm。

網格用ICEM-CFD軟件自動劃分，對葉片與套殼部分添加邊界層網格，并對內流場和外流場進行尺寸控制。網格外圍稀疏，葉片附近較密，總網格數80萬。平均網格質量（Element Quality）為0.87；扭曲因子（skewness）小于0.4的網格占95%，質量良好。鏤空葉片因為存在過多孔洞細節，而采用對單葉片進行仿真。因為本文的模擬仿真采用的是穩態分析，沒有考慮葉片在旋轉過程中相互的干擾，因此研究單個葉片，之后乘以葉片數得到整個葉輪的效果。三個類型葉片之間具有可比性。流場網格劃分見圖6。endprint

3.3 計算過程

分別針對入流風速為5m/s，10m/s時的不同轉速下進行仿真，求得轉矩，用轉矩乘以當前角速度便可得到功率。下面進行結果分析。詳見圖7～10。

由風速為5m/s的三種葉片轉矩和功率對比圖可以看出，鏤空扇形（綠色菱形曲線）葉片的捕風效果最好；扇形加套管葉片（紅色圓圈曲線）捕風性能略高于普通扇形葉片，不及鏤空扇形葉片。

當風速為10m/s時，一般翼型在轉速為50rad/s時失速，鏤空葉片在轉速為90rad/s時才發生失速；而且上述5m/s情況下的結論在10m/s的情況下同樣成立。因此可以得到以下結論：對于某一類型的葉片，外加套殼能夠在一定程度上增加風能利用，將其鏤空，葉片捕風效果提高更加明顯。

此外，為了進一步確認我們的設想。我們對三種結構的風輪進行流量監測，當風速為10m/s、旋轉角速度為50rad/s時，測得流過葉片掃略面的流量（kg/s）分別為：1.0182， 3.14802，0.98491。此結果說明鏤空葉片能夠使得通過的流量增加。

計算所得流場速度分布（V=10m/s，ω=55rad/s）。分別對比扇形葉片和加套殼的扇形葉片的流暢速度分布圖，此時兩種葉片都已失速?？梢悦黠@看出，外加殼套對流場擾動很大，反而限制了風能的吸收。同時也說明，加殼套只在低風速、低轉速的情況才會對風能利用率有微小的提高。

4 結語

通過本篇論文研究，得出在已有微型風力機葉片模型的基礎上，加套管和增加葉片后緣處的鏤空設計都可以提高風能利用率。但加套管的效果不如鏤空設計，且只適用于低風速、低轉速工況。對于鏤空葉片具體參數，比如鏤空部分的大小，位置，形狀等參數的優化有待進一步研究。對于鏤空和加套殼的結合模型可以在今后的研究中考慮。

由本文的研究，筆者做出以下設想?？梢愿鶕煌~片性能和設計工況，考慮兩級葉片合并使用。普通葉片在低轉速的時候轉矩大，因此容易啟動，也就是能夠利用低風速區域，彌補扇形鏤空葉片的不足；而高風速區域普通葉片容易失速，轉矩迅速減小，因此可以將普通葉片和扇形鏤空葉片結合，作為兩級葉片工作使用?？梢愿玫剡m應地鐵隧道的忽大忽小風況，進一步提高效率、經濟性。

參考文獻

[1]劉煜煒，袁啟龍，楊明順.微型風力機的結構優化及設計[J].機械科學與技術，2015.

[2]萬琨，張志英，李銀鳳等.風能與風力發電技術[M].北京：化學工業出版社.

[3]汪浩，張曉勇.利用地鐵隧道風能發電的設計與研究[J].大學物理實驗，2012，25（4）：10-13.

[4]王旭東，王立存，李平等.基于多學科的風力機葉片形狀優化設計研究[J].機械科學與技術，2012，31（5）：806—809.

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[6]蘇邵禹.風力發電設計與運行維護[M].北京：中國電力出版社，2003.

[7]汪建文，白楊，高志鷹等.小型風力機風輪葉尖近尾跡區域聲輻射測試與分析[J].沈陽工業大學學報，2010，（1）：27—3l.endprint