包 耳，徐劍飛，胡紅英，韓志敏，唐建波

(大連民族學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院，遼寧 大連116605)

垂直軸風(fēng)力機(jī)是與水平軸風(fēng)力機(jī)不同的另一種風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置［1］，具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn):(1)一般不需要對(duì)風(fēng)裝置;(2)風(fēng)能和能量傳遞與轉(zhuǎn)換的主要部件，如齒輪箱、發(fā)電機(jī)等，可方便的安裝在地面上，因此不需要建造昂貴的塔架，并且便于安裝、維護(hù)和保養(yǎng)。從而使風(fēng)力機(jī)的制造和運(yùn)行費(fèi)用大大降低［2－5］。本文討論了垂直軸阻力式風(fēng)力機(jī)模型機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)所制造出的模型機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 風(fēng)力機(jī)模型機(jī)的設(shè)計(jì)和功率計(jì)算

1.1 模型機(jī)的設(shè)計(jì)

模型機(jī)的總體尺寸不可能太大，所以對(duì)其給出下列技術(shù)指標(biāo):輸出功率為1.8 W，啟動(dòng)風(fēng)速為2 m/s，額定風(fēng)速為6 m/s，最高風(fēng)速為9 m/s，轉(zhuǎn)臂半徑R=0.3 m，槳葉材料為帆布，單片槳葉的長、寬各為0.6 m。

風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1。左側(cè)槳葉1 的轉(zhuǎn)軸位于轉(zhuǎn)臂2 上，且與鏈輪3 為同一構(gòu)件;轉(zhuǎn)臂2 繞其中心O 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，O 軸與鏈輪5 固聯(lián);鏈輪3 與鏈輪5 之間由鏈4 傳動(dòng);鏈輪3 的齒數(shù)是鏈輪5 齒數(shù)的2 倍;鏈輪5 與鏈輪6 為雙聯(lián)輪，且齒數(shù)相同。右側(cè)槳葉的傳動(dòng)裝置與左側(cè)槳葉的完全對(duì)應(yīng)，即槳葉轉(zhuǎn)軸上固聯(lián)的鏈輪與鏈輪6 之間通過另外一條鏈條傳動(dòng)。

圖1 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)圖

鏈條型號(hào)選用04C －1，節(jié)距6.35 mm。由于傳遞的動(dòng)力較小，為使結(jié)構(gòu)緊湊，增速齒輪系統(tǒng)的齒輪模數(shù)選定為1 mm。

由行星傳動(dòng)原理可知，槳葉1 的旋轉(zhuǎn)角速度是轉(zhuǎn)臂2 旋轉(zhuǎn)角速度的1/2。這種設(shè)計(jì)使得槳葉在順風(fēng)工作階段具有較大的迎風(fēng)面積，在逆風(fēng)工作階段具有較小的側(cè)風(fēng)面積并且仍做正功，從而克服了一般阻力式風(fēng)力機(jī)很難克服的缺點(diǎn)，即槳葉在逆風(fēng)過程中做負(fù)功。

在圖1 中設(shè)定風(fēng)向平行于水平面并與主平面垂直，且風(fēng)向穩(wěn)定不變，轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。風(fēng)力機(jī)的初始姿態(tài)是:轉(zhuǎn)臂與主平面平行，右側(cè)槳葉平面與轉(zhuǎn)臂平行，左側(cè)槳葉平面與轉(zhuǎn)臂垂直。

1.2 功率計(jì)算

為簡化計(jì)算，將風(fēng)對(duì)槳葉的分布力簡化為作用于槳葉中心軸的集中力，并且忽略分布力對(duì)槳葉中心軸的附加力矩。

1.2.1 計(jì)算右側(cè)槳葉A 的功率PA

設(shè):風(fēng)速為VF，槳葉面積為F，空氣密度為ρ，通常ρ=1.225 kg/m3［6］，轉(zhuǎn)臂的角速度為ω，轉(zhuǎn)臂與水平軸之間所夾的姿態(tài)角為φ。

VF在槳葉法線方向的分量V'F為

槳葉在其法向上的速度(以槳葉中心A 點(diǎn)計(jì)算)為

由推力公式［6］可得推力T 為

式中，K=ρGF/2;阻力系數(shù)G=1.0［6］。

槳葉A 的功率

1.2.2 計(jì)算左側(cè)槳葉B 的功率PB

由于槳葉B 的初始位置與轉(zhuǎn)臂垂直，由圖1知，將式(4)中的余弦變?yōu)檎?，?/p>

1.2.3 計(jì)算風(fēng)力機(jī)所接受風(fēng)能的名義功率P'

風(fēng)力機(jī)所接受風(fēng)能的名義功率P'為

當(dāng)360°≥φ ＞180°時(shí)，槳葉A 和B 的位置互換，風(fēng)力機(jī)的功率計(jì)算式和φ 的取值區(qū)間仍為式(6)。計(jì)算功率時(shí)，ω 值尚需確定。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較快;當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較慢。通常風(fēng)速與槳葉速度之間有近似關(guān)系式［6］

式(6)是風(fēng)向角β=0 時(shí)的名義功率計(jì)算式。如果β≠0，經(jīng)推導(dǎo)可得名義功率為

風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出功率P 為

式中，η1是風(fēng)能吸收率，η1=0.62;η2是傳動(dòng)鏈的效率，η2=0.94;η3是增速齒輪箱的效率;η3=0.95;η4是發(fā)電機(jī)的效率，η4=0.6。

2 風(fēng)力機(jī)模型機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，制造出了一臺(tái)風(fēng)力機(jī)模型機(jī)，并對(duì)模型機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證理論計(jì)算的正確性并得出最佳風(fēng)向角的數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是測試風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速VF和不同風(fēng)向角β 時(shí)的輸出功率，考察輸出功率的理論計(jì)算值與實(shí)測值是否相符，另外還考察風(fēng)向角的變化對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于在實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)不同風(fēng)速下的工況進(jìn)行反復(fù)測試，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和對(duì)比的有效性，對(duì)不同距離下的風(fēng)速進(jìn)行測量標(biāo)定，避免其他因素干擾。具體做法是:利用風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速(儀器精度為0.1 m/s)，以風(fēng)扇扇葉中心為基準(zhǔn)，在其左右各300 mm 范圍內(nèi)的不同距離進(jìn)行測量，取平均值后確定位置。

2.3 風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率的影響

(1)計(jì)算不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率

以β=0，風(fēng)速VF分別等于3.3 m/s，3.9 m/s，4.5 m/s，5.2 m/s 和6 m/s，由式(6)和式(9)分別算出風(fēng)力機(jī)的輸出功率P。其數(shù)值見表1。

在由式(7)估算轉(zhuǎn)臂在不同風(fēng)速下的角速度時(shí)，考慮到風(fēng)速較高時(shí)，轉(zhuǎn)臂角速度應(yīng)小于該式算得值;風(fēng)速較小時(shí)，轉(zhuǎn)臂角速度應(yīng)大于該式算得值，故對(duì)應(yīng)于上述風(fēng)速，轉(zhuǎn)臂的角速度分別取為4/s，4.2/s，4.4/s，4.7/s，5/s 。

(2)測量不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率

在上述參數(shù)下，分別測得風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出功率，其數(shù)值見表1。

實(shí)驗(yàn)步驟:

(1)從風(fēng)速儀中讀出風(fēng)速值，調(diào)整風(fēng)速達(dá)到指定值;

(2)利用萬用表測出輸出電壓值和電流值，并記錄結(jié)果;

(3)重復(fù)上述步驟，取4 組功率測量數(shù)據(jù)的平均值，填入表1 中。

表1 風(fēng)力機(jī)功率的理論計(jì)算值和實(shí)測值 單位:mW

2.4 測量風(fēng)向角β 對(duì)輸出功率的影響

在前述實(shí)驗(yàn)步驟的基礎(chǔ)上，再增加實(shí)驗(yàn)步驟:

(1)在－30°到20°范圍內(nèi)，改變風(fēng)向角β 值，步長為10°，測量輸出功率;

(2)分別將風(fēng)速調(diào)整為3.3 m/s，3.9 m/s，4.5 m/s，5.2 m/s 和6 m/s，重復(fù)步驟(1);

(3)對(duì)于不同的風(fēng)向角β 和風(fēng)速VF，各取4組功率測量數(shù)據(jù)的平均值，見表2。

表2 風(fēng)向角β 變化時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出功率的實(shí)測值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出功率比理論計(jì)算的結(jié)果低。另外在風(fēng)速較低時(shí)，誤差較小，風(fēng)速較高時(shí)，誤差較大。這可能有以下幾點(diǎn)原因:

(1)模型機(jī)的傳動(dòng)效率比估算的低;

(2)槳葉帆布漏風(fēng)以及空氣的阻力系數(shù)不夠準(zhǔn)確;

(3)風(fēng)速較高時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)的其它未考慮的因素會(huì)產(chǎn)生不可忽略的影響作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明風(fēng)向角角的變化對(duì)輸出功率影響較小。最大功率出現(xiàn)在風(fēng)向角為10°左右處。

3 結(jié) 語

(1)模型機(jī)的實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果比較接近，說明實(shí)驗(yàn)過程和理論計(jì)算都是比較合理的。

(2)風(fēng)力機(jī)的輸出功率最大值出現(xiàn)在風(fēng)向角為10°附近。

(3)該風(fēng)力機(jī)具有在較寬的風(fēng)向角范圍內(nèi)輸出功率變化較小的優(yōu)點(diǎn)。

［1］包耳，胡紅英.風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r與展望［J］.大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(1):24 －27.

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