金大橋，耿瑞光，陳樹海，劉　穎，苗淑杰

(黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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小型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

金大橋，耿瑞光，陳樹海，劉穎，苗淑杰

(黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

對(duì)小型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行綜述。風(fēng)能作為潔凈的可再生能源近年成為人們研究的熱點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，介紹風(fēng)力發(fā)電原理，總結(jié)小型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)組成情況，并對(duì)典型結(jié)構(gòu)的功用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析。分析設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)包括風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)分析的基礎(chǔ)理論和風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題。最后對(duì)風(fēng)力發(fā)電的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)；風(fēng)力發(fā)電；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；風(fēng)力機(jī)理論

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類消耗能源也與日俱增，能源問題成為當(dāng)今人類生存和發(fā)展所面臨的重要問題。目前,廣泛應(yīng)用的常規(guī)能源如煤炭、石油等是有限的，并會(huì)產(chǎn)生污染，因而潔凈的可再生能源近年成為人們研究的熱點(diǎn)。風(fēng)能是一種潔凈、無污染、可再生的綠色能源，蘊(yùn)藏量也十分巨大，是目前具備大規(guī)模開發(fā)利用前景的能源[1]。風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力機(jī)組直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式，是風(fēng)能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術(shù)成熟、具有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。對(duì)減少溫室效應(yīng)，保持生態(tài)平衡，改善電力結(jié)構(gòu)起到重要作用[2-3]。

1　風(fēng)力發(fā)電原理

空氣流動(dòng)形成風(fēng)，風(fēng)所具有的動(dòng)能稱作風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)能來發(fā)電。風(fēng)力機(jī)通過風(fēng)輪來捕獲風(fēng)能，利用風(fēng)對(duì)葉片的作用力推動(dòng)葉輪繞風(fēng)力機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，再通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，把吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并轉(zhuǎn)換為電能輸出[4]。

風(fēng)力機(jī)輸出功率P由下式計(jì)算[5]：

(1)

式中：CP為功率系數(shù)；ρ為空氣密度；A為掃風(fēng)面積；V為風(fēng)速。

計(jì)算風(fēng)機(jī)的輸出功率時(shí)，功率系數(shù)根據(jù)貝茲理論的極限值CPmax≈0.593，CP值越大，則風(fēng)力機(jī)能夠從風(fēng)中獲得的能量百分比也越大，風(fēng)力機(jī)效率越高，即風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率也越高。一般隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的形式不同，其能量損失也不同，通常設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取功率系數(shù)0.25～0.45。風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)輪直徑的平方、風(fēng)速的立方成正比，且空氣的密度較低，因此,風(fēng)力機(jī)的葉輪直徑一般較大，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要建在風(fēng)能資源豐富的地點(diǎn)，發(fā)電時(shí)風(fēng)速一般要大于3 m/s。

2　小型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

按風(fēng)力機(jī)容量大小，我國小型風(fēng)力機(jī)一般是指1～l00 kW的范圍[6]。機(jī)型有水平軸機(jī)型與垂直軸機(jī)型之分，水平軸、上風(fēng)向、三槳葉型風(fēng)力機(jī)是現(xiàn)在最流行、最為廣泛采用的機(jī)型。小型風(fēng)力機(jī)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般由風(fēng)輪、調(diào)速控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、偏航控制系統(tǒng)、塔架等部分組成[7-9]。

圖1　風(fēng)力機(jī)典型結(jié)構(gòu)

2.1風(fēng)輪

葉片安裝在輪轂上組成了風(fēng)輪。葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件，它把流動(dòng)的空氣具有的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。葉型的種類很多，通常使用傳統(tǒng)的翼型[10-11]。風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉片承受風(fēng)載荷和離心力作用，由于葉片細(xì)長，受不斷變化的流動(dòng)空氣影響，受力變化非常復(fù)雜。葉片材料要求強(qiáng)度高、重量輕，在惡劣環(huán)境條件下物理、化學(xué)性能穩(wěn)定。通常用鋁合金、不銹鋼、木材、玻璃纖維或高強(qiáng)度復(fù)合材料等制成。輪轂是連接葉片與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸的部件，用于傳送風(fēng)輪的力和力矩到后面的機(jī)構(gòu)，輪轂形狀復(fù)雜，一般要求使用鑄造工藝，球墨鑄鐵有較好的抗疲勞性能，也方便成型與加工，輪轂通常由球墨鑄鐵制成。

2.2調(diào)速控制系統(tǒng)

一般由于葉輪的轉(zhuǎn)速很低，往往達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，則需要用齒輪、皮帶等增速。在有齒輪箱的風(fēng)力機(jī)組中，齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，通過齒輪箱齒輪副的增速作用將葉輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)力機(jī)組齒輪箱的種類很多，有圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及它們互相組合起來的齒輪箱。由于機(jī)組安裝在室外環(huán)境里，自然條件惡劣，并且安裝空間狹小，出現(xiàn)故障修復(fù)困難，故對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和使用壽命都比一般機(jī)械要求高。

2.3發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是風(fēng)力機(jī)組的重要組成部分之一。葉輪接受風(fēng)能而轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將風(fēng)能傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。以前小型風(fēng)力機(jī)多采用直流發(fā)電機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且維修量大，現(xiàn)已逐步被交流發(fā)電機(jī)所代替，目前同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)兩種都有普遍應(yīng)用。

2.4偏航控制系統(tǒng)

垂直軸風(fēng)力機(jī)可接受任意方向吹來的風(fēng)，因而不需要偏航控制系統(tǒng)，但對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)，要使風(fēng)力機(jī)組的風(fēng)輪經(jīng)常對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力機(jī)組的發(fā)電效率，因而大多數(shù)水平軸風(fēng)力機(jī)都有偏航控制系統(tǒng)。風(fēng)大時(shí)偏航系統(tǒng)還能提供必要的鎖緊力矩，保障風(fēng)力機(jī)組的安全運(yùn)行。風(fēng)力機(jī)組的偏航系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成主動(dòng)偏航系統(tǒng)或者被動(dòng)偏航系統(tǒng)。

2.5塔架

風(fēng)力機(jī)塔架是支承風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)速和偏航系統(tǒng)的構(gòu)架。塔架高度主要依據(jù)風(fēng)輪的直徑確定，還要考慮安裝地點(diǎn)附近的障礙物情況、風(fēng)力機(jī)功率收益與塔架費(fèi)用以及安裝，一般小型風(fēng)力機(jī)塔架在6～20 m范圍內(nèi)。塔架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮塔架的靜動(dòng)態(tài)特性、與機(jī)艙的連接、運(yùn)輸和安裝方法、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工等問題。塔架從結(jié)構(gòu)上可分為桁架式和塔筒式，衍架式塔架在早期風(fēng)力機(jī)組中大量使用，其制造簡單、成本低、運(yùn)輸方便，但其主要缺點(diǎn)為通向塔頂?shù)纳舷绿葑硬缓冒才?，安全性差。塔筒式塔架在?dāng)前風(fēng)力機(jī)組中大量采用，優(yōu)點(diǎn)是美觀大方，上下塔架安全可靠。

3　小型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

3.1風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)分析的基礎(chǔ)理論

風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)分析從理論上決定風(fēng)力機(jī)整體的功率特性和載荷特性，因而很重要，一直受世界各國專家和學(xué)者關(guān)注。目前，常用氣動(dòng)分析的基礎(chǔ)理論有貝茲理論、渦流理論、葉素理論、動(dòng)量理論等，并且設(shè)計(jì)的過程是這些理論的綜合應(yīng)用[12-14]。

圖2　理想風(fēng)輪氣流模型

2)渦流理論。 真實(shí)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，風(fēng)輪附近的流場不是簡單的一維定常流動(dòng)，而是復(fù)雜三維非定常流動(dòng)。按渦流原理，對(duì)于有限長的葉片，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)葉片尖部下游氣流跡線為一螺旋線，因而每一個(gè)葉片的尾跡旋渦形成一螺旋形?？諝饬髁鹘?jīng)風(fēng)輪后形成尾流旋渦，它形成兩個(gè)主要旋渦區(qū)：一個(gè)靠近葉尖，一個(gè)在輪轂附近。由渦流引起的風(fēng)速可看成是由下列3個(gè)渦流系統(tǒng)疊加的結(jié)果，即：中心渦，集中在風(fēng)輪軸上；每個(gè)葉片的附著渦；每個(gè)葉片尖部形成的螺旋渦，風(fēng)輪的渦流系統(tǒng)如圖3表示。因?yàn)闇u流的存在，流場中軸向和周向的速度會(huì)發(fā)生變化，引起各種氣動(dòng)力。葉片的弦長、葉片安裝角、攻角以及入流角的關(guān)系，可按渦流理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，渦流理論是葉片氣動(dòng)外形和風(fēng)輪氣動(dòng)性能分析的基礎(chǔ)。

圖3　風(fēng)輪渦流

3)葉素理論。 將葉片沿葉片展向分成若干個(gè)微段，每個(gè)微段稱作一個(gè)葉素，葉素理論從葉素附近流動(dòng)來分析葉片上的受力和能量交換，如圖4所示。按葉素理論，葉素是風(fēng)輪距葉片回轉(zhuǎn)中心任意半徑r處翼型剖面延伸一微段dr形成的一個(gè)基本單元，葉片被假想分割成無限多個(gè)葉素，每個(gè)葉素都是葉片的一部分，假定每個(gè)葉素的厚度無限小，且所有葉素都是獨(dú)立的，葉素之間不存在相互作用，通過各葉素的氣流也不相互干擾，作用于每個(gè)葉素上的力只由葉素的翼型升阻特性決定，在分析葉素的空氣動(dòng)力學(xué)特征時(shí)忽略葉片長度的影響。葉素本身可以看成一個(gè)二元翼型，通過對(duì)作用在葉素上的載荷進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行沿葉片展向求和，可以求得作用于風(fēng)輪上的推力和轉(zhuǎn)矩。

圖4　風(fēng)輪的葉素

4)動(dòng)量理論。 按動(dòng)量理論，假定作用于葉素上的力僅與通過葉素掃過圓環(huán)的氣體動(dòng)量變化相關(guān)，并且假定通過臨近圓環(huán)氣流之間不發(fā)生徑向的相互作用。在風(fēng)輪掃掠面內(nèi)取一個(gè)圓環(huán)微元體，根據(jù)動(dòng)量定理，可以求得作用在風(fēng)輪環(huán)形域上的推力和轉(zhuǎn)矩，如圖5所示。利用動(dòng)量理論可以得到作用于風(fēng)輪上的力和來流風(fēng)速的關(guān)系，能夠解答風(fēng)輪轉(zhuǎn)換機(jī)械能和基本效率的問題。

圖5　風(fēng)輪掃掠面上圓環(huán)微元體

3.2風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢是單機(jī)容量的大型化，靠不斷增加葉輪尺寸以獲得更多的風(fēng)能，另外，隨著風(fēng)能資源豐富的風(fēng)區(qū)大部分被開發(fā)，低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)電技術(shù)也得到迅猛發(fā)展，為了得到相同的風(fēng)力機(jī)功率，葉輪掃風(fēng)面積要更大，風(fēng)力機(jī)葉片長度設(shè)計(jì)制作的更長，這都要相應(yīng)增加塔架高度。因而風(fēng)力機(jī)組柔度增加，在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程中，容易引起機(jī)組振動(dòng)問題。振動(dòng)對(duì)風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件，如風(fēng)輪、齒輪箱以及塔架，輕則可以降低效率、加速磨損，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)組的正常運(yùn)行，重則造成安全事故，甚至導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)遭到毀滅性的破壞，給風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)帶來了諸多困難。僅靠增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度會(huì)大幅提高機(jī)組成本，因此，要研究風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題[15]。

3.2.1風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

葉片是風(fēng)力機(jī)中受力最復(fù)雜的部件。它在不停地旋轉(zhuǎn)，激勵(lì)方面有由慣性、重力、彈性引起的，還有由氣動(dòng)力引起的。各種激振力幾乎都是通過葉片傳遞出去的，葉片結(jié)構(gòu)是展向長、弦向短的細(xì)長體，且柔度大，是容易發(fā)生振動(dòng)的彈性體，各種機(jī)械振動(dòng)首先在葉片上發(fā)生。葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中不但有空氣阻尼的作用，還產(chǎn)生升力，是典型的氣動(dòng)彈性部件，此振動(dòng)問題越來越突出。

研究葉片振動(dòng)特性有兩種方法：一種是當(dāng)量彈性鉸鏈法，另一種是模態(tài)法，兩種方法均是以小擾動(dòng)的線性方程為基礎(chǔ)。當(dāng)量彈性鉸鏈法是把整個(gè)葉片的彈性集中到葉片根部，葉身作為一個(gè)剛體考慮，如圖6所示，好像在一個(gè)彈簧上安裝一個(gè)剛體，以這樣的簡化模型求解其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題。另一種是模態(tài)法，模態(tài)是彈性體的形態(tài)，也就是振型，彈性體的各階主振型互相正交，將無窮多個(gè)頻率的振動(dòng)分解成單一頻率的振動(dòng)，把振動(dòng)化為廣義坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)來求解。

圖6　葉片振動(dòng)

3.2.2風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

風(fēng)力機(jī)塔架是一個(gè)柔性系統(tǒng)，頂部支撐質(zhì)量較大的風(fēng)輪、機(jī)艙和偏航系統(tǒng)等，底部固定在地面上，類似于懸臂結(jié)構(gòu)。塔架結(jié)構(gòu)受到空氣動(dòng)力負(fù)載、離心力、重力以及葉片旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的激勵(lì)等載荷作用，容易產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力。風(fēng)力機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮復(fù)雜載荷作用下危險(xiǎn)部位的應(yīng)力和最大變形，要充分考慮塔架的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)因素。如果發(fā)生失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)的共振，有可能導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)整體結(jié)構(gòu)的破壞，另外，塔架結(jié)構(gòu)的變形和振動(dòng)，會(huì)引起塔架的附加應(yīng)力，影響本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且還會(huì)影響塔架頂端風(fēng)輪的變形和振動(dòng)，從而影響整個(gè)風(fēng)力機(jī)性能。

塔架的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究主要考慮解決兩個(gè)方面的問題：一是塔架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，即固有頻率和固有振型的分析與計(jì)算；二是塔架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算和穩(wěn)定性分析。塔架振動(dòng)形式主要是彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，計(jì)算常用雷利法和矩陣分析法，對(duì)于高階頻率的計(jì)算，矩陣分析法更方便也可更精確[16-17]。

4　結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電是集空氣動(dòng)力、電機(jī)制造、自動(dòng)控制為一體的綜合性技術(shù)，涉及氣象學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械工程、電氣工程、材料科學(xué)等多種學(xué)科和專業(yè)。風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)、葉片的材料和加工技術(shù)、自動(dòng)化控制是風(fēng)力機(jī)組制造的關(guān)鍵。我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)起步較晚，自主創(chuàng)新能力薄弱，在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)制造等方面都有較大的發(fā)展空間，仍有許多工作亟待開展。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Research of small wind turbine structure design

JIN Daqiao,GENG Ruiguang,CHEN Shuhai,LIU Ying,MIAO Shujie

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

Some problems are summarized about structure design of small wind turbine in this paper.As a kind of clean and renewable energy,the wind energy is becoming a research focus now,for which the wind power generation is a main form to wind use.The principle of wind power generation and specific structure are introduced and the functions and structure characteristics are analyzed.Some key technical problems in a design of wind turbine are analyzed including basic theories of aerodynamics and structure dynamics.Finally,the future development trend of wind power generation is presented.

structure of wind turbine; wind power generation; structure design; principle of wind turbine

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.013

2016-07-06

黑龍江省教育廳基金項(xiàng)目資助(12541676)；黑龍江工程學(xué)院博士基金項(xiàng)目(2011BJ07)

金大橋(1974-)，男，講師，研究方向：空化與空泡動(dòng)力學(xué).

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1671-4679(2016)05-0046-04