程君妮

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

模擬戶外風(fēng)速裝置設(shè)計(jì)

程君妮

(榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

葉片是風(fēng)力機(jī)整體設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接決定風(fēng)力機(jī)的發(fā)電量。對(duì)葉片在風(fēng)力機(jī)整體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的重要性以及風(fēng)輪尺寸決定風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種模擬戶外條件并提供不同大小風(fēng)速的裝置，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的葉片模型在不同風(fēng)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(jì)、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(jì)過(guò)程中所需考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，包括圓柱之間距離、電機(jī)安裝位置、風(fēng)流過(guò)圓柱產(chǎn)生的噪聲以及風(fēng)葉尺寸的限制等。最后確定了該風(fēng)速裝置的設(shè)計(jì)規(guī)格和主要參數(shù)。結(jié)合風(fēng)輪尺寸和葉片設(shè)計(jì)要求，風(fēng)機(jī)內(nèi)部可以安裝不同直徑的通風(fēng)管，以檢驗(yàn)葉片性能。利用數(shù)值模擬并結(jié)合Origin軟件，模擬設(shè)計(jì)了一組不同直徑的通風(fēng)管，繪制了風(fēng)速與通風(fēng)管橫截面積的關(guān)系圖。結(jié)果表明，該裝置可提供的風(fēng)速范圍為6.8～56 m/s。

風(fēng)力發(fā)電; 風(fēng)能； 電機(jī); 變風(fēng)速; 模型檢測(cè); 葉片性能

0 引言

葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(fēng)能，以提高風(fēng)力機(jī)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(fēng)能利用系數(shù)，因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)葉片時(shí)，趨向于葉片越薄越好。然而，葉片在利用風(fēng)能的同時(shí)也承受著風(fēng)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(qiáng)度和剛度[1]。因此，葉片越厚越好。

薄翼型葉片具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，厚葉片可以確保風(fēng)輪安全旋轉(zhuǎn)，這就造成了在葉片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的矛盾。因此，合理的葉片厚度設(shè)計(jì)顯得十分重要。葉片在設(shè)計(jì)完成之后，必須經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)，檢驗(yàn)其可靠性[2-3]。但是如果葉片設(shè)計(jì)過(guò)大，在檢驗(yàn)過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就必須重新修改葉片設(shè)計(jì)參數(shù)，十分浪費(fèi)時(shí)間和材料。因此，設(shè)計(jì)一種可以模擬戶外風(fēng)速的裝置，以此來(lái)檢驗(yàn)葉片的設(shè)計(jì)模型，不僅省事省力，而且縮短了葉片的設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題；最后確定了該裝置的規(guī)格，并利用Origin軟件繪制了通風(fēng)管風(fēng)速與橫截面積的關(guān)系圖。

1 不同大小風(fēng)速的裝置設(shè)計(jì)

風(fēng)速裝置如圖1所示。

圖1 風(fēng)速裝置示意圖

風(fēng)速裝置由3個(gè)部分組成，分別是風(fēng)扇、直筒和底座。風(fēng)扇最上面有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，分別是控制風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)和風(fēng)扇的檔位，其中風(fēng)扇有3個(gè)檔位，分別提供不同的風(fēng)速。將該風(fēng)扇整體外形尺寸的大小考慮在內(nèi)，最后選定型號(hào)為JM02的風(fēng)扇。直筒是該風(fēng)力裝置的核心部件，主要作用是由風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)，流過(guò)直筒形成大小不同的風(fēng)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(fēng)速裝置直筒內(nèi)部為空心，上、下兩個(gè)表面均為具有一定厚度的實(shí)心圓柱，上表面實(shí)心圓柱內(nèi)部鑲嵌有一個(gè)光圈和帶有把手的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)，下表面同樣鑲嵌有一個(gè)光圈和固定裝置。兩個(gè)光圈相互對(duì)應(yīng)，在上、下兩個(gè)實(shí)心圓柱表面位置相同。在直筒底端，兩個(gè)光圈外表面各延伸出一個(gè)柱狀的探頭，兩個(gè)探頭用一根直桿連接并固定。每個(gè)光圈內(nèi)部含有12個(gè)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(dāng)探頭沿著光圈外表面缺口移動(dòng)時(shí)，光圈內(nèi)部含有的12個(gè)葉片會(huì)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(dòng)盤(pán)表面刻有6個(gè)數(shù)字，分別代表6個(gè)半徑不同的直空心圓柱。為了使轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上帶有一個(gè)把手。用一根實(shí)心圓柱連接轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)與固定裝置，并在實(shí)心圓柱外層套一個(gè)半徑大的空心圓柱，使半徑大的空心圓柱和實(shí)心圓柱組合構(gòu)成一個(gè)實(shí)心圓柱。空心圓柱兩個(gè)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(jì)成“十”字形，鑲嵌在圓筒內(nèi)部的圓環(huán)中心，在把手帶動(dòng)下，空心圓柱外表面的“十”字形可以帶動(dòng)直圓環(huán)順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。直圓環(huán)內(nèi)部固定有6個(gè)半徑不同的空心圓柱。圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，6個(gè)空心圓柱也跟隨一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)空心圓柱轉(zhuǎn)動(dòng)到兩個(gè)光圈之間的空隙處時(shí)，空心圓柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使空心圓柱半徑和空心圓半徑一致，實(shí)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(gè)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(shí)心。光圈外殼空心圓的半徑與其余3個(gè)器件空心圓半徑相等。托盤(pán)用來(lái)承載12個(gè)鐮刀狀的葉片，它們按照一定的順序排列，每個(gè)葉片左端口有一個(gè)小的空心圓，右端口有一個(gè)凸處。托盤(pán)表面含有12個(gè)小凸處，主要作用是與每個(gè)葉片上的空心圓相互銜接，從而固定葉片。光圈內(nèi)盤(pán)表面刻有12個(gè)軌道，用來(lái)固定葉片，使葉片凸處在上面滑動(dòng)。光圈內(nèi)盤(pán)螺絲固定處與光圈外盤(pán)螺絲固定處相互對(duì)應(yīng)，用來(lái)固定安裝好的光圈。托盤(pán)與葉片一起放在光圈外盤(pán)內(nèi)部，其中托盤(pán)探頭穿過(guò)光圈外殼外表面缺口。光圈內(nèi)盤(pán)用于覆蓋葉片，與外盤(pán)組合構(gòu)成光圈。光圈探頭在外殼外表面缺口上、下移動(dòng)時(shí)，內(nèi)部裝有的12個(gè)葉片凸處順著軌道移動(dòng)，在光圈內(nèi)部出現(xiàn)半徑時(shí)大時(shí)小的空心圓。

底座下方設(shè)置有管狀電機(jī)。管狀電機(jī)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(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。底座上方設(shè)置有長(zhǎng)實(shí)心直桿，直桿兩端固定，中心可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在底座正前方有電源開(kāi)關(guān)以及控制管狀電機(jī)的開(kāi)關(guān)。探頭是光圈的延伸部分。由布將管狀電機(jī)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(kāi)電源開(kāi)關(guān)，控制管狀電機(jī)開(kāi)關(guān)，使兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持一致。管狀電機(jī)1帶動(dòng)套管轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)布前進(jìn)，迫使探頭逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)電機(jī)2也帶動(dòng)套管順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使纏繞在套管上的布展開(kāi)。由于兩個(gè)管狀電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持一致，在電機(jī)1拉動(dòng)布前進(jìn)的情況下，電機(jī)2將纏繞在套筒上的布展開(kāi)，從而保證固定在探頭上的兩塊布勻速帶動(dòng)探頭前進(jìn)。

2 風(fēng)速裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

風(fēng)力裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，直筒6個(gè)空心圓柱彼此間隔的距離、兩個(gè)管狀電機(jī)的位置、風(fēng)通過(guò)通風(fēng)管產(chǎn)生的噪聲以及風(fēng)葉的尺寸等都會(huì)對(duì)裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。下面具體分析這些因素對(duì)該裝置設(shè)計(jì)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(dòng)作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)會(huì)帶動(dòng)直圓環(huán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。直圓環(huán)外6個(gè)空心圓柱交錯(cuò)在兩個(gè)光圈相距的空間來(lái)回移動(dòng)。由于探頭的移動(dòng)，使光圈空心處呈現(xiàn)半徑大小不一的空心圓，這也導(dǎo)致了6個(gè)空心圓柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(gè)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(duì)應(yīng)。相鄰兩個(gè)空心圓柱的弧長(zhǎng)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(gè)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(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)L就會(huì)越大。因此，半徑越小的空心圓柱離前一個(gè)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(jī)安裝位置的影響

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

2.3 風(fēng)通過(guò)不同空心圓柱產(chǎn)生噪聲的影響

在風(fēng)量一定的條件下，較小的通風(fēng)管會(huì)提高風(fēng)的速度，但這也會(huì)在風(fēng)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(guò)空心圓柱的風(fēng)為理想流體，則由連續(xù)性方程可知:

S1V1=S2V2

(2)

式中：S1為風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)掃過(guò)的面積；V1為風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)速；S2為空心圓柱的橫截面積；V2為流過(guò)空心圓柱風(fēng)的速度。

由式(2)可知，當(dāng)S1V1為定值時(shí)，空心圓柱橫截面積S2與流過(guò)它的風(fēng)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(fēng)管的風(fēng)速；S為通風(fēng)管的橫截面積。

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

2.4 風(fēng)葉尺寸限制的影響

由于該風(fēng)力裝置提供大小不同的風(fēng)速，以檢驗(yàn)葉片模型設(shè)計(jì)的合理性，因此，葉片模型尺寸也會(huì)對(duì)該風(fēng)力裝置的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，特別是該裝置的出風(fēng)口大小[7-8]。假設(shè)風(fēng)從該裝置空心圓柱流出，進(jìn)入空氣，在空心圓柱出風(fēng)口處，風(fēng)的方向呈發(fā)散狀，流經(jīng)一段距離L后，風(fēng)的各個(gè)方向逐漸趨于平行[9-10]。風(fēng)力機(jī)一般安裝在戶外工作，葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，近似認(rèn)為風(fēng)葉迎面吹來(lái)的風(fēng)是平行的，因此，風(fēng)葉模型不可能放置在風(fēng)口處，只能放置在離出風(fēng)口一定距離L處。

3 確定該風(fēng)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(jī)的位置、風(fēng)通過(guò)通風(fēng)管產(chǎn)生的噪聲以及風(fēng)葉的尺寸等對(duì)該風(fēng)力裝置設(shè)計(jì)的影響，從而確定了該風(fēng)速裝置的設(shè)計(jì)規(guī)格。風(fēng)速裝置風(fēng)扇及底座參數(shù)表分別如表1、表2所示。

表1 風(fēng)扇參數(shù)表

表2 底座參數(shù)表

4 裝置提供風(fēng)速估計(jì)

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

根據(jù)上述風(fēng)扇和底座尺寸的大小，模擬設(shè)計(jì)了一組空心圓柱。直筒參數(shù)如表3所示。由于風(fēng)扇與直筒采用一定尺寸的空心圓臺(tái)鏈接，圓臺(tái)半徑大的圓包裹在風(fēng)扇的內(nèi)直徑上，圓臺(tái)半徑小的圓連在直筒的外表面；同時(shí)，光圈底面積近似認(rèn)為等于光圈葉片全部收縮時(shí)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(fēng)扇在1檔、2檔以及3檔時(shí)，風(fēng)穿過(guò)6個(gè)半徑不同空心圓柱風(fēng)速大小變化的示意圖,如圖3所示。

圖3 空心圓柱風(fēng)速與橫截面積關(guān)系圖

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

5 結(jié)束語(yǔ)

葉片設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是風(fēng)力機(jī)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(fēng)能，提高風(fēng)能利用系數(shù)，因此葉片趨向于薄翼型。但是，葉片在利用風(fēng)能的同時(shí)，也在承受著巨大的風(fēng)載荷[12]，因此，葉片越厚越好。這也導(dǎo)致了葉片在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在矛盾。

本文設(shè)計(jì)了一種提供大小不同風(fēng)速的裝置，可以對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的葉片模型進(jìn)行驗(yàn)證，以確定其穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)的合理性。這樣不僅在葉片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中可以省時(shí)省力，而且縮短了葉片的設(shè)計(jì)周期，極大地推動(dòng)了風(fēng)力機(jī)葉片的發(fā)展。

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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(xué)技術(shù)局產(chǎn)學(xué)研基金資助項(xiàng)目(2015cxy-22)

程君妮(1982 —)，女，學(xué)士，講師，主要從事風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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