基于机械传动的阻力式风力机研究

包 耳，胡红英，韩志敏，唐建波

(大连民族学院机电与信息工程学院，辽宁大连 116605)

近些年来，风力发电已由单一化向多元化方向发展［1－2］:(1)重视大功率风机研发的同时，也重视小型机的发展;(2)重视传统的水平轴升力式风机的同时，也重视新型的垂直轴阻力式风机的发展［3］;(3)重视联网型大容量风电场建设的同时，也重视分散型、小容量风电系统的发展［4－5］。这不仅具有多元化发展的意义，对于发展中国家的草原、山区、海岛等地区电网不发达这一现状，更具有明显的现实意义。

1 垂直轴阻力式风力机的一般问题

以图1所示的纯平板式叶片为例来研究阻力式风力机的功率［6］。平板面积为F，风速为v1，平板在风的推力T(也称为阻力)作用下以速度v'运动，那么风能作用于平板的功率P为

其中，ρ为空气密度;CT为阻力系数。

阻力式风力机存在的一个较大问题是，风力机在工作过程中，叶片与风向之间的夹角φ处于不断变化之中(如图1)，因此叶片所受推力也是不断变化的。当φ=0°～90°时，叶片的受风面积由0增加到叶片面积F，作功推力也由0增加到最大值，其后，作功推力减小。当φ=180°时，推减小为0。当φ=180°～360°时，平板逆风运动，这时平板要克服风的压力作负功。由此可见，如果不采取适当的措施，平板式叶片的阻力式风力机是不可能正常工作的。

图1 平板桨叶的受力状况

本文讨论了一种新型垂直轴阻力式风力机的原理、结构及提高风力机功率的方法。

2 减小叶片作负功的一般方法

由于风力机在旋转过程中，叶片总是会在部分区内处于逆风中运动，所以叶片作负功的问题很难完全消除，只能采取适当措施使其尽量少作负功［6］。

一种方法是，当叶片运动到逆风阶段时，在其上风处设置屏障(如图2)，屏障可随尾舵转动，以保持遮挡逆风叶片的进风位置，这种风力机需要调向机构。另一种方法是，当叶片处于逆风阶段时，叶片可绕自身的旋转轴转动，以减小此时的迎风面积(如图3)。图中的风力机每旋转一周，叶片在其根部限位块的作用下，实现了在顺风阶段叶片张角较大，以增加推力;在逆风阶段张角较小，以减小阻力。这种风力机无需调向机构，但风力机每转一周，叶片都要撞击限位块一次，增加了运行噪声，且容易损坏叶片。

图2 带有屏障的风力机

图3 叶片可摆转的风力机

3 新型风力机的原理及结构

阻力式风力机设计的关键问题是，在一个工作循环过程中，如何使得动力桨叶尽量保持较大的迎风面积，而使阻力桨叶尽量保持较小的迎风面积。也就是说，在风力机工作过程中，桨叶能够适当的调整其迎风角度。为实现这一目的，可能会有若干种控制方式供选择。但笔者认为最简单可靠的方式还应是机械传动式。为实现这一目的，本文给出了新型风力机的原理及结构设计，如图4是其俯视图。

图4 风力机结构俯视图

该风力机的工作原理是，构件8和构件9为对称布置的两个桨叶，在风力作用下，桨叶带动转臂逆时针旋转，转臂中心轴10与转臂固联而随转臂旋转，中心轴带动发电机发电。在图4所示位置时，桨叶8与转臂平行，即与X轴张角为0°，处于正面迎风，可产生最大工作推力，而桨叶9与转臂垂直，与X轴张角为90°，处于顺桨状态，工作阻力为零。此时风力机处于最佳工作状态，即输出功率为最大值。在风力机逆时针旋转一周过程中，桨叶8由之前的B'置处的45°张角状态，逐渐减小张角，到A位置处张角为最小值0°，然后张角逐渐增大，到A'位置处为45°，这一阶段桨叶8作正功。同时，桨叶9由A'的45°张角状态，逐渐增大张角，到B位置处张角达到最大值90°，然后张角逐渐减小，到B'位置处为45°，这一阶段桨叶9作负功。这一设计，使得动力桨叶保持了较大的迎风面积，而阻力桨叶保持了较小的迎风面积。这一结果的实现，是由于桨叶在随转臂旋转过程中，同时还绕自身轴线回转一个补偿角。由上述分析可知，桨叶旋转的补偿角应等于转臂转角的二分之一。为实现这一目的，可能有多种方案，但本文给出的图4所示的行星传动方案，无疑是简单、可靠的。

为实现上述目的，需对传动系统进行设计计算。

设转臂的转速为ω6，桨叶的转速为ω1，设计目的是使ω1=ω6/2。由于固定的中心轮的转速ω3=0，带轮2与行星齿轮4为双联轮，所以ω2=ω4。另取齿形带轮1与2完全相同，所以ω1=ω2。于是可得

得到Z4=2Z3。在本设计中，令 Z3=17，则Z4=34。

4 风力机功率计算公式推导

图5 桨叶的功率计算

5 进一步提高风力机功率的措施

由式(1)可知，如果同时提高风速与风机转速，可大大提高风力机的功率。当自然风速为确定值的情况下，也可采取办法使其速度提高。即可在自然风来流与风力机之间增加风流增速装置。其装置可设计为一固定的筒状导流管，其进风口截面积大于出风口截面积，自然风由进风口进入，由出风口流出后吹向风力机桨叶。

由于空气流是连续的和不可压缩的，所以沿导流管方向的空气质量流量是处处相等的。设导流管的进、出口截面积分别为S入和S出，进、出口风速分别为v入和v出，则有

如果导流管的 S入是 S出的 1.5倍，则 v出=1.5v入=1.5v1。即导流管相当于将风速提高到1.5倍。再来比较有导流管和无导流管两种情况下的(1)式:由于v出=1.5v1，所以有导流管时平板获得的功率大约是无导流管时的3.4倍。这一措施可明显提高风力机的功率。

导流管进出口截面形状为圆形或方形均可。当风力过大时，可以调节导流管内的挡板，使得导流管进口截面积减小，由式(17)可知，这时导流管的出口风速v出就随之减小了，从而减小风力机的功率，以保障风力机的安全。

6 结语

该风力机的原理新颖、结构简单、性能可靠，设计与制造均很方便。行星传动使得风力机桨叶在工作过程中能够自动旋转相应的补偿角，从而使得桨叶能获得尽量大的推力。在风力机前端增加导流管，可明显提高风力机的有效功率。

［1］包耳，胡红英.风力发电的发展状况与展望［J］.大连民族学院学报，2011(1):24－27.

［2］祝贺，徐建源，张明理.风力发电技术发展现状及关键问题［J］.华东电力，2009(2):314－316.

［3］包耳.风力机叶片设计的新方法［J］.机械设计，2005(2):24－26.

［4］科学技术部办公厅，国际技术经济研究所.世界前沿技术发展报告2009［M］.北京:科学出版社，2010.

［5］郭洪澈.小型风力发电机组系统优化［J］.可再生能源，2002(5):38－42.

［6］郭新生.风能利用技术［M］.北京:化学出版社，2007.

［7］朱兆瑞.风压计算的研究［M］.北京:科学出版社，1976.

(责任编辑 刘敏)