鏈輪－行星傳動風力機的設(shè)計與性能測試

包 耳，徐劍飛，胡紅英，韓志敏，唐建波

(大連民族學院 機電與信息工程學院，遼寧 大連116605)

垂直軸風力機是與水平軸風力機不同的另一種風能轉(zhuǎn)換裝置［1］，具有十分明顯的優(yōu)點:(1)一般不需要對風裝置;(2)風能和能量傳遞與轉(zhuǎn)換的主要部件，如齒輪箱、發(fā)電機等，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、維護和保養(yǎng)。從而使風力機的制造和運行費用大大降低［2－5］。本文討論了垂直軸阻力式風力機模型機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對所制造出的模型機進行了實驗研究。

1 風力機模型機的設(shè)計和功率計算

1.1 模型機的設(shè)計

模型機的總體尺寸不可能太大，所以對其給出下列技術(shù)指標:輸出功率為1.8 W，啟動風速為2 m/s，額定風速為6 m/s，最高風速為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。

風力機的結(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，O 軸與鏈輪5 固聯(lián);鏈輪3 與鏈輪5 之間由鏈4 傳動;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)槳葉的傳動裝置與左側(cè)槳葉的完全對應，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。

圖1 風力機結(jié)構(gòu)圖

鏈條型號選用04C －1，節(jié)距6.35 mm。由于傳遞的動力較小，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)計使得槳葉在順風工作階段具有較大的迎風面積，在逆風工作階段具有較小的側(cè)風面積并且仍做正功，從而克服了一般阻力式風力機很難克服的缺點，即槳葉在逆風過程中做負功。

在圖1 中設(shè)定風向平行于水平面并與主平面垂直，且風向穩(wěn)定不變，轉(zhuǎn)臂逆時針方向旋轉(zhuǎn)。風力機的初始姿態(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 功率計算

為簡化計算，將風對槳葉的分布力簡化為作用于槳葉中心軸的集中力，并且忽略分布力對槳葉中心軸的附加力矩。

1.2.1 計算右側(cè)槳葉A 的功率PA

設(shè):風速為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 點計算)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遥?/p>

1.2.3 計算風力機所接受風能的名義功率P'

風力機所接受風能的名義功率P'為

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

式(6)是風向角β=0 時的名義功率計算式。如果β≠0，經(jīng)推導可得名義功率為

風力機的實際輸出功率P 為

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

2 風力機模型機的實驗研究

根據(jù)上述設(shè)計，制造出了一臺風力機模型機，并對模型機進行實驗研究。

2.1 實驗目的和實驗內(nèi)容

實驗目的是驗證理論計算的正確性并得出最佳風向角的數(shù)值。

實驗內(nèi)容是測試風力機在不同風速VF和不同風向角β 時的輸出功率，考察輸出功率的理論計算值與實測值是否相符，另外還考察風向角的變化對風力機輸出功率的影響。

2.2 實驗步驟和實驗結(jié)果

由于在實驗中需要對不同風速下的工況進行反復測試，為保證數(shù)據(jù)的準確性和對比的有效性，對不同距離下的風速進行測量標定，避免其他因素干擾。具體做法是:利用風速計測量風速(儀器精度為0.1 m/s)，以風扇扇葉中心為基準，在其左右各300 mm 范圍內(nèi)的不同距離進行測量，取平均值后確定位置。

2.3 風速對風力機輸出功率的影響

(1)計算不同風速下風力機的輸出功率

以β=0，風速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)分別算出風力機的輸出功率P。其數(shù)值見表1。

在由式(7)估算轉(zhuǎn)臂在不同風速下的角速度時，考慮到風速較高時，轉(zhuǎn)臂角速度應小于該式算得值;風速較小時，轉(zhuǎn)臂角速度應大于該式算得值，故對應于上述風速，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)測量不同風速下風力機的輸出功率

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

實驗步驟:

(1)從風速儀中讀出風速值，調(diào)整風速達到指定值;

(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 風力機功率的理論計算值和實測值 單位:mW

2.4 測量風向角β 對輸出功率的影響

在前述實驗步驟的基礎(chǔ)上，再增加實驗步驟:

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

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

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

表2 風向角β 變化時風力機輸出功率的實測值

實驗結(jié)果表明，風力機的實際輸出功率比理論計算的結(jié)果低。另外在風速較低時，誤差較小，風速較高時，誤差較大。這可能有以下幾點原因:

(1)模型機的傳動效率比估算的低;

(2)槳葉帆布漏風以及空氣的阻力系數(shù)不夠準確;

(3)風速較高時，空氣動力學的其它未考慮的因素會產(chǎn)生不可忽略的影響作用。

實驗結(jié)果還表明風向角角的變化對輸出功率影響較小。最大功率出現(xiàn)在風向角為10°左右處。

3 結(jié) 語

(1)模型機的實測結(jié)果與理論計算結(jié)果比較接近，說明實驗過程和理論計算都是比較合理的。

(2)風力機的輸出功率最大值出現(xiàn)在風向角為10°附近。

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

［1］包耳，胡紅英.風力發(fā)電的發(fā)展狀況與展望［J］.大連民族學院學報，2011(1):24 －27.

［2］祝賀，徐建源，張明理.風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題［J］.華東電力，2009(2):314 －316.

［3］包耳.風力機葉片設(shè)計的新方法［J］.機械設(shè)計，2005(2):24 －26.

［4］包耳，胡紅英，韓志敏，等. 基于機械傳動的阻力式風力機研究［J］.大連民族學院學報，2014(1):35 －38.

［5］郭洪澈.小型風力發(fā)電機組系統(tǒng)優(yōu)化［J］. 可再生能源，2002(5):38 －42.

［6］郭新生. 風能利用技術(shù)［M］. 北京:化學出版社，2007.