低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

藺吉順， 陳 勇， 劉東華

（內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)多是由葉片、轉(zhuǎn)子和定子等部件構(gòu)成的軸流式風(fēng)力機(jī)，安裝在桿塔上面，在風(fēng)力的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電［1－3］。其中的葉片多根據(jù)流體力學(xué)原理，設(shè)計(jì)成截面為一側(cè)平直一側(cè)凸起的“機(jī)翼型”，當(dāng)氣流同時(shí)通過兩個(gè)側(cè)面時(shí)，凸起一側(cè)因路線較長(zhǎng)，流速較高而壓力小于平直側(cè)面，由此產(chǎn)生了由平直側(cè)指向凸起側(cè)的升力，推動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見，風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)目越多與氣流接觸面積越大，獲得的升力就越大?？墒?，由于葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)氣流形成阻力，阻礙氣流的通過，可見，葉片的數(shù)目太多或者轉(zhuǎn)速太快都會(huì)妨礙風(fēng)力機(jī)的工作。為了解決這對(duì)矛盾，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片多為三支，并且限制了轉(zhuǎn)速。研究發(fā)現(xiàn)，葉片分布以及轉(zhuǎn)動(dòng)均在一個(gè)圓內(nèi)，圓的半徑越小其圓周越短，因此，相鄰葉片的端部距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根部的距離，也就是說(shuō)，葉片的底部密度較大，對(duì)氣流的阻力也比較大，而葉片的端部距離較遠(yuǎn)，對(duì)風(fēng)的阻力很小，特別是在葉片轉(zhuǎn)速較低的情況下，適當(dāng)增加葉片，氣流通過的空隙仍很充足［4－6］?？墒牵捎谌~片的根部接在轉(zhuǎn)子上，不能只在外端增加葉片，因此，限制了葉片的數(shù)量，也就是限制了風(fēng)力的利用率。

1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的目的是提供一種既不增加葉片根部的密度，又能利用葉片端部的空間，在風(fēng)阻增幅極小的前提下，增加葉片的受風(fēng)面積，葉片的升力及風(fēng)力的利用率大幅提高的低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

上述目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：研制一種低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括桿塔、葉片、轉(zhuǎn)子、定子，其特點(diǎn)是：所述葉片中部設(shè)有支撐架，支撐架上裝有導(dǎo)風(fēng)板，導(dǎo)風(fēng)板的截面為機(jī)翼形，即一側(cè)為平面?zhèn)龋硪粋?cè)為凸面?zhèn)?，?dǎo)風(fēng)板與葉片的安裝方向一致，即導(dǎo)風(fēng)板與氣流摩擦而產(chǎn)生的升力方向和葉片與氣流摩擦產(chǎn)生的升力方向相一致。其中葉片有四種結(jié)構(gòu)形式：

第一種結(jié)構(gòu)形式：所述葉片有三支，葉片中部裝有一圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間的支撐架上裝有三片導(dǎo)風(fēng)板。

第二種結(jié)構(gòu)形式：所述葉片有三支，葉片中部裝有兩圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間的外圈支撐架上裝有兩片導(dǎo)風(fēng)板，內(nèi)圈支撐架中間裝有一片導(dǎo)風(fēng)板。所述導(dǎo)風(fēng)板的徑向長(zhǎng)度：葉片長(zhǎng)度不大于1∶40。

第三種結(jié)構(gòu)形式：所述葉片有三支，葉片長(zhǎng)度40～55m，葉片中部裝有兩圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間的外圈支撐架上裝有兩片長(zhǎng)度1～2m的導(dǎo)風(fēng)板，內(nèi)外兩圈支撐架的中間裝有一片長(zhǎng)20～25m的導(dǎo)風(fēng)板。

第四種結(jié)構(gòu)形式：所述葉片有三支，葉片長(zhǎng)度40～55m，葉片中部裝有兩圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間的兩圈支撐架的中間裝有一片長(zhǎng)20～35m的導(dǎo)風(fēng)板。

2 設(shè)計(jì)基本方法和步驟

本設(shè)計(jì)總的構(gòu)思是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各個(gè)葉片之間通過支撐架安裝與葉片截面相似的導(dǎo)風(fēng)板，在葉片風(fēng)阻增加極小的前提下大幅增加葉片的捕風(fēng)面積。下面為圍繞這一構(gòu)思所介紹的四種實(shí)例。

第一種實(shí)施例：如圖1為第一種實(shí)施例低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主視圖，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)和現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相似，也是由桿塔、轉(zhuǎn)子、定子，葉片等部件構(gòu)成，不同的是葉片的中部設(shè)有支撐架，支撐架的形式很多，圖中表示的是一圈環(huán)狀支撐架，支撐架可以用鋼筋或鋁合金管制成，也可以采用重量小強(qiáng)度高的玻璃鋼管。圖中有三支均布的葉片，是目前最常見的結(jié)構(gòu)形式。兩個(gè)葉片之間的支撐架的兩端均固定在葉片中部，當(dāng)然支撐架也可以是一個(gè)整體串聯(lián)在三支葉片上，以合理的結(jié)構(gòu)安裝支撐架可以增加葉片的穩(wěn)定性，甚至可適當(dāng)降低葉片的用料和自重。支撐架上裝有導(dǎo)風(fēng)板，結(jié)合圖2第一種實(shí)施例的導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)示意圖可見，導(dǎo)風(fēng)板的截面是與葉片的截面相似的“機(jī)翼形”，即一側(cè)為平面?zhèn)?，另一?cè)為凸面?zhèn)取?dǎo)風(fēng)板的安裝方向與葉片一致，所以導(dǎo)風(fēng)板與氣流摩擦而產(chǎn)生的升力方向與葉片與氣流摩擦產(chǎn)生的升力方向相一致。兩支葉片之間的支撐架上裝有三片導(dǎo)風(fēng)板。導(dǎo)風(fēng)板沿支撐環(huán)圓周的徑向長(zhǎng)度：葉片長(zhǎng)度不大于1∶40。對(duì)于長(zhǎng)度40m的葉片來(lái)說(shuō)，這種導(dǎo)風(fēng)板的長(zhǎng)度在1m以上。顯然，導(dǎo)風(fēng)板與風(fēng)力機(jī)的軸心距離可以很遠(yuǎn)，與兩側(cè)的葉片之間也具有很大的空間，所以，在現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之下，導(dǎo)風(fēng)板以后的風(fēng)阻增加極小，而導(dǎo)風(fēng)板所帶來(lái)升力卻大幅增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率顯著提高。

圖1 第一種實(shí)施例低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主視圖

圖2 第一種實(shí)施例的導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)示意圖

第二種實(shí)施例：如下頁(yè)圖3第二種實(shí)施例低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主視圖所示，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)也是由桿塔、轉(zhuǎn)子、定子，葉片等部件構(gòu)成，葉片有三支，葉片的中部設(shè)有兩圈環(huán)狀支撐架，在每?jī)芍~片之間，外圈支撐架上裝有兩片導(dǎo)風(fēng)板，內(nèi)圈支撐架中間裝有一片導(dǎo)風(fēng)板。導(dǎo)風(fēng)板長(zhǎng)度：葉片長(zhǎng)度≤1∶40。這種結(jié)構(gòu)使導(dǎo)風(fēng)板相互錯(cuò)開，通風(fēng)性能更好，風(fēng)阻更小，而升力的增加幅度仍然很大。

第三種實(shí)施例：如下頁(yè)圖4第三種實(shí)施例低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主視圖所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有三支葉片，葉片長(zhǎng)度40～55m，葉片中部裝有兩圈環(huán)狀支撐架，兩支葉片之間，外圈支撐架上裝有兩片徑向長(zhǎng)度1～2m的導(dǎo)風(fēng)板，內(nèi)外兩圈支撐架的中間裝有一片徑向長(zhǎng)度20～25m的導(dǎo)風(fēng)板。這種結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)短導(dǎo)風(fēng)板相結(jié)合，捕風(fēng)面積更大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作性能更加改善。

圖3 第二種實(shí)施例低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主視圖

圖4 第三種實(shí)施例低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主視圖

第四種實(shí)施例：如圖5第四種實(shí)施例低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主視圖所示，葉片有三支，葉片長(zhǎng)度40～55m，葉片中部裝有兩圈環(huán)狀支撐架，在兩支葉片之間，兩圈支撐架的中間裝有一片長(zhǎng)度相當(dāng)于葉片長(zhǎng)度20～35m的導(dǎo)風(fēng)板。這種較長(zhǎng)的導(dǎo)風(fēng)板，特別適于安裝在葉片較長(zhǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，產(chǎn)生升力的葉片面積相當(dāng)于增加了一倍，大量實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)的效果也非常滿意。

3 結(jié)語(yǔ)

通過研制一種低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各個(gè)葉片之間通過支撐架安裝與葉片截面相似的導(dǎo)風(fēng)板，在葉片風(fēng)阻增加極小的前提下大幅增加葉片的捕風(fēng)面積。本設(shè)計(jì)的有益效果是發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)目增加，而與轉(zhuǎn)子連接的葉片數(shù)量則不變，葉片下部的空隙很大，風(fēng)阻增幅極小，葉片升力及風(fēng)力利用率大幅提高，應(yīng)用前景十分可觀。

圖5 第四種實(shí)施例低風(fēng)阻大升力風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主視圖

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