一种带有扰流器的新型叶片设计*

□ 徐丽娜 □ 刘海华 □ 赵 献 □ 孙 慧

1.包头职业技术学院 车辆工程系 内蒙古包头 014030

2.包钢集团公司 运输部设备科 内蒙古包头 014010

3.包钢集团公司 运输部机运车间 内蒙古包头 014010

4.包头职业技术学院 数控技术系 内蒙古包头 014030

随着风力发电机日益发展的成熟，风力发电机不断向大型的趋势发展，为了风力发电机的安全和平稳运行，制动装置是必不可少的。风力发动机制动装置是风力机在遇到大风或维修时，使风轮达到静止或降速的系统，制动装置大体可以分为空气动力制动和机械制动两大类。《风力发电机组——第一部分安全要求》（IEC61400-1）和 《风能转换系统的认证准则》（GL）标准要求风力发电机组至少有一套制动系统作用于风轮或低速轴上，而1992年的丹麦标准DS472进一步要求必须有一套空气动力制动系统［1］。在实际应用中，空气动力制动和机械制动两种都要提供，因为机械制动器的功能是使风轮静止，即停车。而空气动力刹车并不是使风轮完全静止下来，只是使其转速限定在允许范围内。空气动力制动性能优于机械制动，所以通常风力机停机时，都优先选择空气动力制动［2］［3］。 本设计中的带有扰流器的叶片即为采用空气动力制动原理的一种新型叶片，并已于2012年8月获得国家实用新型专利。

1 结构设计

▲图1 普通叶片图

▲图2 带有扰流器的叶片图

▲图3 带有扰流器的叶片主体部分立体图

目前，大部分风力发电装置中的叶片都是作为一个整体而出现，如图1所示，叶片在遭遇强风袭击下，很难保证自身及整个机组的安全，即使有制动、限速装置，也多为额外添加的液压、气压等制动装置，结构复杂，维修保养困难，且不能根据具体的风速来调整限速效果。图2所示的叶片不是一个整体，分为主体部分和叶尖部分，其主体部分与叶尖部分是可分离的。

图3即为叶片主体部分的立体图，在叶片主体部分靠近叶尖的一端，先从端部加工一个有一定深度的矩形槽，在矩形槽终止的截面处继续向里加工2个圆柱孔，孔径小于等于矩形槽的槽宽，如图4所示，2个圆柱孔是用来安放2根弹簧的，弹簧的一端与圆柱孔底面固连，另一端与扰流器相连。矩形槽就是用来存放扰流器的。

▲图4 带有扰流器的叶片主体部分图

▲图5 扰流器装配立体图

▲图6 扰流器装配图

▲图7 中间挡板

▲图8 叶尖部分与扰流器连接图

在图5、图6中，扰流器是由中间挡板（1个）、弹簧挡板（3对）及数根弹簧组成。弹簧一端固定于中间挡板的上、下槽底面，另一端与弹簧挡板连接。

图7是中间挡板的具体结构，中间挡板的左边壁厚稍薄，并在靠近上、下槽底面处加工2个圆柱孔，用来穿钢丝与叶尖部分相连。图8是叶尖部分与扰流器的连接图，用数根钢丝一端固定于叶尖内部，另一端穿过中间挡板的两个圆柱孔，分别向上、向下折弯，紧靠在中间挡板上、下槽的左侧面，由于有弹簧挡板的压迫作用，使钢丝很难拉直，造成叶尖部分与中间挡板分开。或此处采用其它方式连接，如焊接等。

中间挡板的右边壁厚突出较多，右边突出部分主要是用于扰流器工作时（即从矩形槽中伸出时），中间挡板还有一小部分留在矩形槽中，以形成和矩形槽的刚性连接，否则，在强风的作用下，扰流器起不到挡风的作用，而是被风吹得倾斜一边。而中间挡板右边连接的是叶片主体中安放的2根弹簧。

弹簧挡板在从中间挡板中伸出时，也要有一小部分并未完全伸出中间挡板。否则，在强风作用下，弹簧挡板起不到挡风的作用，而是被风吹得倾斜一边。

2 设计原理与工作原理

▲图9 扰流器工作图

风力发电机工作时，当风速在某一特定范围时，叶片正常转动，叶片的叶尖部分与主体部分紧紧挨住连成一体，形成一个完整的叶片。当风速超过某一特定范围时，叶片转动速度升高，从而产生的离心力较大，当离心力大于叶片主体中2根弹簧的弹簧拉力时，整个扰流器连同叶尖部分都要向离心的方向逐渐甩出，这时叶尖部分与主体部分脱离，而扰流器也开始工作。扰流器的中间挡板逐渐向外伸，第一对弹簧挡板由于不受叶片主体的压迫，在数根弹簧的弹簧力作用下伸出中间挡板。当风速继续增大，中间挡板继续外伸，以至于第二对弹簧挡板也脱离压迫，从中间挡板中伸出，挡风面积也继续增大。风速再增大，第三对弹簧挡板亦伸出，挡风面积达到最大，如图9所示。

风速降低时，离心力减小，在弹簧的拉力作用下，扰流器连同叶尖部分开始回收，弹簧挡板上有很大的圆弧角，叶片主体部分的矩形槽上、下边亦有圆弧角，目的是为了更容易压缩弹簧挡板回到中间挡板的槽中，而不至于卡死在叶片主体的外面。最终弹簧挡板缩回中间挡板中，跟随中间挡板一起回到叶片主体的矩形槽中，叶尖与主体部分又连为一体，正常工作。也就是当扰流器工作时，即连带叶尖部分远离叶片主体时，弹簧挡板在离心力作用下从中间挡板中伸出，当扰流器不工作时，即扰流器收缩回到叶片主体的矩形槽中时，弹簧挡板压缩弹簧回到中间挡板的槽中。

扰流器各部分具体的尺寸可根据叶片大小而定，弹簧的根数及弹簧挡板的对数亦可视具体情况而定。

3 结论

在本设计中，叶片自身即可限速，无需额外加限速装置，结构简单，维修方便。在扰流器中，由于应用了几对弹簧挡板，扰流器的扰流面积是随着风速增大而增大，这就使风力机的工作效率始终达到最佳状态，具有智能调节功能，避免了风速稍高一点即加以扰流而降低了风能利用效率，以及风速继续增大却对限速无能为力的情况。另一方面，有了可伸出的弹簧挡板，使扰流器的挡风面积增大，在强风作用下，该扰流器具有更明显的限速效果。

［1］ 吴双群,赵丹平.风力发电原理［M］.北京:北京大学出版社,2011.

［2］ 宫靖远.风电场工程技术手册［M］.北京:机械工业出版社,2004.

［3］ 郭新生.风能利用技术［M］.北京:化学工业出版社,2007.