链轮－行星传动风力机的设计与性能测试

包 耳，徐剑飞，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)

垂直轴风力机是与水平轴风力机不同的另一种风能转换装置［1］，具有十分明显的优点:(1)一般不需要对风装置;(2)风能和能量传递与转换的主要部件，如齿轮箱、发电机等，可方便的安装在地面上，因此不需要建造昂贵的塔架，并且便于安装、维护和保养。从而使风力机的制造和运行费用大大降低［2－5］。本文讨论了垂直轴阻力式风力机模型机的结构设计，并对所制造出的模型机进行了实验研究。

1 风力机模型机的设计和功率计算

1.1 模型机的设计

模型机的总体尺寸不可能太大，所以对其给出下列技术指标:输出功率为1.8 W，启动风速为2 m/s，额定风速为6 m/s，最高风速为9 m/s，转臂半径R=0.3 m，桨叶材料为帆布，单片桨叶的长、宽各为0.6 m。

风力机的结构如图1。左侧桨叶1 的转轴位于转臂2 上，且与链轮3 为同一构件;转臂2 绕其中心O 轴转动，O 轴与链轮5 固联;链轮3 与链轮5 之间由链4 传动;链轮3 的齿数是链轮5 齿数的2 倍;链轮5 与链轮6 为双联轮，且齿数相同。右侧桨叶的传动装置与左侧桨叶的完全对应，即桨叶转轴上固联的链轮与链轮6 之间通过另外一条链条传动。

图1 风力机结构图

链条型号选用04C －1，节距6.35 mm。由于传递的动力较小，为使结构紧凑，增速齿轮系统的齿轮模数选定为1 mm。

由行星传动原理可知，桨叶1 的旋转角速度是转臂2 旋转角速度的1/2。这种设计使得桨叶在顺风工作阶段具有较大的迎风面积，在逆风工作阶段具有较小的侧风面积并且仍做正功，从而克服了一般阻力式风力机很难克服的缺点，即桨叶在逆风过程中做负功。

在图1 中设定风向平行于水平面并与主平面垂直，且风向稳定不变，转臂逆时针方向旋转。风力机的初始姿态是:转臂与主平面平行，右侧桨叶平面与转臂平行，左侧桨叶平面与转臂垂直。

1.2 功率计算

为简化计算，将风对桨叶的分布力简化为作用于桨叶中心轴的集中力，并且忽略分布力对桨叶中心轴的附加力矩。

1.2.1 计算右侧桨叶A 的功率PA

设:风速为VF，桨叶面积为F，空气密度为ρ，通常ρ=1.225 kg/m3［6］，转臂的角速度为ω，转臂与水平轴之间所夹的姿态角为φ。

VF在桨叶法线方向的分量V'F为

桨叶在其法向上的速度(以桨叶中心A 点计算)为

由推力公式［6］可得推力T 为

式中，K=ρGF/2;阻力系数G=1.0［6］。

桨叶A 的功率

1.2.2 计算左侧桨叶B 的功率PB

由于桨叶B 的初始位置与转臂垂直，由图1知，将式(4)中的余弦变为正弦，即

1.2.3 计算风力机所接受风能的名义功率P'

风力机所接受风能的名义功率P'为

当360°≥φ ＞180°时，桨叶A 和B 的位置互换，风力机的功率计算式和φ 的取值区间仍为式(6)。计算功率时，ω 值尚需确定。当风速较大时，风力机转速较快;当风速较小时，风力机转速较慢。通常风速与桨叶速度之间有近似关系式［6］

式(6)是风向角β=0 时的名义功率计算式。如果β≠0，经推导可得名义功率为

风力机的实际输出功率P 为

式中，η1是风能吸收率，η1=0.62;η2是传动链的效率，η2=0.94;η3是增速齿轮箱的效率;η3=0.95;η4是发电机的效率，η4=0.6。

2 风力机模型机的实验研究

根据上述设计，制造出了一台风力机模型机，并对模型机进行实验研究。

2.1 实验目的和实验内容

实验目的是验证理论计算的正确性并得出最佳风向角的数值。

实验内容是测试风力机在不同风速VF和不同风向角β 时的输出功率，考察输出功率的理论计算值与实测值是否相符，另外还考察风向角的变化对风力机输出功率的影响。

2.2 实验步骤和实验结果

由于在实验中需要对不同风速下的工况进行反复测试，为保证数据的准确性和对比的有效性，对不同距离下的风速进行测量标定，避免其他因素干扰。具体做法是:利用风速计测量风速(仪器精度为0.1 m/s)，以风扇扇叶中心为基准，在其左右各300 mm 范围内的不同距离进行测量，取平均值后确定位置。

2.3 风速对风力机输出功率的影响

(1)计算不同风速下风力机的输出功率

以β=0，风速VF分别等于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)分别算出风力机的输出功率P。其数值见表1。

在由式(7)估算转臂在不同风速下的角速度时，考虑到风速较高时，转臂角速度应小于该式算得值;风速较小时，转臂角速度应大于该式算得值，故对应于上述风速，转臂的角速度分别取为4/s，4.2/s，4.4/s，4.7/s，5/s 。

(2)测量不同风速下风力机的输出功率

在上述参数下，分别测得风力机的实际输出功率，其数值见表1。

实验步骤:

(1)从风速仪中读出风速值，调整风速达到指定值;

(2)利用万用表测出输出电压值和电流值，并记录结果;

(3)重复上述步骤，取4 组功率测量数据的平均值，填入表1 中。

表1 风力机功率的理论计算值和实测值 单位:mW

2.4 测量风向角β 对输出功率的影响

在前述实验步骤的基础上，再增加实验步骤:

(1)在－30°到20°范围内，改变风向角β 值，步长为10°，测量输出功率;

(2)分别将风速调整为3.3 m/s，3.9 m/s，4.5 m/s，5.2 m/s 和6 m/s，重复步骤(1);

(3)对于不同的风向角β 和风速VF，各取4组功率测量数据的平均值，见表2。

表2 风向角β 变化时风力机输出功率的实测值

实验结果表明，风力机的实际输出功率比理论计算的结果低。另外在风速较低时，误差较小，风速较高时，误差较大。这可能有以下几点原因:

(1)模型机的传动效率比估算的低;

(2)桨叶帆布漏风以及空气的阻力系数不够准确;

(3)风速较高时，空气动力学的其它未考虑的因素会产生不可忽略的影响作用。

实验结果还表明风向角角的变化对输出功率影响较小。最大功率出现在风向角为10°左右处。

3 结 语

(1)模型机的实测结果与理论计算结果比较接近，说明实验过程和理论计算都是比较合理的。

(2)风力机的输出功率最大值出现在风向角为10°附近。

(3)该风力机具有在较宽的风向角范围内输出功率变化较小的优点。

［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］包耳，胡红英，韩志敏，等. 基于机械传动的阻力式风力机研究［J］.大连民族学院学报，2014(1):35 －38.

［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.