低风阻大升力风力发电机的设计

2015-11-25蔺吉顺刘东华

机械管理开发 2015年9期

蔺吉顺，陈勇，刘东华

（内蒙古民族大学，内蒙古通辽 028000）

引言

风力发电机多是由叶片、转子和定子等部件构成的轴流式风力机，安装在杆塔上面，在风力的带动下转动而发电［1－3］。其中的叶片多根据流体力学原理，设计成截面为一侧平直一侧凸起的“机翼型”，当气流同时通过两个侧面时，凸起一侧因路线较长，流速较高而压力小于平直侧面，由此产生了由平直侧指向凸起侧的升力，推动风力机转动。由此可见，风力机的叶片数目越多与气流接触面积越大，获得的升力就越大。可是，由于叶片在转动时会对气流形成阻力，阻碍气流的通过，可见，叶片的数目太多或者转速太快都会妨碍风力机的工作。为了解决这对矛盾，现有风力发电机的叶片多为三支，并且限制了转速。研究发现，叶片分布以及转动均在一个圆内，圆的半径越小其圆周越短，因此，相邻叶片的端部距离远远大于根部的距离，也就是说，叶片的底部密度较大，对气流的阻力也比较大，而叶片的端部距离较远，对风的阻力很小，特别是在叶片转速较低的情况下，适当增加叶片，气流通过的空隙仍很充足［4－6］。可是，由于叶片的根部接在转子上，不能只在外端增加叶片，因此，限制了叶片的数量，也就是限制了风力的利用率。

1 设计思路

本设计的目的是提供一种既不增加叶片根部的密度，又能利用叶片端部的空间，在风阻增幅极小的前提下，增加叶片的受风面积，叶片的升力及风力的利用率大幅提高的低风阻大升力风力发电机。

上述目的是由以下技术方案实现的：研制一种低风阻大升力风力发电机，包括杆塔、叶片、转子、定子，其特点是：所述叶片中部设有支撑架，支撑架上装有导风板，导风板的截面为机翼形，即一侧为平面侧，另一侧为凸面侧，导风板与叶片的安装方向一致，即导风板与气流摩擦而产生的升力方向和叶片与气流摩擦产生的升力方向相一致。其中叶片有四种结构形式：

第一种结构形式：所述叶片有三支，叶片中部装有一圈环状支撑架，两支叶片之间的支撑架上装有三片导风板。

第二种结构形式：所述叶片有三支，叶片中部装有两圈环状支撑架，两支叶片之间的外圈支撑架上装有两片导风板，内圈支撑架中间装有一片导风板。所述导风板的径向长度：叶片长度不大于1∶40。

第三种结构形式：所述叶片有三支，叶片长度40～55m，叶片中部装有两圈环状支撑架，两支叶片之间的外圈支撑架上装有两片长度1～2m的导风板，内外两圈支撑架的中间装有一片长20～25m的导风板。

第四种结构形式：所述叶片有三支，叶片长度40～55m，叶片中部装有两圈环状支撑架，两支叶片之间的两圈支撑架的中间装有一片长20～35m的导风板。

2 设计基本方法和步骤

本设计总的构思是在风力发电机的各个叶片之间通过支撑架安装与叶片截面相似的导风板，在叶片风阻增加极小的前提下大幅增加叶片的捕风面积。下面为围绕这一构思所介绍的四种实例。

第一种实施例：如图1为第一种实施例低风阻大升力风力发电机的主视图，这种风力发电机和现有的风力发电机相似，也是由杆塔、转子、定子，叶片等部件构成，不同的是叶片的中部设有支撑架，支撑架的形式很多，图中表示的是一圈环状支撑架，支撑架可以用钢筋或铝合金管制成，也可以采用重量小强度高的玻璃钢管。图中有三支均布的叶片，是目前最常见的结构形式。两个叶片之间的支撑架的两端均固定在叶片中部，当然支撑架也可以是一个整体串联在三支叶片上，以合理的结构安装支撑架可以增加叶片的稳定性，甚至可适当降低叶片的用料和自重。支撑架上装有导风板，结合图2第一种实施例的导风板结构示意图可见，导风板的截面是与叶片的截面相似的“机翼形”，即一侧为平面侧，另一侧为凸面侧。导风板的安装方向与叶片一致，所以导风板与气流摩擦而产生的升力方向与叶片与气流摩擦产生的升力方向相一致。两支叶片之间的支撑架上装有三片导风板。导风板沿支撑环圆周的径向长度：叶片长度不大于1∶40。对于长度40m的叶片来说，这种导风板的长度在1m以上。显然，导风板与风力机的轴心距离可以很远，与两侧的叶片之间也具有很大的空间，所以，在现有风力发电机的转速之下，导风板以后的风阻增加极小，而导风板所带来升力却大幅增加，风力发电机的工作效率显著提高。

图1 第一种实施例低风阻大升力风力发电机的主视图

图2 第一种实施例的导风板结构示意图

第二种实施例：如下页图3第二种实施例低风阻大升力风力发电机的主视图所示，这种风力发电机也是由杆塔、转子、定子，叶片等部件构成，叶片有三支，叶片的中部设有两圈环状支撑架，在每两支叶片之间，外圈支撑架上装有两片导风板，内圈支撑架中间装有一片导风板。导风板长度：叶片长度≤1∶40。这种结构使导风板相互错开，通风性能更好，风阻更小，而升力的增加幅度仍然很大。

第三种实施例：如下页图4第三种实施例低风阻大升力风力发电机的主视图所示，风力发电机有三支叶片，叶片长度40～55m，叶片中部装有两圈环状支撑架，两支叶片之间，外圈支撑架上装有两片径向长度1～2m的导风板，内外两圈支撑架的中间装有一片径向长度20～25m的导风板。这种结构，长短导风板相结合，捕风面积更大，风力发电机的工作性能更加改善。

图3 第二种实施例低风阻大升力风力发电机的主视图

图4 第三种实施例低风阻大升力风力发电机的主视图

第四种实施例：如图5第四种实施例低风阻大升力风力发电机的主视图所示，叶片有三支，叶片长度40～55m，叶片中部装有两圈环状支撑架，在两支叶片之间，两圈支撑架的中间装有一片长度相当于叶片长度20～35m的导风板。这种较长的导风板，特别适于安装在叶片较长的风力发电机上，产生升力的叶片面积相当于增加了一倍，大量实验证明，这种结构的效果也非常满意。

3 结语

通过研制一种低风阻大升力风力发电机，在风力发电机的各个叶片之间通过支撑架安装与叶片截面相似的导风板，在叶片风阻增加极小的前提下大幅增加叶片的捕风面积。本设计的有益效果是发电机的叶片数目增加，而与转子连接的叶片数量则不变，叶片下部的空隙很大，风阻增幅极小，叶片升力及风力利用率大幅提高，应用前景十分可观。