陳全 方繼松 張峰 張在飛

摘 要：垂直軸雙葉組風(fēng)力機的特點是有主葉片和副葉片，兩葉片之間的靠聯(lián)動裝置連接。由于副葉片和主葉片之間形成風(fēng)力機的葉柵效應(yīng)，提高了功率特性。本文采用了反平行四邊形機構(gòu)，通過對聯(lián)動裝置的改進(jìn)，以改變兩葉片間的夾角，進(jìn)一步改進(jìn)立軸風(fēng)力機的自啟動性能，使得啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動速度快。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；垂直軸風(fēng)機；反平行四邊形機構(gòu)；葉柵效應(yīng)；功率特性

1 前言

風(fēng)能、太陽能、潮汐能是大自然賦予人類最清潔、最廉價的可再生能源。世界各國對這種能源都給予高度的重視，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)。根據(jù)《2012年中國風(fēng)電發(fā)展報告》，中國、歐盟、美國仍然占據(jù)了風(fēng)電發(fā)展的區(qū)域分布的主導(dǎo)地位，占世界風(fēng)電累計裝機的85%，累計裝機容量達(dá)到62.364GW[1]。

風(fēng)力發(fā)電機是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)換為電能或熱能等的能量轉(zhuǎn)換裝置，它是風(fēng)力發(fā)電中的主要組成部分，其性能決定了風(fēng)力發(fā)電機組效率的關(guān)鍵。

2 風(fēng)力發(fā)電機的分類和特點

風(fēng)力機有多種的分類方法，根據(jù)風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的位置不同，可分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機。按照風(fēng)力機葉片的工作原理，風(fēng)力機分為升力型和阻力型兩類[2]。

當(dāng)風(fēng)力機的葉輪轉(zhuǎn)軸和風(fēng)向平行時，稱為水平軸風(fēng)力機[3]，也是目前國內(nèi)外研制最多的、最常見的風(fēng)力機，使用率占整個風(fēng)力發(fā)電機的97%。當(dāng)風(fēng)力機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸和風(fēng)向垂直時，稱為垂直軸風(fēng)力機。作用在風(fēng)力機葉片上的風(fēng)力可分解成與風(fēng)向平行和垂直兩個分力，平行分力稱為阻力，垂直分力稱為升力。根據(jù)分力的方向不同，垂直軸風(fēng)力機分為兩類：一類是利用空氣動力的阻力做功，稱為阻力型垂直軸風(fēng)力機；另一類是利用翼形的升力做功，稱為升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，最典型的是達(dá)里厄（Darrieus）型風(fēng)力機，其葉片包括了直線翼形（如H型）和曲線翼形（如Φ型）。

相比水平軸發(fā)電機，垂直軸發(fā)電機可以接受任何方向的來風(fēng)，因此，不需要對風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜性較低，并提高了風(fēng)能利用率。并且，其發(fā)電機及齒輪箱安裝在底部，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，方便調(diào)試。產(chǎn)生的氣動噪音也小，適合于對噪聲控制要求較高的地方運行。

垂直軸風(fēng)力機理論是從水平軸風(fēng)機理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。水平軸風(fēng)力機是在飛機機翼理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它有得天獨厚的機遇。但隨著科技發(fā)展，技術(shù)的不斷改進(jìn)，立軸風(fēng)力機在葉片的設(shè)計與制造、風(fēng)能利用率、啟動風(fēng)速、風(fēng)輪結(jié)構(gòu)、控制裝置、環(huán)保效果等方面優(yōu)于水平軸風(fēng)力機。因此，現(xiàn)在正是建立起立軸風(fēng)力機理論的時代。

3 垂直軸雙葉片風(fēng)機的聯(lián)動機構(gòu)設(shè)計

3.1 反平行四邊形機構(gòu)基本原理

反平行四邊形機構(gòu)存在的充要條件是：

⑴曲柄為最短桿；

⑵最短桿長和最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和；

⑶桿長滿足兩對邊相等且不平行（如圖2所示），

當(dāng)主動曲柄AO1以ω1勻速轉(zhuǎn)動時，經(jīng)連桿AE推動從動曲柄EO2以ω3繞O2點作反向非勻速轉(zhuǎn)動。兩個曲柄的運動相當(dāng)于和它們固連的一對橢圓凸輪的純滾動[5]。

此機構(gòu)中，活動構(gòu)件n=3，低副PL=4，

所以，自由度F=3n-2PL-PN=3×3-2×4-0=1

此機構(gòu)具有唯一可動性，符合實際要求。

由圖可看出，從動件3受力點E的速度為VE，其方向與EO2垂直，從動件3上的力F的作用線與其速度VE方向之間的夾角α為壓力角。壓力角的余角γ為傳動角。

反平行四邊形機構(gòu)常用作聯(lián)動機構(gòu)、組合機床的專用夾具、拖車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)和車門的啟閉機構(gòu)等。

2.2 反平行四邊形機構(gòu)的運用

垂直軸雙葉組風(fēng)力機有主葉片和副葉片，主葉片在外，副葉片在內(nèi)。兩葉片安裝時與風(fēng)輪主軸平行，副葉片在旋轉(zhuǎn)時起導(dǎo)向作用。

為了保證主、副葉片在運動時切向力最大，在安裝時，葉臂的中心軸線OO1是主葉片弦線HB的中垂線，直線OD是副葉片的弦線GF的中垂線。主、副葉片間采用反平行四邊形機構(gòu)的聯(lián)動裝置。

副葉片和葉臂之間設(shè)置有一個氣壓缸連接。氣壓缸的內(nèi)部裝有彈簧，使其緩沖效果好。

風(fēng)機運行時，主、副葉片圍繞主動旋轉(zhuǎn)軸O旋轉(zhuǎn)。風(fēng)小時，連架桿AE對副葉片的拉力小于氣壓缸的拉力，兩葉片間仍保持最佳的角度。但當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度，主葉片沿O1順時針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連架桿AE帶動副葉片繞O2點作逆時針旋轉(zhuǎn)，從而減小兩葉片間的夾角，流過的風(fēng)量減少，使主、副葉片產(chǎn)生的升力減少，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變慢，向額定轉(zhuǎn)速靠近，降低其輸出電壓，實現(xiàn)了聯(lián)動機構(gòu)的調(diào)整功能，實現(xiàn)剎車制動的效果。

加了氣缸后，整個機構(gòu)的運動簡圖如圖4所示。

活動構(gòu)件n=5，低副PL=7

所以，自由度F=3n-2PL-PN=3×5-2×7-0=1

此機構(gòu)具有唯一可動性，符合實際要求。

設(shè)定主葉片的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～10°，根據(jù)圖2，可算出，其傳動角大于50°，其傳動效果較好。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過反平行四邊形機構(gòu)的設(shè)計，對垂直軸雙葉片組的聯(lián)動機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用了葉柵效應(yīng)原理，最小傳動角大于50°，機構(gòu)傳動性能好，經(jīng)初步測定，提高了風(fēng)機的啟動效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李俊峰，等，主編.ISBN：978-7-5111-1099-2.中國風(fēng)電發(fā)展報告2012年[M].北京：中國環(huán)境出版社，2012年9月.

[2]戴庚，徐璋，皇甫凱林，鐘英杰.垂直軸風(fēng)力機研究進(jìn)展[J].理論導(dǎo)刊， 2010，38（10）：39-43.

[3]李巖.垂直軸風(fēng)力機及其發(fā)展概況[J].可再生能源，2009，27（1）：121-123.

[4]李慶宜，主編.小型風(fēng)力機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986年12月.

[5]魏兵，熊禾根，主編.ISBN：978-7-5609-3964-3.機械原理[M].湖北：華中科技大學(xué)出版社，2007年3月.