模拟户外风速装置设计

程君妮

(榆林学院能源工程学院，陕西 榆林 719000)

模拟户外风速装置设计

程君妮

(榆林学院能源工程学院，陕西 榆林 719000)

叶片是风力机整体设计中的重要环节，其性能的好坏直接决定风力机的发电量。对叶片在风力机整体设计环节中的重要性以及风轮尺寸决定风电场的发电量进行了研究，设计了一种模拟户外条件并提供不同大小风速的装置，以检验设计的叶片模型在不同风速条件下的性能。首先介绍了该装置的具体结构以及工作原理，包括直筒内部设计、光圈结构、底座结构以及电路系统等。然后分析了该装置在设计过程中所需考虑的关键问题，包括圆柱之间距离、电机安装位置、风流过圆柱产生的噪声以及风叶尺寸的限制等。最后确定了该风速装置的设计规格和主要参数。结合风轮尺寸和叶片设计要求，风机内部可以安装不同直径的通风管，以检验叶片性能。利用数值模拟并结合Origin软件，模拟设计了一组不同直径的通风管，绘制了风速与通风管横截面积的关系图。结果表明，该装置可提供的风速范围为6.8～56 m/s。

风力发电; 风能； 电机; 变风速; 模型检测; 叶片性能

0 引言

叶片是将风能转化为机械能的一种装置。如果提高叶片翼型的升阻比，叶片便能更加充分地利用风能，以提高风力机的发电量。由于薄翼型叶片具有比较高的升阻比，也就意味着薄翼型叶片具有较高的风能利用系数，因此设计人员在设计叶片时，趋向于叶片越薄越好。然而，叶片在利用风能的同时也承受着风的巨大载荷，叶片要能正常旋转，必须在旋转方向上有足够的强度和刚度[1]。因此，叶片越厚越好。

薄翼型叶片具有较高的风能利用系数，厚叶片可以确保风轮安全旋转，这就造成了在叶片设计环节中的矛盾。因此，合理的叶片厚度设计显得十分重要。叶片在设计完成之后，必须经过一系列的试验，检验其可靠性[2-3]。但是如果叶片设计过大，在检验过程中一旦出现问题，就必须重新修改叶片设计参数，十分浪费时间和材料。因此，设计一种可以模拟户外风速的装置，以此来检验叶片的设计模型，不仅省事省力，而且缩短了叶片的设计周期[4]。首先介绍了该装置的具体结构和工作原理；然后分析了该装置在设计过程中需要注意的问题；最后确定了该装置的规格，并利用Origin软件绘制了通风管风速与横截面积的关系图。

1 不同大小风速的装置设计

风速装置如图1所示。

图1 风速装置示意图

风速装置由3个部分组成，分别是风扇、直筒和底座。风扇最上面有两个旋转开关，分别是控制风扇的开关和风扇的档位，其中风扇有3个档位，分别提供不同的风速。将该风扇整体外形尺寸的大小考虑在内，最后选定型号为JM02的风扇。直筒是该风力装置的核心部件，主要作用是由风扇产生的风，流过直筒形成大小不同的风速。底座主要作用是支撑直筒和减震，其内部装有控制直筒内部光圈大小的电路装置。

风速装置直筒内部为空心，上、下两个表面均为具有一定厚度的实心圆柱，上表面实心圆柱内部镶嵌有一个光圈和带有把手的转动盘，下表面同样镶嵌有一个光圈和固定装置。两个光圈相互对应，在上、下两个实心圆柱表面位置相同。在直筒底端，两个光圈外表面各延伸出一个柱状的探头，两个探头用一根直杆连接并固定。每个光圈内部含有12个镰刀状的小叶片，彼此在光圈内部紧密排列成一圈，暴露出光圈内部的空心圆。当探头沿着光圈外表面缺口移动时，光圈内部含有的12个叶片会伸缩和延伸，从而在光圈内部形成半径大小不一的空心圆。转动盘表面刻有6个数字，分别代表6个半径不同的直空心圆柱。为了使转动盘顺、逆时针转动，转动盘上带有一个把手。用一根实心圆柱连接转动盘与固定装置，并在实心圆柱外层套一个半径大的空心圆柱，使半径大的空心圆柱和实心圆柱组合构成一个实心圆柱。空心圆柱两个端面为直圆柱，镶嵌在直筒上、下表面内部，厚度与光圈厚度相同；空心圆柱外表面设计成“十”字形，镶嵌在圆筒内部的圆环中心，在把手带动下，空心圆柱外表面的“十”字形可以带动直圆环顺、逆时针旋转。直圆环内部固定有6个半径不同的空心圆柱。圆环转动，6个空心圆柱也跟随一起转动。每个空心圆柱转动到两个光圈之间的空隙处时，空心圆柱停止转动，使空心圆柱半径和空心圆半径一致，实现两者在空间位置上的相互衔接。

光圈基本结构如图2所示。

图2 光圈基本结构示意图

光圈由4个不同的器件组合而成，其中光圈外壳底部是圆环，中心是空心，其余都是实心。光圈外壳空心圆的半径与其余3个器件空心圆半径相等。托盘用来承载12个镰刀状的叶片，它们按照一定的顺序排列，每个叶片左端口有一个小的空心圆，右端口有一个凸处。托盘表面含有12个小凸处，主要作用是与每个叶片上的空心圆相互衔接，从而固定叶片。光圈内盘表面刻有12个轨道，用来固定叶片，使叶片凸处在上面滑动。光圈内盘螺丝固定处与光圈外盘螺丝固定处相互对应，用来固定安装好的光圈。托盘与叶片一起放在光圈外盘内部，其中托盘探头穿过光圈外壳外表面缺口。光圈内盘用于覆盖叶片，与外盘组合构成光圈。光圈探头在外壳外表面缺口上、下移动时，内部装有的12个叶片凸处顺着轨道移动，在光圈内部出现半径时大时小的空心圆。

底座下方设置有管状电机。管状电机封装在不锈钢套筒中，相应套筒的两端各有固定端，以固定套筒并保证套筒中的管状电机平稳运行。底座上方设置有长实心直杆，直杆两端固定，中心可以自由转动。在底座正前方有电源开关以及控制管状电机的开关。探头是光圈的延伸部分。由布将管状电机套筒、直杆和探头连接，底座左、右两边各有一块布，在探头处连接固定并包裹住探头。打开电源开关，控制管状电机开关，使两个电机转速保持一致。管状电机1带动套管转动，拉动布前进，迫使探头逆时针转动；同时电机2也带动套管顺时针转动，使缠绕在套管上的布展开。由于两个管状电机转速始终保持一致，在电机1拉动布前进的情况下，电机2将缠绕在套筒上的布展开，从而保证固定在探头上的两块布匀速带动探头前进。

2 风速装置设计要点

风力装置设计过程中，直筒6个空心圆柱彼此间隔的距离、两个管状电机的位置、风通过通风管产生的噪声以及风叶的尺寸等都会对装置设计产生影响。下面具体分析这些因素对该装置设计产生的影响。

2.1 不同空心圆柱之间距离的影响

在把手的带动作用下，转动盘会带动直圆环一起转动。直圆环外6个空心圆柱交错在两个光圈相距的空间来回移动。由于探头的移动，使光圈空心处呈现半径大小不一的空心圆，这也导致了6个空心圆柱转动时，必须使相应空心圆柱的半径与光圈空心圆的半径相匹配。由于6个空心圆柱的横截面积大小不一样，因此，空心圆柱彼此之间的间距也应不同，才能保证空心圆柱与光圈空心圆半径相对应。相邻两个空心圆柱的弧长L为：

L=Rα

(1)

式中：R为圆环圆心到相应空心圆柱圆心的距离；α为相邻两个空心圆柱半径R1和R2的夹角。

由式(1)可知，在夹角α不变的情况下，半径R越大，对应的弧长L就会越大。因此，半径越小的空心圆柱离前一个圆柱的圆弧距离越大，且越靠近直圆环的外表面。

2.2 管状电机安装位置的影响

在两个管状电机底座的下方，利用两块布在探头处缠绕并固定，从而使两个管状电机带动探头顺、逆时针匀速转动。要想保证探头顺、逆时针匀速转动，两个电机的位置应反向安装。管状电机1接电线部分朝向底座上表面，管状电机2接电线部分朝向底座下表面，而且布在两个管状电机套管的同侧，这样才能保证管状电机1、2在同步转动的同时，探头匀速转动。

2.3 风通过不同空心圆柱产生噪声的影响

在风量一定的条件下，较小的通风管会提高风的速度，但这也会在风管中产生较高的二次气流噪声，从而影响室内环境[5-6]。假设流过空心圆柱的风为理想流体，则由连续性方程可知:

S1V1=S2V2

(2)

式中：S1为风扇旋转时扫过的面积；V1为风扇产生的风速；S2为空心圆柱的横截面积；V2为流过空心圆柱风的速度。

由式(2)可知，当S1V1为定值时，空心圆柱横截面积S2与流过它的风速V2成反比。

直管道气流噪声功率由式(3)确定：

LW=10+50LgV+10LgS

(3)

式中：LW为噪声功率；V为通风管的风速；S为通风管的横截面积。

利用式(3)，可以确定风流过半径不同的空心圆柱产生的噪声功率。当S=S2一定时，V=V2越大，则噪声功率LW越大，由此对室内环境产生的影响也会越明显。因此，对该风力装置必须进行消声处理。

2.4 风叶尺寸限制的影响

由于该风力装置提供大小不同的风速，以检验叶片模型设计的合理性，因此，叶片模型尺寸也会对该风力装置的设计产生影响，特别是该装置的出风口大小[7-8]。假设风从该装置空心圆柱流出，进入空气，在空心圆柱出风口处，风的方向呈发散状，流经一段距离L后，风的各个方向逐渐趋于平行[9-10]。风力机一般安装在户外工作，叶片将风能转化为机械能，近似认为风叶迎面吹来的风是平行的，因此，风叶模型不可能放置在风口处，只能放置在离出风口一定距离L处。

3 确定该风速装置整体参数方案

以上讨论了不同空心圆柱之间的距离、管状电机的位置、风通过通风管产生的噪声以及风叶的尺寸等对该风力装置设计的影响，从而确定了该风速装置的设计规格。风速装置风扇及底座参数表分别如表1、表2所示。

表1 风扇参数表

表2 底座参数表

4 装置提供风速估计

采用风扇和底座的规格，可以设计出不同尺寸的直筒。这也意味着直筒尺寸一旦确定之后，风叶模型的大小以及直筒内部6个空心圆柱横截面积也就确定了。

根据上述风扇和底座尺寸的大小，模拟设计了一组空心圆柱。直筒参数如表3所示。由于风扇与直筒采用一定尺寸的空心圆台链接，圆台半径大的圆包裹在风扇的内直径上，圆台半径小的圆连在直筒的外表面；同时，光圈底面积近似认为等于光圈叶片全部收缩时空心圆的面积。因此，直筒参数表如表3所示。

表3 直筒参数表

利用Origin软件绘制了风扇在1档、2档以及3档时，风穿过6个半径不同空心圆柱风速大小变化的示意图,如图3所示。

图3 空心圆柱风速与横截面积关系图

通过图3发现，风扇不同档位产生的风，穿过空心圆柱风速的大小与通风管横截面积呈线性关系。当风扇档位一定时，空心圆柱对应的风速随通风管横截面积增加而下降。当S1V1固定时，空心圆柱横截面积S2与流过通风管的风速V2成反比。当风扇处于1档时，风扇产生的风速为1.25 m/s，流过半径最大的空心圆柱风速为6.8 m/s；当风扇处于3档时，风扇产生的风速为3.5 m/s，流过半径最小的空心圆柱风速为56 m/s。结果表明:该装置可提供的风速范围为6.8～56 m/s。

5 结束语

叶片设计的优劣是风力机能否最大化利用升阻比的关键[11]。优质叶片能最大化地利用风能，提高风能利用系数，因此叶片趋向于薄翼型。但是，叶片在利用风能的同时，也在承受着巨大的风载荷[12]，因此，叶片越厚越好。这也导致了叶片在设计过程中存在矛盾。

本文设计了一种提供大小不同风速的装置，可以对已经设计完成的叶片模型进行验证，以确定其稳定性和设计的合理性。这样不仅在叶片设计环节中可以省时省力，而且缩短了叶片的设计周期，极大地推动了风力机叶片的发展。

[1] KYOUNGSOO L.Evaluation of equivalent structural properties of NREL phase VI wind turbine blade[J].Renewable Energy,2016,86(27):796-818.

[2] 王益祥,王聿彪,周勇.新型风速测量装置设计[J].自动化仪表,2008,29(3):63-65.

[3] 寇薇,苑宾,李琦,等.一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计[J].电力科学与工程,2011,27(5):25-28.

[4] WANG J,SONG Y,LIU F,et al.Analysis and application of forecasting models in wind power integration：A review of multi-step-ahead wind speed forecasting models[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,60(3):960-981.

[5] 贾少红.风电叶片气动噪声研究[D].北京：中国科学院大学,2014.

[6] 王文龙.大气风场模型研究及应用[D].长沙：国防科学技术大学,2009.

[7] 陆科,李涛,王振,等.低速风速装置检测方法探讨[J].中国计量,2015(1):103-105.

[8] 陈凤贵,姜明波,杜智涛,等.地面风场风速测量标准装置需求与设计[J].装备环境工程,2013,10(1):79-82.

[9] 陈凤贵,刘克华,姜明波,等.地面风场风速测量标准装置性能测试分析[J].装备环境工程,2013(2):9-13.

[10]李春曦,李新颖,叶学民.垂直轴风力机结构及性能改进的研究进展[J].风机技术,2013(1):67-73.

[11]KORPRASERTSAK N,LEEPHAKPREEDA T.Analysis and optimal design of wind boosters for vertical axis wind turbines at low wind speed[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2016,159(5):9-18.

[12]吕跃刚,关晓慧,刘俊承.风力发电机组状态监测系统研究[J].自动化与仪表,2012,27(1):6-10.

Design of the Emulated Device for Outdoor Wind Speed

CHENG Junni

(School of Energy Engineering,Yulin University,Yulin 719000，China)

Blade is very important part in the overall design of the wind turbine,its performance directly determine show many electricity the wind turbine can generate.The importance of the blade in the overall design of wind turbine,and the relationship between generation capacity of the wind farm and the sizes of wind wheel are studied,and the emulated device is designed for providing outdoor conditions with difference wind speed,to detect the performance of blade model designed under different wind speed.Firstly,the specific structure and operational principle of the device are introduced,including the internal design of straight tube,the structure of aperture,the pedestal structure and circuit system.Then,the key issues to be considered in the process of design are analyzed,including the distance of the cylinders and motor installation location,noise produced by wind in cylinder and the restrictions of sizes of blade,etc.Finally,the specification of the wind speed device and major parameters are determined.Combining with the size of wind wheel and design requirements of blade,the pipes with different diameter can be installed inside the device,to test the performance of blades.By using numerical simulation and the Origin software,a set of ventilation pipes with different diameter are designed,and the diagram of the relationship between wind speed and cross-sectional area is drawn.The results show that the device can provide 6.8～56 m/s wind speed range.

Wind power generation; Wind energy; Motor; Variable wind speed; Model detection; Blade performance

陕西省榆林科学技术局产学研基金资助项目(2015cxy-22)

程君妮(1982 —)，女，学士，讲师，主要从事风电场风力机的叶片结构设计工作。E-mail:3139516353@qq.com。

TH122；TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705009

修改稿收到日期：2017-01-26