基于地铁风能利用的微型风力机结构设计

程远建　张缘　陈博

摘 要：能源结构中非化石能源占比逐渐提高，低碳化发展趋势日益明确。新形势下仍然要继续坚持节能优先，推动能源消费革命，加快能源向绿色低碳方向的结构调整。本文提出对地铁风能的利用理念，利用地铁运行时所引起的空气流动，带动特制微型风力机叶片转动发电。一方面为地铁的照明提供部分电能，另一方面以这样的形式宣扬低碳节能的理念。

关键词：地铁隧道风；扇形叶片；镂空扇形叶片；扇形加套壳叶片

中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）16-0053-04

最近几年，地铁发展迅速。在地铁站等候列车的时候，我们能够感受到地铁进站时的空气流动。我们直接感受到的是已经经过屏蔽处理的地铁风，因此我们想到在地铁站的隧道内加装微型风力机，利用地铁进站时引起的隧道风带动风机叶片转动发电。刘煜炜[1]等人经过研究发现，高实度的扇形叶片适用于地铁隧道环境。然而，当转速达到一定值，风就很难通过实度这样大的叶片，从而大量的风从叶片外围扰流，限制了风能的捕获效率。因此为了让更多的风从叶片表面经过，我们采取两种措施：一个是叶片后缘部位镂空设计，让风从孔洞处流过；二是在叶片外围加一个套壳，强迫风从叶片流过。

1 地铁风特征

地铁隧道内，当有列车经过时，带动的风具有周期性和变化幅度大的特征。参考别的文献[2]测得的数据：列车进站平均风速为7.00m/s，出站平均风速为5.40m/s。这组数据是在月台上测得，列车处于低速状态，且没有屏蔽门，而在装有屏蔽门的封闭轨道中，各项数据应该大于测量值。平均风速大于3m/s，因此地铁隧内的风能有相当利用价值。

2 地铁隧道风电利用可行性

地铁隧道上部空间需设置提供给地铁牵引力的电网或电柜和通风控温设备，所以只能利用地铁隧道左右的空间。在地铁站台附近，据观察南京地铁S1号线，地铁隧道宽度几乎是地铁轨道的三到四倍，因此左右的空间足够安装风轮直径为1米的风力发电机。

地铁运行的空气阻力主要来源于正面与空气挤压的阻力，还有两侧的摩擦阻力，是空气在车身表面产生的行驶方向的分力，尽占空气阻力总额的9%。根据空气阻

根据分析，在安装风力发电机后，由于阻力系数C，空气密度和物体的迎风面积S不变，正面的阻力几乎没有变化。[3]

3 地铁隧道风力机叶片设计

叶片优化设计理论：风力机是将风的动能转化为机械能进而电能的装置，风轮作为风力机的关键部件，其叶片外部形状直接决定风力机的工作效率。参照传统风力机的结构设计理论[4]，对微型风力机风轮结构进行优化。通过改变微型风力机风轮的叶片形状有效地增加风轮的输出转矩，以达到降低所需启动风速和提高风轮的输出功率的目的。

3.1 叶片优化方案

3.1.1 扇形叶片

为了增加单个叶片在风轮扫掠面上的投影面积，由已有研究，用无扭转矩形叶片代替传统叶片以达到预想效果。同时为了减少微型风力机正常运转时的噪声，根据Duquette的发现，需要通过降低风力机的转速来实现。风轮的叶尖线速度与来流V的比值为叶尖速比，叶尖速比为

因此可以通过选择较低的也加速比，来限制微型风机的转速n。拟定风轮的叶尖速比为2～3之间（约为传统风机的一半），并根据风轮也加速比与叶片数的关系[6]确定叶片数为6片。

此外为了进一步增加矩形叶片风轮的风能捕获能力，从叶片的形状方面对其结构进行改进，得到了扇形叶片风轮结构[7]。以上述研究为基础，本文以扇形叶片作为本体，为了避免叶片投影面积的重合，在扇形叶片的叶根和叶尖处施加不同的扭转角度。其结构如图1所示。

扇形叶片的相关参数见表1。

3.1.2 扇形镂空叶片

常规叶片受到支撑材料强度的限制，为了保证安全运行，传统叶片通常实度很小，致使大量的风从叶片的空隙穿过，使风能不能更大限度地利用[2]。初衷是不仅要把叶片做的多且大，而且还要能保证刚度强度要求。基于此对扇形叶片进行优化，因此本文在研究过程中首先对上文提到的扇形叶片做应力分析。发现扇形叶片的前缘收到的应力是后缘的3～5倍，且后缘处的应力较小区域呈现出三角形分布。详见图2。

因此鏤空部位不能设置在前缘部分，否则在同样的材料和工况下，前缘更容易折断或开裂。综合上述考虑本文在单个扇形叶片的后缘处添加呈三角形的镂空孔洞设计。其结构如图3所示。

为了证实扇形镂空叶片的应力分布符合最初设想，本文对扇形镂空叶片同样做了应力分析，其结果和最初设想的一样，详见图4。

由此可见，在扇形叶片后缘处加镂空设计是安全、有效的办法。

3.1.3 扇形加套壳叶片

因为在地铁隧道内，风轮面的面积相对于地铁隧道的截面积过小，在开放式的站台气流的散逸情况比较严重[3]，因此给扇形叶片加装套壳，强制风流向风轮面。其结构如图5所示。

3.2 建模过程

流场网格划分，内流场圆柱半径R=170mm，厚度200mm；外流场，在风轮前1.5倍风轮直径即L1=450mm，在风轮后7.5倍直径即L2=2250mm，外流场圆柱R=600mm；对于加套壳的扇形叶片风轮，内流场R=200mm，厚度300mm，套壳的尺寸R=170mm，厚度200mm。

网格用ICEM-CFD软件自动划分，对叶片与套壳部分添加边界层网格，并对内流场和外流场进行尺寸控制。网格外围稀疏，叶片附近较密，总网格数80万。平均网格质量（Element Quality）为0.87；扭曲因子（skewness）小于0.4的网格占95%，质量良好。镂空叶片因为存在过多孔洞细节，而采用对单叶片进行仿真。因为本文的模拟仿真采用的是稳态分析，没有考虑叶片在旋转过程中相互的干扰，因此研究单个叶片，之后乘以叶片数得到整个叶轮的效果。三个类型叶片之间具有可比性。流场网格划分见图6。endprint

3.3 计算过程

分别针对入流风速为5m/s，10m/s时的不同转速下进行仿真，求得转矩，用转矩乘以当前角速度便可得到功率。下面进行结果分析。详见图7～10。

由風速为5m/s的三种叶片转矩和功率对比图可以看出，镂空扇形（绿色菱形曲线）叶片的捕风效果最好；扇形加套管叶片（红色圆圈曲线）捕风性能略高于普通扇形叶片，不及镂空扇形叶片。

当风速为10m/s时，一般翼型在转速为50rad/s时失速，镂空叶片在转速为90rad/s时才发生失速；而且上述5m/s情况下的结论在10m/s的情况下同样成立。因此可以得到以下结论：对于某一类型的叶片，外加套壳能够在一定程度上增加风能利用，将其镂空，叶片捕风效果提高更加明显。

此外，为了进一步确认我们的设想。我们对三种结构的风轮进行流量监测，当风速为10m/s、旋转角速度为50rad/s时，测得流过叶片扫略面的流量（kg/s）分别为：1.0182， 3.14802，0.98491。此结果说明镂空叶片能够使得通过的流量增加。

计算所得流场速度分布（V=10m/s，ω=55rad/s）。分别对比扇形叶片和加套壳的扇形叶片的流畅速度分布图，此时两种叶片都已失速。可以明显看出，外加壳套对流场扰动很大，反而限制了风能的吸收。同时也说明，加壳套只在低风速、低转速的情况才会对风能利用率有微小的提高。

4 结语

通过本篇论文研究，得出在已有微型风力机叶片模型的基础上，加套管和增加叶片后缘处的镂空设计都可以提高风能利用率。但加套管的效果不如镂空设计，且只适用于低风速、低转速工况。对于镂空叶片具体参数，比如镂空部分的大小，位置，形状等参数的优化有待进一步研究。对于镂空和加套壳的结合模型可以在今后的研究中考虑。

由本文的研究，笔者做出以下设想。可以根据不同叶片性能和设计工况，考虑两级叶片合并使用。普通叶片在低转速的时候转矩大，因此容易启动，也就是能够利用低风速区域，弥补扇形镂空叶片的不足；而高风速区域普通叶片容易失速，转矩迅速减小，因此可以将普通叶片和扇形镂空叶片结合，作为两级叶片工作使用。可以更好地适应地铁隧道的忽大忽小风况，进一步提高效率、经济性。

参考文献

[1]刘煜炜，袁启龙，杨明顺.微型风力机的结构优化及设计[J].机械科学与技术，2015.

[2]万琨，张志英，李银凤等.风能与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社.

[3]汪浩，张晓勇.利用地铁隧道风能发电的设计与研究[J].大学物理实验，2012，25（4）：10-13.

[4]王旭东，王立存，李平等.基于多学科的风力机叶片形状优化设计研究[J].机械科学与技术，2012，31（5）：806—809.

[5]胡威.地铁隧道风力发电探讨[J].湖北武汉：城市轨道交通，2015.

[6]苏邵禹.风力发电设计与运行维护[M].北京：中国电力出版社，2003.

[7]汪建文，白杨，高志鹰等.小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射测试与分析[J].沈阳工业大学学报，2010，（1）：27—3l.endprint