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水平轴风力机的工作原理与结构形式

作者:lol菠菜 发布时间:2020-09-01 03:12 点击:

  水平轴风力机的风轮旋转轴是水平方向的,和地面与风向基本平行。图1是一个玩具风车,在风车杆上固定有轴座,轴座前方有轮毂,两者通过风车轴相连,轮毂可绕风车轴自由旋转。风车有6个叶片,叶片固定在轮毂上,叶片与风车轴垂直,叶片之间的夹角是60度,6个叶片与轮毂组成风轮,每个叶片相对于风轮平面有25度(或相近角度)的倾斜角度。当风车轴与来风平行时,风轮就会旋转起来。

  下面讲一下小风车旋转的原理,在风力机基础课件中介绍过薄板在流动空气中的受力情况,当薄板与气流方向有夹角时,薄板在气流作用下得到升力与阻力。

  图2是风车的薄板叶片在不同转速下的受力示意图,图中薄板是叶片在风轮某圆周上的截面,图中风轮转轴相对画面是垂直方向,所以叶片的运动方向相对画面是水平方向,来风的方向相对画面是向上,风速为v。

  图2左图是风车还未转动时的气流状态,此时气流从薄板叶片两边绕过,并在叶片后方形成涡流,叶片前方(相对画面是下方)与后方会有较大的压差,由于叶片并非垂直于风向,气流在叶片上产生的压差合力F与风轮转轴间有一个角度,该角度使F在叶片运动方向产生分力Ft,Ft与此处风轮圆周相切,推动叶片向左方转动,于是风车开始转动,Ft也称为切向力。

  图2中图是风车以中等速度转动时的气流状态,此时的风速仍为v,由于风车已经转动,薄板叶片该截面处的线速度为u,方向向左,于是叶片受到的来风除了v外还有来自左方的气流u,v与u的合成风速为w,见下方矢量合成图,相对风速w是薄板叶片受到的真正来风方向。图的上方表示叶片此时的气流状态,由于来风w的方向与叶片还有较大夹角,见下方矢量图中的w与上方叶片的夹角,气流流经叶片时在叶片后方产生有涡流,叶片工作在失速状态,虽有一定的升力但阻力也较大,其合成力为F,F在叶片运动方向产生分力Ft,Ft推动叶片向左方运动。

  像小风车这样采用薄板叶片的风力机很早就得到应用,典型的是荷兰风车,早在13世纪荷兰人就广泛使用风力机进行抽水、辗磨谷物、加工大麦等工作。十八世纪末,荷兰全国的风车约有一万二千座,高高耸立的抽水风车,使荷兰从大海中取得近乎国土三分之一的土地,这是古代风力机应用创造的伟大奇迹,当然这也得益于荷兰一年四季盛吹西风,才有如此动力。后来蒸汽机、内燃机和电动机的发明与应用逐渐淘汰了大部分风车,目前荷兰还有两千余架各式各样的风车,由于利用的是自然风力,没有污染,其中许多仍在发挥作用。图3是网络上荷兰风车的照片。

  玩具风车的叶片是薄板,荷兰风车的叶片是绷紧的帆布(图3中风车叶片骨架上还未绷帆布),这些叶片都是平面的。该风车的转轴与地面基本平行,所以也是水平轴风力机。

  其实在中国汉代就有水平轴风力机,在明代有文字描写“用风帆六幅车水灌田者”,这种风车称为卧轴风车或斜杆式风车,上世纪40年代拍摄的电影《一江春水向东流》有这种风车的场景,在1957年拍摄的电影《柳堡的故事》中也有这种风车的镜头。直到上世纪90年代在连云港某盐场还有10多台卧轴风车提取盐水。遗憾的是那时我们没有像荷兰那样保护古代技术与文化遗产,随着农业电气化的普及,各种中国风车到上世纪70年代基本绝迹。

  薄板叶片失速角小,容易进入失速状态,现代实际应用的叶片是流线型的,叶片截面如同机翼截面,称为翼型。翼型有一定厚度,强度大、升力大、阻力小。有关翼型的介绍见叶片的空气动力学基础课件。

  图5是翼型叶片在不同转速下的受力示意图,图中翼型是叶片在风轮某圆周上的截面,图中风轮转轴相对画面是垂直方向,所以叶片的运动方向相对画面是水平方向,来风的方向相对画面是向上,风速为v。

  图中有3个工作状态,左图是风轮静止时的状态,中图是风轮转速较低时的状态,右图是风轮以额定转速旋转时的状态。三个状态的气流与受力分析状况与图2薄板叶片基本相同,这里就不再重复介绍了。

  看一个风力机的工作效率不是单看叶片受到的切向力Ft大小,在图4中右图的Ft约为中图Ft的2倍,是不是输出功率大2倍呢,我们还要看他们的转速,右图的切向速度u约为中图u的2.5倍,也就是转速大了2.5倍,所以说右图叶片做功是中图叶片的5倍(2×2.5=5)。这只是个大约数,因为风轮不同处的截面与角度不同,所受来风也不同。

  现代的风力机大多数是水平轴风力机,水平轴风力机主要由叶片与轮毂、机舱与塔架构成。常见的风力机有三个叶片,叶片安装在轮毂上构成风轮,风吹风轮旋转带动机舱内的发电机发电,塔架是整个风力机的支撑,见图6。

  也有4叶、5叶、6叶的,在许多农用风力机中采用多叶片结构的风轮,见图8。

  使风力机自动朝向风向称为对风(偏航)功能。小型风力机普遍采用尾舵对风,风把尾舵吹向风力机后方使风轮面向风,图8中的迎风式风力机就是带尾舵的风力机。顺风式风力机勿需任何装置即可自动对风,称之为自由偏航。 大中型风力机采用专门的偏航装置对风,在后面的章节有相关介绍。

  在风力机的机舱底盘上安装有主轴承、齿轮箱、发电机、偏航装置、风向风速测量、控制柜等,发电机是风力机产生电能的设备,由于发电机转速高,风轮转速低,风轮需通过齿轮箱增加转速后才能使发电机以正常转速工作;控制柜控制风力机的对风、风轮转速等;风向标测量风向发出信号给控制柜;偏航装置按控制柜的信号推动风力机进行对风。

  多个风力机组成风电场,下面通过一段新疆达坂城风电场的视频展示了风电场的恢弘气势,视频仅是达坂城风电场的一角。

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