优化风力发电机设计的思考

关于优化风力发电机设计的探讨

今天刊登的《优化风力发电机设计的尝试》一文，系原沪东重机高级工程师吴荣华先生所作。该文发表在《上海市老科学技术工作者协会第十六届学术年会论文选集》上，并获得了当年的优秀论文奖。

吴荣华先生热心于清洁能源的推广，希望自己的研究能为风力发电的推广应用做出一份贡献。在此，请在这方面有专长的、有兴趣的会员，对论文内容提出自己的意见和建议。我们将于5~6月份召开一个研讨会，对优化风力发电机设计的可行性进行探讨，听取各位宝贵的意见。研讨会具体时间将另行通知。

老科协造船委学术小组

2019/4/4

优化风力发电机设计的思考

造船委    吴荣华

原工作单位：沪东重机有限公司

0.提要:      

风能 ( Wind  Energy )

图0-1

人类利用风能的整个历史可以追溯到数千年之前，但风能技术发展慢。目前在常规能源告急和全球生态系统恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才有了长足的发展。风能是一种无污染和可再生的新能源。风能就是空气的动能，风能的大小取决于风速和空气的密度。据估计可利用的风能比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。即使在发达国家风能作为高效、清洁的新能源也日益受到重视。目前，风力发电是风能利用的最主要的形式。现在占可再生能源增长的最大部分。到2017年7月，中国已经成为可再生能源发电方面的世界第一。广义地说，风力发电机（以下简称为风力机Wind Turbine）是一种以太阳为热源，以大气作为工作介质的热能利用发动机。由于风力机的形式繁多，大小不一，发达国家的大型风力发电的成本已接近火电的成本。为了贯彻习主席“生态管理,绿水青山，就是金山银山。”和“向风中取电”的指示，本文仅对现今最主流、最常见的水平轴、三叶桨的风力机（如图0-1）的设计作一些优化的尝试。仅是本人的一家之言，缪误之处望各位专家予以指教。

1 风轮前加装 “拉伐耳喷管”

（如图1-1）

图1-1

用以增加风的流速:

从物理学知道，风的动能与速度的平方成正比，单位质量流动空气的动能是ρv²/2。

ρ---空气密度  kg/m³

v----空气流速 m/s                                      

当一个物体使流动的空气速度变慢时，空气中的动能部分变成物体上的压力能。物理学定义：功率是力和速度的乘积。这可用于风轮功率的计算，因风力与速度的平方成正比，所以风的功率与风速的三次方成正比。如果风速增加1倍，风的功率便增加为原来功率的8倍。当风速增大为3倍时，风的能量便增加为原来的27倍。这是风力机中一个极为重要的概念。  

根据物理学原理，“贝慈”已经证明了通过风力机的最大效率不会超过59.3 %.称为贝慈极限。以下是证明：

空气流经风力机输出的功率P1：

                           P1=2ρAV³1 a (1 - a)²

风力机从流经空气中获取的功率P2：

                           P2=1/2 ρV³2ACp  

那么应该是

                          P1=P2

                           2ρAV³1a(1-a)²=1/2 *ρV³2ACp

所以                    Cp=4a(1-a)²

可以求出,当a=1/3时, Cp的值为最大为

                           Cp=16/27=0.593.

其中：

V1----风轮前的风速 m/s  

V2----风轮后的风速 m/s

A-----风轮扫掠面积m²

a-----轴向气流诱导因子a =（V1 - V2）/V1.

Cp ----风能利用系数 .

也就是说，目前使用的三叶桨水平轴风力机都得受到这个限制。然而，要突破这个界限的唯一办法是在风轮的周围装一个锥形罩，此罩可谓         图1-2

“拉伐耳喷管”，是由一定形状的渐缩管和渐扩管组成。（如图1-2所示）

根据流体力学原理，通过管内任一截面流体的速度和截面大小成反比。在喷管的渐缩部分，气体作增速减压运动；在渐扩部分，气体作减速增压运动.

                           S前*V前=S后*V后

所以

                           S前/S后=V后/V前

其中：

S前-----喷管前端流通面积 m²  

S后-----喷管后端流通面积 m²    

V前-----喷管前端的空气流速m/s  

V后-----喷管后端的空气流速 m/s

很显然，可以通过改变S前/S后的比例关系来获得V后流速的增加，得到更大的空气动能来转动风轮。而风轮的安装位置应是（如图1-2）所示2-2处。喉部气体的流速等于1个马赫数Ma=1时（音速的倍数，定义为马赫数）。气体达到了临界状态，这时候管内的气体流量达到了最大值，也就是风轮的工作介质达到了最大值。就是风轮安装的位置（如图1-2）。至于“拉伐耳管”的具体形状、尺寸，应根据当地的自然环境和风力，通过试验得出最佳的方案。

用以缩小风轮的直径：

如果                     S 前/S 后=2 ~ 3

那么，风轮在“拉伐耳喷管”内可获得比喷管外的8~27倍的功率，风轮的直径则可缩小，风轮的转速可提高到免去增速齿轮的装置，不但大大地减低了叶桨所受到的弯矩，还降低了叶桨的设计难度和制造成本，也提高了风力机工作的可靠性（如图1-2）。为了降低制造成本，喷管的材料可选用纤维增强塑料。

风轮的主轴由悬臂梁支承改为两支点支承：

目前风力机的主轴多为单支承或多支承的悬臂梁结构。从材料力学角度看这是一种不合理、尽量不去采用的结构。从几何学知道，平面上的任意两个点，只有该两点之间的直线连线最为稳定。因此，叶桨的主轴应是两端点支承最为合理。主轴的前端可选用自动找中心的滚珠轴承，该轴承须装在喷管前端的外面，因为此处空气的流速最低，对风轮工作的干扰最小。后端选用滚柱推力轴承（如图7-1），主轴可设计为中空轴，在同等轴重的条件下可获得更高的刚性。

塔架采用桁架结构:

大型风力机组的塔架高度可达100m，质量超过百吨（约占机组总重量的50%），成本占总成本的15%~20%。由于机组的全部零部件几乎都安装在机架上，塔架一旦发生倾倒垮塌，往往会造成毁灭性的损失。由于风速与距地面的高度有关，增高塔架可使风轮获取更多的风能，使其造价相应增加和平添了吊装的难度。如采用了“拉伐耳喷管”，可获得更多的风能，就不必使风力机装得很高，从而节省了塔架造得过高的高昂成本。采用桁架结构还避免了因风力造成的对钢筒塔架的弯曲应力（如图3-1），使风力机的工作更安全、可靠。桁架结构比钢筒结构塔架的耗材可节省约40%，同时桁架的构件很小，可大幅降低运输成本。特别要指出的是桁架的型材选用管材更好，因为它对气流的干扰最小（如图3-2），而桁架尽量焊成最稳定的三角形结构（如图7-1）。

图3-2

图3-1

4　采用两端留有间隙的联轴节:

在风轮的主轴和发电机之间装上两端留有间隙的联轴节，可使发电机只受旋转的扭矩而不受轴向的推力，更好地保护发电机可靠地运转（如图4-1）。

图4-1

5　用尾舵结构代替偏航装置：    

结构简单的尾舵来对准迎风的方向（如图7-1）以提高风力机的效率。偏航装置也是此类功能，但结构复杂，不但容易出事故，还增加了制造成本。

6　底盘采用滚珠平面轴承结构：（如图6-1）

       图6-1

1.地脚螺钉。2.底盘上盖。3.底盘下盖。4.钢珠。

以承载风力机的所有零部件，这样风力机在尾舵的作用下能更灵活地对准迎风方向，并把风力机受到的侧推力平稳、可靠地传给地基。

优化风力机设计的总（概念）图：

 综上所述，归纳于下：

              图7-1  优化风力机设计总(概念)

1--底盘.  2--自动找中心滚珠轴承.  3--“拉伐耳喷管”. 4--中空的风轮主轴.  5--风轮.   6--滚柱径向推力轴承.  7--两端留有间隙的联轴节. 8--发电机.  9--尾舵装置.   10--桁架结构.  11--地脚螺钉.

参考文献

1.风力发电机组设计与制造　　机械工业出版社  姚兴佳 田  德  等编

2.新能源开发与应用　　电子工业出版社   于少娟  刘立群  贾燕冰  编著  

3.流体力学　　上海市物理学会  中学物理教学研究委员会编  

4.流体力学　　清华大学热能工程系  郑洽馀 鲁钟琪  主编

5.能源简明百科辞典　　中国石化出2017.版社  庞名立  崔傲蕾  编