上海市老科学技术工作协会造船专业委员会
 

优化风力发电机设计的思考

发表时间:2019-04-06 09:05作者:推送/龚镇来源:邮箱LJB 190404


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。到20177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。向风中取电的指示本文仅对现今主流最常见的水平轴三叶桨的风力(如图0-1的设计作一些优化的尝试。仅是本人的一家之言之处望各位专家予以指教

                                                       

1 风轮前加装 伐耳喷管

(如图1-1

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风的功率便增加为原来功率的8当风速增大为3倍时风的能量便增加为原来的27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,a=1/3, 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

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         1-2

拉伐耳喷管”,是由一定形状的渐缩管和渐扩管成。如图1-2所示

根据流体力学原理通过管内任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*V=S*V

所以

                           S/S=V/V

其中

S-----喷管前端流通面积 m²  

S-----喷管后端流通面积    

V-----喷管前端的空气流速m/s  

V-----喷管后端的空气流速 m/s

很显然可以通过改变S/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喉部气体的流速等于1个马赫数Ma=1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 /S =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)。

3-2


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)。

                                 


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



       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


 综上所述归纳于下




优化措施

预期效果
     1
风轮装于拉伐耳喷管
1.1


1.2
如果S/S=2~3,则风的功率为8~27
风轮的直径缩小转速增加取消增速齿轮
 2
主轴由悬臂改为简支梁。
2
受力合理运转可靠
 3
采用两端有间隙的联轴节
3
发电机不受轴向推力
 4
塔架采用桁架结构
4
受力合理,降低成本
 5
尾舵结构替代偏航机构
5
构造简化
 6
底盘采用平面轴承结构
6
更灵活地对准来风风的推力更稳地传递到地基




              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    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 鲁钟  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