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摘要：如何更經(jīng)濟(jì)地提高風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量是風(fēng)力發(fā)電的核心問(wèn)題之一。本文根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，研制了一種收縮噴管狀的“風(fēng)能密度增加裝置”；使風(fēng)吹到風(fēng)機(jī)葉片之前在風(fēng)速增加管中進(jìn)行加速，從而增加風(fēng)能密度。試驗(yàn)結(jié)果表明：出風(fēng)口處風(fēng)速是進(jìn)風(fēng)口的1.9倍，風(fēng)能密度提高為6.9倍，總動(dòng)能變?yōu)?.74倍。動(dòng)能的增加量是由于進(jìn)風(fēng)口處的部分壓力能轉(zhuǎn)化為出風(fēng)口處的動(dòng)能。由于風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量與風(fēng)能密度成正比，因此該裝置可以成倍的提高風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量。
論文關(guān)鍵詞：風(fēng)速增加管,風(fēng)能密度,收縮噴管,單機(jī)容量

　　0引言

　　風(fēng)能總量豐富，分布廣泛，開(kāi)發(fā)前景廣闊，近年來(lái)，成為新能源開(kāi)發(fā)利用的熱點(diǎn)之一。但由于能量密度很小，難以提高風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量[1]，不利于大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。目前風(fēng)能開(kāi)發(fā)主要集中在加大風(fēng)機(jī)直徑上，然而直徑超過(guò)一定值后，單機(jī)容量提高有限，安裝困難，成本大幅升高。

　　本文根據(jù)流體在收縮噴管中流動(dòng)時(shí)流速增加的原理，研制了收縮噴管狀的風(fēng)能密度增加裝置[2]，并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試試驗(yàn)。

　　1 設(shè)計(jì)方案

　　1.1裝置概況

　　機(jī)械部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，模型照片如

　　圖2所示。

　　整個(gè)裝置通過(guò)鋼繩3連接在牽引點(diǎn)1上，并通過(guò)支柱2使鋼絲的牽引力始終平行于風(fēng)速增加管5的軸線，使系統(tǒng)受力平衡；“田”字狀支撐架4用來(lái)連接牽引鋼絲和風(fēng)速增加管，同時(shí)承受鋼絲繩產(chǎn)生的指向風(fēng)速增加管軸線的力；采用過(guò)渡圓弧將風(fēng)速增加管與尾管連接起來(lái)，風(fēng)機(jī)安裝在尾管中；尾管、風(fēng)速增加管及支柱安裝在可移動(dòng)平臺(tái)上；可移動(dòng)平臺(tái)下面裝有萬(wàn)向輪，可以繞牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　

　　1.牽引點(diǎn) 2.支柱 3.牽引鋼絲 4.“田”字狀支撐架

　　5.風(fēng)速增加管 6.尾管 7.尾管支撐架 8.可移動(dòng)平臺(tái)

　　圖1 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2 模型照片

　　Fig.2. Photo of the model

　　1.2 方向控制

　　裝置的可移動(dòng)平臺(tái)可以繞牽引點(diǎn)旋轉(zhuǎn),當(dāng)風(fēng)向不垂直進(jìn)風(fēng)口平面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，整個(gè)裝置通過(guò)可移動(dòng)平臺(tái)繞牽引點(diǎn)自動(dòng)向最佳方位轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩者相互垂直。因此，此裝置具有自動(dòng)調(diào)向功能。

　　2理論計(jì)算

　　設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)功率為5MW（模型制作時(shí)，世界上單機(jī)容量最大的風(fēng)機(jī)[3]，直徑d=126m，達(dá)到設(shè)計(jì)功率時(shí)風(fēng)速v=8.54m/s），模型以該風(fēng)機(jī)為原型，按照1：210的比例制作，進(jìn)風(fēng)口直徑d1=0.6 m，出風(fēng)口直徑d2=0.3 m，管長(zhǎng)為L(zhǎng)=0.369 m，錐角θ=40°。裝置中鋼絲的牽引力等于風(fēng)對(duì)風(fēng)速增加管的作用力F。

　　2.1 鋼絲的牽引力計(jì)算

　　根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)，風(fēng)在風(fēng)速增加管內(nèi)的流動(dòng)可以看作一維定常管流，取進(jìn)口截面A1和一個(gè)出口截面A2之間的流體作為控制體，在A1、A2處速度分別為v1和v2，v1取8.54 m/s。

　　利用流體力學(xué)中的動(dòng)量方程[4]：

　　∑F=ρv2A2v2-ρv1A1v1 （1）

　　A=πd2/4

　　v1A1=v2A2 （2）

　　將式（2）代入式（1）式得：

　　F=1.29×1.29×8.54×0.2826×3×8.54=103 N

　　F實(shí)=103×210≈21kN

　　即正常使用時(shí)鋼絲只承受約21kN的拉力。

　　2.2 風(fēng)能損失計(jì)算

　　2.2.1 理論依據(jù)

　　將噴管中氣體流動(dòng)過(guò)程視為不可壓縮的一維等熵定常流動(dòng)，則可等價(jià)于氣體從很大的容器中經(jīng)過(guò)收縮噴管流出，如圖3所示。

　　

　　圖3 風(fēng)能損失計(jì)算模型示意圖

　　Fig.3. Schematic drawing of the measurement model for the loss of the wind energy

　　實(shí)際應(yīng)用中可忽略氣體溫度的變化，

　　即T2=T1；

　　由質(zhì)量守恒方程：

　　 因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中入口初速約為8.54m/s左右，預(yù)期加速倍率約為3-4倍。故可近似的認(rèn)為馬赫數(shù)Mkeyimg40.1，又根據(jù)（5）（6）（7）式，可近似認(rèn)為p = p0，ρ=ρ0 , vA=常數(shù)，即壓強(qiáng)、密度恒定。

　　2.2.1 損失計(jì)算

　　噴管中風(fēng)能損失，分為管壁摩擦引起的沿程損失和管道截面變化引起的局部損失兩部分。

　　a 沿程損失：

　　取長(zhǎng)度為dl的管長(zhǎng)，則由微分法有[5]:

　　

　　式中：——dl微段的沿程阻力系數(shù)，無(wú)因次量；

　　r——距入口l處噴嘴斷面的半徑，m；

　　——噴嘴出口斷面半徑，m；

　　——距入口l處斷面上平均流速，m/ s；

　　g——重力加速度；

　　由于隨r的變化而變化，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取（式中、分別為進(jìn)、出口處沿程水頭損失系數(shù)）。對(duì)上述微分方程從到積分：

　　

　　根據(jù)尼古拉茲試驗(yàn)結(jié)果，沿程阻力系數(shù)可按照尼古拉茲公式來(lái)計(jì)算：

　　式中：△為噴嘴材料的當(dāng)量粗糙度，對(duì)于塑料、橡膠等材料的噴嘴，△取0.02mm[6]。

　　

　　

　　系數(shù)k與θ的關(guān)系[8]見(jiàn)表1：

　　表1：系數(shù)k與θ的關(guān)系

　　Table 1 the relationship of the coefficient k and θ

　　

　　代入數(shù)值得：

　　ζ=0.455

　　

　　hw=hj+hf =2.03m

　　風(fēng)能損失（能量以單位時(shí)間計(jì)，下同）：

　　E0=hw×ρgvA= hw×ρg v1A1 =61.94J

　　式中：E0為損失的能量。

　　由風(fēng)能計(jì)算公式

　　E =ρAv3/2 （8）

　　風(fēng)速增加管出口處能量：

　　E2 =ρA2v23/2=1816.5J

　　風(fēng)能損失率:

　　δ= E0/E2×100%=3.41%

　　將表1中角度經(jīng)迭代計(jì)算，錐角為40°左右時(shí)，可使風(fēng)能損失總量降到最低。

　　2.3 風(fēng)能密度增加倍率及風(fēng)能計(jì)算

　　由風(fēng)能密度計(jì)算公式

　　W=ρv3/2 （9）

　　忽略一切損失，也不考慮風(fēng)速增加管對(duì)風(fēng)力場(chǎng)造成的影響時(shí)可得：W2=64W1

　　由式（8），進(jìn)出口處風(fēng)的動(dòng)能分別為：

　　E2=ρA2v23/2=1816.5J

　　E1=ρA1v13/2=113.5J

　　故E2=16E1

　　2.4計(jì)算結(jié)果分析

　　由以上計(jì)算可知：經(jīng)過(guò)風(fēng)速增加管后，由于部分壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，風(fēng)的動(dòng)能大幅度增加；沿程損失和局部損失造成的風(fēng)能損失相對(duì)于出風(fēng)口風(fēng)的動(dòng)能很小，約為3.41%，且局部損失占大部分。

　　3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

　　該實(shí)驗(yàn)利用工業(yè)電風(fēng)扇產(chǎn)生風(fēng)，將模型置于風(fēng)力場(chǎng)中（風(fēng)扇距離裝置的距離適當(dāng)），采用風(fēng)速儀測(cè)量進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的風(fēng)速，測(cè)量點(diǎn)分布如圖4所示。

　　由于測(cè)點(diǎn)較多，分布較均勻，近似以每個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度代替以測(cè)點(diǎn)為中心的一定區(qū)域的平均速度，測(cè)量

　　結(jié)果見(jiàn)表2和表3。計(jì)算進(jìn)出風(fēng)口的平均速度，進(jìn)而計(jì)算風(fēng)能密度及風(fēng)的總動(dòng)能。

　　

　　圖4 測(cè)量點(diǎn)分布

　　 Fig.4. Measurements distribution

　　表2 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速測(cè)量結(jié)果

　　Table 2 Measure result of speed of the wind in the air intake

　　

　　表3：出風(fēng)口風(fēng)速測(cè)量結(jié)果

　　Table 2 the measure result of the speed of the wind in the air outlet

　　

　　根據(jù)表1和表2求平均值得：

　　v1=3.1m/s，v2=5.9m/s，v2/v1=1.9

　　由式（9）求得進(jìn)出口的風(fēng)能密度：

　　W1=ρv 13/2=19.2J/m2

　　W2=ρv 23/2=132.5 J/m2

　　W2 /W1=6.9

　　由式（8）求得進(jìn)出口處風(fēng)的動(dòng)能：

　　E1=ρA1v13/2=5.43J

　　E2=ρA2v23/2=9.45J

　　E2/E1=1.74

　　由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可知：出風(fēng)口處與進(jìn)風(fēng)口處相比，風(fēng)速變?yōu)?.9倍；風(fēng)能密度變?yōu)?.9倍；總動(dòng)能變?yōu)?.74倍。

　　由試驗(yàn)結(jié)果可知：此裝置雖然是以流體力學(xué)中的噴管原理及連續(xù)性方程為依據(jù)制作的，理論上出口處風(fēng)速將變?yōu)檫M(jìn)口處的4倍；風(fēng)能密度變?yōu)?4倍；總動(dòng)能變?yōu)?6倍。但實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算還是有一定差距，這是因?yàn)轱L(fēng)通過(guò)此裝置時(shí)的流動(dòng)與流體在管道中流動(dòng)有較大的差異，原理相同而流動(dòng)情況并不完全相同。首先，風(fēng)需要經(jīng)過(guò)風(fēng)速增加管及牽引鋼絲，產(chǎn)生了一定的損失和阻力，其次，風(fēng)經(jīng)過(guò)此裝置時(shí)，并不完全等同于管道流動(dòng)，由于阻力而使風(fēng)力場(chǎng)發(fā)生了一定的改變，部分氣流可能從裝置的外部繞過(guò)，使得進(jìn)口風(fēng)速不均勻。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)測(cè)試結(jié)果，假設(shè)風(fēng)機(jī)能將流過(guò)它的風(fēng)能100%利用，在風(fēng)機(jī)直徑為0.6m，風(fēng)速為3.1m/s時(shí)，風(fēng)能為5.43J；而采用本文裝置，將風(fēng)機(jī)直徑縮小一半，而風(fēng)能仍能提高到9.45J，從而實(shí)現(xiàn)小直徑風(fēng)機(jī)，較高能量密度的風(fēng)能進(jìn)行大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電。因此，該裝置能減小風(fēng)機(jī)直徑，從而降低成本，增加風(fēng)能密度，獲取更多的能量，具有廣闊的應(yīng)用前景，良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。
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