□ 徐麗娜 □ 劉海華 □ 趙 獻 □ 孫 慧

1.包頭職業(yè)技術學院 車輛工程系 內蒙古包頭 014030

2.包鋼集團公司 運輸部設備科 內蒙古包頭 014010

3.包鋼集團公司 運輸部機運車間 內蒙古包頭 014010

4.包頭職業(yè)技術學院 數(shù)控技術系 內蒙古包頭 014030

隨著風力發(fā)電機日益發(fā)展的成熟，風力發(fā)電機不斷向大型的趨勢發(fā)展，為了風力發(fā)電機的安全和平穩(wěn)運行，制動裝置是必不可少的。風力發(fā)動機制動裝置是風力機在遇到大風或維修時，使風輪達到靜止或降速的系統(tǒng)，制動裝置大體可以分為空氣動力制動和機械制動兩大類。《風力發(fā)電機組——第一部分安全要求》（IEC61400-1）和 《風能轉換系統(tǒng)的認證準則》（GL）標準要求風力發(fā)電機組至少有一套制動系統(tǒng)作用于風輪或低速軸上，而1992年的丹麥標準DS472進一步要求必須有一套空氣動力制動系統(tǒng)［1］。在實際應用中，空氣動力制動和機械制動兩種都要提供，因為機械制動器的功能是使風輪靜止，即停車。而空氣動力剎車并不是使風輪完全靜止下來，只是使其轉速限定在允許范圍內。空氣動力制動性能優(yōu)于機械制動，所以通常風力機停機時，都優(yōu)先選擇空氣動力制動［2］［3］。 本設計中的帶有擾流器的葉片即為采用空氣動力制動原理的一種新型葉片，并已于2012年8月獲得國家實用新型專利。

1 結構設計

▲圖1 普通葉片圖

▲圖2 帶有擾流器的葉片圖

▲圖3 帶有擾流器的葉片主體部分立體圖

目前，大部分風力發(fā)電裝置中的葉片都是作為一個整體而出現(xiàn)，如圖1所示，葉片在遭遇強風襲擊下，很難保證自身及整個機組的安全，即使有制動、限速裝置，也多為額外添加的液壓、氣壓等制動裝置，結構復雜，維修保養(yǎng)困難，且不能根據(jù)具體的風速來調整限速效果。圖2所示的葉片不是一個整體，分為主體部分和葉尖部分，其主體部分與葉尖部分是可分離的。

圖3即為葉片主體部分的立體圖，在葉片主體部分靠近葉尖的一端，先從端部加工一個有一定深度的矩形槽，在矩形槽終止的截面處繼續(xù)向里加工2個圓柱孔，孔徑小于等于矩形槽的槽寬，如圖4所示，2個圓柱孔是用來安放2根彈簧的，彈簧的一端與圓柱孔底面固連，另一端與擾流器相連。矩形槽就是用來存放擾流器的。

▲圖4 帶有擾流器的葉片主體部分圖

▲圖5 擾流器裝配立體圖

▲圖6 擾流器裝配圖

▲圖7 中間擋板

▲圖8 葉尖部分與擾流器連接圖

在圖5、圖6中，擾流器是由中間擋板（1個）、彈簧擋板（3對）及數(shù)根彈簧組成。彈簧一端固定于中間擋板的上、下槽底面，另一端與彈簧擋板連接。

圖7是中間擋板的具體結構，中間擋板的左邊壁厚稍薄，并在靠近上、下槽底面處加工2個圓柱孔，用來穿鋼絲與葉尖部分相連。圖8是葉尖部分與擾流器的連接圖，用數(shù)根鋼絲一端固定于葉尖內部，另一端穿過中間擋板的兩個圓柱孔，分別向上、向下折彎，緊靠在中間擋板上、下槽的左側面，由于有彈簧擋板的壓迫作用，使鋼絲很難拉直，造成葉尖部分與中間擋板分開?；虼颂幉捎闷渌绞竭B接，如焊接等。

中間擋板的右邊壁厚突出較多，右邊突出部分主要是用于擾流器工作時（即從矩形槽中伸出時），中間擋板還有一小部分留在矩形槽中，以形成和矩形槽的剛性連接，否則，在強風的作用下，擾流器起不到擋風的作用，而是被風吹得傾斜一邊。而中間擋板右邊連接的是葉片主體中安放的2根彈簧。

彈簧擋板在從中間擋板中伸出時，也要有一小部分并未完全伸出中間擋板。否則，在強風作用下，彈簧擋板起不到擋風的作用，而是被風吹得傾斜一邊。

2 設計原理與工作原理

▲圖9 擾流器工作圖

風力發(fā)電機工作時，當風速在某一特定范圍時，葉片正常轉動，葉片的葉尖部分與主體部分緊緊挨住連成一體，形成一個完整的葉片。當風速超過某一特定范圍時，葉片轉動速度升高，從而產生的離心力較大，當離心力大于葉片主體中2根彈簧的彈簧拉力時，整個擾流器連同葉尖部分都要向離心的方向逐漸甩出，這時葉尖部分與主體部分脫離，而擾流器也開始工作。擾流器的中間擋板逐漸向外伸，第一對彈簧擋板由于不受葉片主體的壓迫，在數(shù)根彈簧的彈簧力作用下伸出中間擋板。當風速繼續(xù)增大，中間擋板繼續(xù)外伸，以至于第二對彈簧擋板也脫離壓迫，從中間擋板中伸出，擋風面積也繼續(xù)增大。風速再增大，第三對彈簧擋板亦伸出，擋風面積達到最大，如圖9所示。

風速降低時，離心力減小，在彈簧的拉力作用下，擾流器連同葉尖部分開始回收，彈簧擋板上有很大的圓弧角，葉片主體部分的矩形槽上、下邊亦有圓弧角，目的是為了更容易壓縮彈簧擋板回到中間擋板的槽中，而不至于卡死在葉片主體的外面。最終彈簧擋板縮回中間擋板中，跟隨中間擋板一起回到葉片主體的矩形槽中，葉尖與主體部分又連為一體，正常工作。也就是當擾流器工作時，即連帶葉尖部分遠離葉片主體時，彈簧擋板在離心力作用下從中間擋板中伸出，當擾流器不工作時，即擾流器收縮回到葉片主體的矩形槽中時，彈簧擋板壓縮彈簧回到中間擋板的槽中。

擾流器各部分具體的尺寸可根據(jù)葉片大小而定，彈簧的根數(shù)及彈簧擋板的對數(shù)亦可視具體情況而定。

3 結論

在本設計中，葉片自身即可限速，無需額外加限速裝置，結構簡單，維修方便。在擾流器中，由于應用了幾對彈簧擋板，擾流器的擾流面積是隨著風速增大而增大，這就使風力機的工作效率始終達到最佳狀態(tài)，具有智能調節(jié)功能，避免了風速稍高一點即加以擾流而降低了風能利用效率，以及風速繼續(xù)增大卻對限速無能為力的情況。另一方面，有了可伸出的彈簧擋板，使擾流器的擋風面積增大，在強風作用下，該擾流器具有更明顯的限速效果。

［1］ 吳雙群,趙丹平.風力發(fā)電原理［M］.北京:北京大學出版社,2011.

［2］ 宮靖遠.風電場工程技術手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2004.

［3］ 郭新生.風能利用技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社,2007.