基于地鐵風(fēng)能利用的微型風(fēng)力機結(jié)構(gòu)設(shè)計

程遠(yuǎn)建　張緣　陳博

摘 要：能源結(jié)構(gòu)中非化石能源占比逐漸提高，低碳化發(fā)展趨勢日益明確。新形勢下仍然要繼續(xù)堅持節(jié)能優(yōu)先，推動能源消費革命，加快能源向綠色低碳方向的結(jié)構(gòu)調(diào)整。本文提出對地鐵風(fēng)能的利用理念，利用地鐵運行時所引起的空氣流動，帶動特制微型風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)動發(fā)電。一方面為地鐵的照明提供部分電能，另一方面以這樣的形式宣揚低碳節(jié)能的理念。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道風(fēng)；扇形葉片；鏤空扇形葉片；扇形加套殼葉片

中圖分類號：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）16-0053-04

最近幾年，地鐵發(fā)展迅速。在地鐵站等候列車的時候，我們能夠感受到地鐵進站時的空氣流動。我們直接感受到的是已經(jīng)經(jīng)過屏蔽處理的地鐵風(fēng)，因此我們想到在地鐵站的隧道內(nèi)加裝微型風(fēng)力機，利用地鐵進站時引起的隧道風(fēng)帶動風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)動發(fā)電。劉煜煒[1]等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，高實度的扇形葉片適用于地鐵隧道環(huán)境。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，風(fēng)就很難通過實度這樣大的葉片，從而大量的風(fēng)從葉片外圍擾流，限制了風(fēng)能的捕獲效率。因此為了讓更多的風(fēng)從葉片表面經(jīng)過，我們采取兩種措施：一個是葉片后緣部位鏤空設(shè)計，讓風(fēng)從孔洞處流過；二是在葉片外圍加一個套殼，強迫風(fēng)從葉片流過。

1 地鐵風(fēng)特征

地鐵隧道內(nèi)，當(dāng)有列車經(jīng)過時，帶動的風(fēng)具有周期性和變化幅度大的特征。參考別的文獻(xiàn)[2]測得的數(shù)據(jù)：列車進站平均風(fēng)速為7.00m/s，出站平均風(fēng)速為5.40m/s。這組數(shù)據(jù)是在月臺上測得，列車處于低速狀態(tài)，且沒有屏蔽門，而在裝有屏蔽門的封閉軌道中，各項數(shù)據(jù)應(yīng)該大于測量值。平均風(fēng)速大于3m/s，因此地鐵隧內(nèi)的風(fēng)能有相當(dāng)利用價值。

2 地鐵隧道風(fēng)電利用可行性

地鐵隧道上部空間需設(shè)置提供給地鐵牽引力的電網(wǎng)或電柜和通風(fēng)控溫設(shè)備，所以只能利用地鐵隧道左右的空間。在地鐵站臺附近，據(jù)觀察南京地鐵S1號線，地鐵隧道寬度幾乎是地鐵軌道的三到四倍，因此左右的空間足夠安裝風(fēng)輪直徑為1米的風(fēng)力發(fā)電機。

地鐵運行的空氣阻力主要來源于正面與空氣擠壓的阻力，還有兩側(cè)的摩擦阻力，是空氣在車身表面產(chǎn)生的行駛方向的分力，盡占空氣阻力總額的9%。根據(jù)空氣阻

根據(jù)分析，在安裝風(fēng)力發(fā)電機后，由于阻力系數(shù)C，空氣密度和物體的迎風(fēng)面積S不變，正面的阻力幾乎沒有變化。[3]

3 地鐵隧道風(fēng)力機葉片設(shè)計

葉片優(yōu)化設(shè)計理論：風(fēng)力機是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為機械能進而電能的裝置，風(fēng)輪作為風(fēng)力機的關(guān)鍵部件，其葉片外部形狀直接決定風(fēng)力機的工作效率。參照傳統(tǒng)風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論[4]，對微型風(fēng)力機風(fēng)輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過改變微型風(fēng)力機風(fēng)輪的葉片形狀有效地增加風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到降低所需啟動風(fēng)速和提高風(fēng)輪的輸出功率的目的。

3.1 葉片優(yōu)化方案

3.1.1 扇形葉片

為了增加單個葉片在風(fēng)輪掃掠面上的投影面積，由已有研究，用無扭轉(zhuǎn)矩形葉片代替?zhèn)鹘y(tǒng)葉片以達(dá)到預(yù)想效果。同時為了減少微型風(fēng)力機正常運轉(zhuǎn)時的噪聲，根據(jù)Duquette的發(fā)現(xiàn)，需要通過降低風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。風(fēng)輪的葉尖線速度與來流V的比值為葉尖速比，葉尖速比為

因此可以通過選擇較低的也加速比，來限制微型風(fēng)機的轉(zhuǎn)速n。擬定風(fēng)輪的葉尖速比為2～3之間（約為傳統(tǒng)風(fēng)機的一半），并根據(jù)風(fēng)輪也加速比與葉片數(shù)的關(guān)系[6]確定葉片數(shù)為6片。

此外為了進一步增加矩形葉片風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲能力，從葉片的形狀方面對其結(jié)構(gòu)進行改進，得到了扇形葉片風(fēng)輪結(jié)構(gòu)[7]。以上述研究為基礎(chǔ)，本文以扇形葉片作為本體，為了避免葉片投影面積的重合，在扇形葉片的葉根和葉尖處施加不同的扭轉(zhuǎn)角度。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

扇形葉片的相關(guān)參數(shù)見表1。

3.1.2 扇形鏤空葉片

常規(guī)葉片受到支撐材料強度的限制，為了保證安全運行，傳統(tǒng)葉片通常實度很小，致使大量的風(fēng)從葉片的空隙穿過，使風(fēng)能不能更大限度地利用[2]。初衷是不僅要把葉片做的多且大，而且還要能保證剛度強度要求。基于此對扇形葉片進行優(yōu)化，因此本文在研究過程中首先對上文提到的扇形葉片做應(yīng)力分析。發(fā)現(xiàn)扇形葉片的前緣收到的應(yīng)力是后緣的3～5倍，且后緣處的應(yīng)力較小區(qū)域呈現(xiàn)出三角形分布。詳見圖2。

因此鏤空部位不能設(shè)置在前緣部分，否則在同樣的材料和工況下，前緣更容易折斷或開裂。綜合上述考慮本文在單個扇形葉片的后緣處添加呈三角形的鏤空孔洞設(shè)計。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了證實扇形鏤空葉片的應(yīng)力分布符合最初設(shè)想，本文對扇形鏤空葉片同樣做了應(yīng)力分析，其結(jié)果和最初設(shè)想的一樣，詳見圖4。

由此可見，在扇形葉片后緣處加鏤空設(shè)計是安全、有效的辦法。

3.1.3 扇形加套殼葉片

因為在地鐵隧道內(nèi)，風(fēng)輪面的面積相對于地鐵隧道的截面積過小，在開放式的站臺氣流的散逸情況比較嚴(yán)重[3]，因此給扇形葉片加裝套殼，強制風(fēng)流向風(fēng)輪面。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 建模過程

流場網(wǎng)格劃分，內(nèi)流場圓柱半徑R=170mm，厚度200mm；外流場，在風(fēng)輪前1.5倍風(fēng)輪直徑即L1=450mm，在風(fēng)輪后7.5倍直徑即L2=2250mm，外流場圓柱R=600mm；對于加套殼的扇形葉片風(fēng)輪，內(nèi)流場R=200mm，厚度300mm，套殼的尺寸R=170mm，厚度200mm。

網(wǎng)格用ICEM-CFD軟件自動劃分，對葉片與套殼部分添加邊界層網(wǎng)格，并對內(nèi)流場和外流場進行尺寸控制。網(wǎng)格外圍稀疏，葉片附近較密，總網(wǎng)格數(shù)80萬。平均網(wǎng)格質(zhì)量（Element Quality）為0.87；扭曲因子（skewness）小于0.4的網(wǎng)格占95%，質(zhì)量良好。鏤空葉片因為存在過多孔洞細(xì)節(jié)，而采用對單葉片進行仿真。因為本文的模擬仿真采用的是穩(wěn)態(tài)分析，沒有考慮葉片在旋轉(zhuǎn)過程中相互的干擾，因此研究單個葉片，之后乘以葉片數(shù)得到整個葉輪的效果。三個類型葉片之間具有可比性。流場網(wǎng)格劃分見圖6。endprint

3.3 計算過程

分別針對入流風(fēng)速為5m/s，10m/s時的不同轉(zhuǎn)速下進行仿真，求得轉(zhuǎn)矩，用轉(zhuǎn)矩乘以當(dāng)前角速度便可得到功率。下面進行結(jié)果分析。詳見圖7～10。

由風(fēng)速為5m/s的三種葉片轉(zhuǎn)矩和功率對比圖可以看出，鏤空扇形（綠色菱形曲線）葉片的捕風(fēng)效果最好；扇形加套管葉片（紅色圓圈曲線）捕風(fēng)性能略高于普通扇形葉片，不及鏤空扇形葉片。

當(dāng)風(fēng)速為10m/s時，一般翼型在轉(zhuǎn)速為50rad/s時失速，鏤空葉片在轉(zhuǎn)速為90rad/s時才發(fā)生失速；而且上述5m/s情況下的結(jié)論在10m/s的情況下同樣成立。因此可以得到以下結(jié)論：對于某一類型的葉片，外加套殼能夠在一定程度上增加風(fēng)能利用，將其鏤空，葉片捕風(fēng)效果提高更加明顯。

此外，為了進一步確認(rèn)我們的設(shè)想。我們對三種結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪進行流量監(jiān)測，當(dāng)風(fēng)速為10m/s、旋轉(zhuǎn)角速度為50rad/s時，測得流過葉片掃略面的流量（kg/s）分別為：1.0182， 3.14802，0.98491。此結(jié)果說明鏤空葉片能夠使得通過的流量增加。

計算所得流場速度分布（V=10m/s，ω=55rad/s）。分別對比扇形葉片和加套殼的扇形葉片的流暢速度分布圖，此時兩種葉片都已失速。可以明顯看出，外加殼套對流場擾動很大，反而限制了風(fēng)能的吸收。同時也說明，加殼套只在低風(fēng)速、低轉(zhuǎn)速的情況才會對風(fēng)能利用率有微小的提高。

4 結(jié)語

通過本篇論文研究，得出在已有微型風(fēng)力機葉片模型的基礎(chǔ)上，加套管和增加葉片后緣處的鏤空設(shè)計都可以提高風(fēng)能利用率。但加套管的效果不如鏤空設(shè)計，且只適用于低風(fēng)速、低轉(zhuǎn)速工況。對于鏤空葉片具體參數(shù)，比如鏤空部分的大小，位置，形狀等參數(shù)的優(yōu)化有待進一步研究。對于鏤空和加套殼的結(jié)合模型可以在今后的研究中考慮。

由本文的研究，筆者做出以下設(shè)想?？梢愿鶕?jù)不同葉片性能和設(shè)計工況，考慮兩級葉片合并使用。普通葉片在低轉(zhuǎn)速的時候轉(zhuǎn)矩大，因此容易啟動，也就是能夠利用低風(fēng)速區(qū)域，彌補扇形鏤空葉片的不足；而高風(fēng)速區(qū)域普通葉片容易失速，轉(zhuǎn)矩迅速減小，因此可以將普通葉片和扇形鏤空葉片結(jié)合，作為兩級葉片工作使用?？梢愿玫剡m應(yīng)地鐵隧道的忽大忽小風(fēng)況，進一步提高效率、經(jīng)濟性。

參考文獻(xiàn)

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