第7届节能减排竞赛三等奖作品说明书--一种双螺旋型风雨发电装置

1、一种双螺旋型风雨发电装置设计说明书摘要：提出了一种双螺旋型风雨发电装置，螺旋型叶片轴与风雨方向成一定的角度，螺旋叶片扭转角度不受180°的限制。不仅能利用风能，还能利用雨水的能量。可用于风雨发电，也可应用于实验室演示其转动原理。首先软件分析，计算叶片轴与流体的理论最佳角；然后制作一套实体模型，在不同来流角条件下做实验，对数据进行分析，得出实际条件下叶片转动与来流角的关系；最后，分析误差原因，给出优化建议。关键词：双螺旋型；风力发电；雨水发电1 引言本作品涉及一种新型双螺旋型风雨发电装置，可以利用风能和雨水能。项目主要工作在于研究新型叶片接收风雨时的转动机理及与流体的最适夹角，并制作出

2、可调倾角双螺旋型发电装置。在国内属首次提出，发电效率较高，很有可能是今后实验室研究的对象之一，有迅速发展的趋势。2 研究背景2.1 风力发电领域目前所利用和研究的风力发电机型式主要有水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类，垂直轴风力发电机分为升力型风力发电机和阻力型风力发电机两类1。与水平轴风力发电机相比，阻力型垂直轴风力发电机具有结构简单、便于维护、对风向无要求、启动力矩大、噪声小、对生态影响小等优点。升力型垂直轴风力发电机还具有尖速比高、风能利用率高等优点。因此，垂直轴风力发电机具有更加广阔的使用空间，尤其适用于家庭用小型发电。双螺旋型（也称为双“S”型）风力机不但靠阻力旋转，还具有部分升

3、力作用，兼具升力型和阻力型风力机的特点2。因此双螺旋型风力机是被广泛研究和利用的风力机。传统双螺旋型风力机叶片扭转角度均不超过180°，如图2-1，否则大于180°的叶片部分将会产生相反的作用。因此，叶片的尺寸受到很大的限制，发电量也会受限制。图2-1 传统双螺旋型风力机2.2 雨水发电领域与风相似，雨水也是一种清洁的可再生能源，它同样蕴含巨大的能量。雨由于具有比风大得多的密度，在下落过程中，具有比较大的动能。由于雨不像风一样几乎每天都有，雨水发电一直未被普遍重视。目前所用到的雨水发电，也主要是收集后利用其势能，雨水的动能则很少被利用。专利“复合型风力发电装置”（申请号20

4、1010608324.5）提出一种升阻复合型垂直轴风力发电机3，其不足之处是：（1）螺旋叶片接收风的有效面积小；（2）螺旋叶片扭转角度最高是180°，整个装置的高度受到限制；（3）不能利用雨水能。专利“风雨水能发电装置”（申请号201010275717.9）提出一种可以同时利用风能和雨水能的复合发电装置4，雨水在楼顶容器中汇集，雨水下落时机械能带动发电机转动。其不足之处是：（1）部分装置必须安装在楼顶，而楼顶的风由于受到楼群的干扰，很不稳定；（2）只利用了收集后雨水的势能，并未利用雨水的动能。3工作原理图3-1 不同距径比、不同来流角的双螺旋叶片三维示意图上图中L=PD式中：图3-2

5、 双螺旋叶片的螺距与直径P双螺旋叶片的螺距D双螺旋叶片的直径L距径比双螺旋叶片轴与流体的夹角图3-3 最大投影面积差的来流角与距径比的关系对于确定了距径比L的双螺旋叶片，假设流体流动方向为垂直本文档向里，随着螺旋叶片轴与流体流动方向的夹角的不断变化，螺旋叶片在轴线两端产生投影面积的差值先增大后减小。随后，投影面积差值虽然变小，但风（雨）在螺旋叶片上的垂直分量增大，而且随着夹角的减小，每一微小体积的风作用在螺旋面上的时间延长。据此预测，使双螺旋叶片转速最高的最佳来流角小于上述来流角。下落的雨水直接作用在螺旋叶片上，随后，汇集在螺旋叶片表面上的雨水不会马上脱离螺旋叶片，而是被引导着流经整个螺旋叶片

6、。雨水随螺旋叶片旋转下落时部分重力势能转化为动能作用在螺旋叶片上，产生对叶片轴的力矩，从而利用雨水的动能和势能。4 方案设计及实物制作一种新型风雨发电装置，如图4-1，采用螺旋型装置叶片轴倾斜的形式，能够利用风和雨水的能量。装置主要包括双螺旋叶片装置和角度调节装置等。图中：1.双螺旋叶片；2.叶片固定板；3.发电机套筒；4.轴承套筒；5.直连杆；6.弯曲连杆；7.滑动连杆；8.连杆夹套；9.铰链底座；10.连杆底座；11.丝杆导轨；12.滑块；13.叶片轴。图4-1 方案平面示意图4.1 双螺旋叶片装置对于双螺旋叶片，可以首先基于SolidWorks，确定单螺旋叶片的平面展开图5确定单螺旋尺寸

7、，根据计算结果下料，制作出单螺旋叶片，再由两个单螺旋叶片组合成双螺旋叶片。图4-2 一个导程单螺旋叶片平面展开图R=bL1L1-L2，r=bL2L1-L2，b=D-d2，=L1R×360°=L1-L2b×360°式中：L1、L2单螺旋平面展开图外、内圆弧长度D、d双螺旋叶片的外、内双螺旋叶片的径R、r单螺旋平面展开图外、内圆弧半径单螺旋平面展开图切口角度虽然上述单螺旋面的平面展开理论已经成熟，但在没有成型机器的条件下加工的螺旋面极易出现变形。况且在没有专业机器的条件下，两个单螺旋与叶片轴的连接也是很难解决的一个问题。鉴于上述问题，螺旋叶片采用一次折叠扭转

8、成型的方法，如图4-3。依据该方法制作的螺旋叶片如图4-4，其具有成型好、柔韧型好的优点，能很好地固定于叶片轴上，基本达到了预期的效果。 图4-3 扭转后三维示意图图 4-4 叶片装置制作完成图依据该方法，材料宽度等于双螺旋面的直径，长度原理上等于单螺旋线的长度。如本作品实物模型所设计的螺旋面直径D =30，高H=720，螺距P=240，则b=D=30，L=HP(D)2+P2=733.7式中： b螺旋面材料原宽，mm L螺旋面材料原长，mm4.2 角度调节装置角度调节包括水平平面及竖直平面上的调节。竖直平面的角度调节装置主要是四连杆机构，调节螺旋叶片叶片轴在竖直平面的倾斜角度。使螺旋叶片叶片轴

9、与风或雨的方向能在0°,90°区间内变化，可以测出螺旋叶片以不同角度迎风（雨）时的转动参数。水平面角度调节装置包括转盘和尾翼，尾翼能自动对风，使整个装置在水平面可以360°旋转，不管风的方向如何，一直以最佳角迎风。4.3 实物制作及初步测试在实物制作过程中，使用了车、铣、钳、焊、激光切割、3D 打印等制作方法。完成装配后，螺旋叶片装置与水平面及竖直平面的夹角均可调节，如图4-6，整个装置稳固，运行平稳。图4-6 装置制作完成图实物模型完成装配后，进行了室外风测试、室内风测试、室内模拟雨水测试（由于实验条件的限制，雨水发电只做了测试，暂未做实验）。以装置发出的电点亮

10、的灯泡数量和亮度为参考，初步观察实物模型装置的发电效果。风速8m/s时，叶片旋转速度约120 r/min。 图4-7 室内风测试 图4-8 室内模拟雨水测试5 最佳来流角的确定首先基于ansys对数字模型模拟分析，给定不同来流角，直接计算出各来流角条件下双螺旋叶片的转矩。然后使用制作出的实体模型，在与软件模拟相同来流角条件下测试各组数据，验证模拟计算结果。5.1 模拟计算最佳来流角主要与距径比L有关，还应该考虑螺旋叶片的制造方法、横截面的具体参数、表面粗糙度等因素。该数字模型与实物模型尺寸相同，即高度H=720，螺距P=240，直径D=300。但数字模型是理想模型，即表面光滑，受力时不产生变形

11、。计算过程如图5-2。软件模拟直接计算出各来流角条件下双螺旋叶片的转矩T1，功率P1是由公式 P1=nT19.55计算得出的。式中：P1理论功率，WT1软件模拟条件下的理论转矩，Nmn叶片转速，r/min其中n取实物测试过程中最大值的平均值，约120 r/min。图5-1 风轮流场计算域的生成图5-2 静压正压区及其速度矢量表5-1 软件模拟计算结果来流角/°051015202530354045转矩T/Nm1.6641.6881.7841.8561.8721.7921.7281.6321.5441.456功率P/W20.90921.21022.41723.32123.52322.51

12、721.71320.50719.40118.295来流角/°505560657075808590转矩T/Nm1.3121.1361.0560.9520.7360.5920.4480.2880功率P/W16.48614.27413.26911.9629.2487.4395.6293.6190根据表1模拟计算结果，绘制软件计算条件下转矩与来流角的关系曲线，如图5-3，功率随来流角的增大，先增大后减小到0，最大值出现在来流角20°左右，最大转矩1.872Nm，最大功率23.523W。图5-3 软件计算条件下转矩与来流角的关系5.2 风力实验由于没有风洞试验室，实验是在走廊处进行的

13、，风源是工业风扇。排除行人干扰及外部自然风的干扰后，来流角每隔5°测1组数据，每组测4次，除去与其他3组有较大偏差的1组数据，再对另外3组数据求平均值。图5-4 实验过程表5-2 实验结果来流角/°051015202530354045转矩/Nm0.590.590.6180.650.630.590.580.510.510.48功率P7.367.477.778.137.947.47.36.436.466.09来流角/°505560657075808590转矩/Nm0.470.380.3360.280.250.20.170.100.04功率P5.854.754.223.

14、463.082.472.181.250.47根据实验数据，绘制功率与来流角曲线关系图，如图8，曲线走向与软件模拟计算结果大致相同实验数据最大值在15°左右，最大转矩为0.65Nm，最大功率为8.13W。n取实物测试过程中最大值的平均值，约120 r/min。图5-5 实验条件下功率与来流角的关系5.3 误差分析及理论方案优化5.3.1 误差分析最佳来流角的实验结果与软件计算结果基本一致，在此，以软件模拟计算结果20°为准。误差的主要原因有：（1）实物模型的双螺旋叶片不是理想的螺旋面，表面不平滑，受力时微量变形；（2）实验不是在风洞实验室做的，实验条件不标准。在转动功率方面，实验值与理论值相差较大，实验值是理论值的34.56%，即理论值比实验值大200%左右。主要原因有：（1）实物模型的双螺旋叶片不是理想的螺旋面，表面对风的流动有比较大的影响；（2）实物模型各零部件的连接部分摩擦比较大；（3）实验不是在风洞实验室做的，实验条件不标准。5.3.2 理论方案优化由于制作条件的限制，螺旋叶片与标准螺旋面有一定的差别，导致实验结果与理论结果有较大的偏差。若该作品能推广应用，则螺旋叶片应该使用浇铸、机器成型等制作方法，尽量减少误差。更可信的实验结果应该在风洞实验室中进行实验。在机构方面，尽量减少摩擦损失。6 创新点及应用前景作品主要创新点：（1）涉