垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用

朱巍晶( 上海華貽電力市政建設(shè)工程有限公司， 上海 201603)

1 傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的缺陷

風(fēng)能作為一種可再生、無污染的新能源，既節(jié)能減排、節(jié)約環(huán)保又無后期大量電費支出，因而被廣泛應(yīng)用。小型微風(fēng)發(fā)電機由于性價比高，所以能夠走進千家萬戶；還可與太陽能資源進行互補，并在短時間內(nèi)收回投資。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機由于結(jié)構(gòu)的新穎性受到用戶青睞，在公園、景區(qū)被大量采用。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機葉片安裝普遍采用懸臂式長軸結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)

但是，這種傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機存在以下的技術(shù)問題及缺點。

（1）懸臂式長軸結(jié)構(gòu)的外伸端長度與插入端（發(fā)電機軸承間距離）長度之比高達 15∶1 以上。因此，由葉片重力和葉片旋轉(zhuǎn)徑向力將會產(chǎn)生很大的附加彎矩。這種結(jié)構(gòu)的葉輪結(jié)構(gòu)剛性差，運行平穩(wěn)性差，而且附加彎矩會直接影響發(fā)電機的運行效率和運行壽命。

（2）懸臂式長軸結(jié)構(gòu)裝配工藝性差，如軸承安裝、定子引線焊接及發(fā)電機上下蓋裝配等，均不方便操作，難以保證裝配質(zhì)量，維修則更為困難。

（3）懸臂式長軸結(jié)構(gòu)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)尺寸龐大，而且質(zhì)量分布不均衡。由于包裝運輸采用的整體結(jié)構(gòu)尺寸過于龐大，所以運輸過程中很容易發(fā)生側(cè)翻，以及發(fā)電機主軸變形等事故?，F(xiàn)場安裝時，整體吊裝或分體吊裝、安裝均不方便，很容易發(fā)生人身事故。

（4）懸臂式長軸由于長徑比太大，所以細長軸加工工藝性差，加工成本高，無論裝配、運輸、安裝及運行都很容易產(chǎn)生彎曲變形。

（5）為了改善裝配工藝性，方便裝配運輸和安裝，有些垂直軸風(fēng)力發(fā)電機外伸軸采用分段加長方法及結(jié)構(gòu)，這種加長結(jié)構(gòu)雖然解決了上述裝配工藝性及裝配、運輸、安裝過程的問題，但在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能方面依然無法改變固有的技術(shù)缺陷，反而由于加長軸結(jié)構(gòu)剛度遠低于整體軸，所以運行平穩(wěn)性更差，而且產(chǎn)生的徑向力及附加彎矩更大。

綜上所述，傳統(tǒng)懸臂長軸結(jié)構(gòu)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的主要技術(shù)問題及缺點可歸結(jié)為：結(jié)構(gòu)剛度差，運行效率及運行壽命低，加工裝配安裝工藝性差。隨著風(fēng)力發(fā)電機功率的增大，上述缺陷將變得更為突出。

2 負載平衡式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機

針對上述技術(shù)缺陷，提出了一種新型負載平衡式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪機葉片和永磁發(fā)電機質(zhì)心與發(fā)電機主軸長度中心處于同一平面，質(zhì)量分布均勻，且懸臂長度可縮小一半以上。因此，可以從結(jié)構(gòu)上使風(fēng)輪機在受力狀態(tài)下產(chǎn)生附加徑向力及彎矩減小或平衡，結(jié)構(gòu)剛性大為改善，無論裝配運輸及安裝工藝性能均較傳統(tǒng)懸臂式結(jié)構(gòu)大為改善。

通過創(chuàng)新設(shè)計制造的負載平衡式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機相比，可以更有效地平衡和減少運行過程中徑向力和附加彎矩對發(fā)電機性能及壽命的影響，而且風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)剛性好，運行平穩(wěn)，如圖2 所示。

圖2 負載平衡式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理

負載平衡式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機動力傳遞部件主要包括固定主軸、發(fā)電機上蓋、發(fā)電機下蓋、上下回轉(zhuǎn)體套筒、上下聯(lián)軸器、風(fēng)葉固定桿及風(fēng)葉組成。其結(jié)構(gòu)采用軸向?qū)ΨQ式布局結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)運行時，在風(fēng)力作用下，風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，通過葉片固定桿分別作用于上下回轉(zhuǎn)體套筒，帶動其同步旋轉(zhuǎn)；通過上下聯(lián)軸器同時驅(qū)動上下蓋繞固定主軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能。

2.2 主要結(jié)構(gòu)及特點

2.2.1 負載平衡式總體結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)采用軸向?qū)ΨQ式佈局，風(fēng)葉與發(fā)電機相對固定主軸軸向?qū)ΨQ安裝。風(fēng)葉分別固定在發(fā)電機上下兩邊的回轉(zhuǎn)體套筒上。由于懸臂長度短，可有效減小及平衡由徑向力和葉片重力產(chǎn)生的附加彎矩。同時這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪機連接剛度高，運行平穩(wěn)。因此，這種結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，可以提高發(fā)電機的平穩(wěn)性、運行性能及壽命。

2.2.2 對稱式雙回轉(zhuǎn)套雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)風(fēng)葉上下兩端分別固定在對稱的上下回轉(zhuǎn)套上，回轉(zhuǎn)套采用雙軸承與固定主軸連接，當風(fēng)葉轉(zhuǎn)動時，上下回轉(zhuǎn)套同步轉(zhuǎn)動。通過上下兩對聯(lián)軸器同步驅(qū)動發(fā)電機上下蓋同步旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能。該結(jié)構(gòu)采用雙軸承回轉(zhuǎn)套結(jié)構(gòu)，連接剛性好。傳統(tǒng)懸臂長軸垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能傳遞工程是通過驅(qū)動上蓋，再通過上下蓋連接螺釘產(chǎn)生摩擦力帶動下蓋同步轉(zhuǎn)動。這種結(jié)構(gòu)則是采用上下蓋同時雙驅(qū)動模式，扭矩傳遞過程的機械效率高，連接螺釘受到的附加載荷小，運行安裝更可靠。同時上下蓋套筒采用雙軸承結(jié)構(gòu)，風(fēng)葉連接剛性好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性大大提高。固定主軸可采用厚壁鋼管加工，由于固定主軸長度減小，其剛性高，所以加工工藝性能好，且加工成本也大大降低。主要動力部件采用對稱式布局，外形結(jié)構(gòu)尺寸小，重心分布合理，改變了傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機“頭重腳輕”，重心不穩(wěn)的弊端。這種結(jié)構(gòu)可以采用整體式運輸及安裝，運輸成本低，安裝方便；發(fā)電機安裝在固定主軸的對稱位置上，由于懸臂短，因此大大改變了電機裝配性能和可維修性能。

3 風(fēng)輪機與發(fā)電機一體式結(jié)構(gòu)的缺陷

傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機普遍采用風(fēng)輪機與發(fā)電機一體式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在以下問題和缺點。

⑴ 外伸軸在運行過程中承受較大徑向力及附加彎矩，而這種負載力最終必然會傳遞到發(fā)電機軸承，造成軸承松動，甚至損壞，從而影響發(fā)電機運行效率，縮短發(fā)電機的運行壽命。

⑵ 由于外伸軸比較長，所以在運行過程中由于徑向力和附加彎矩作用會產(chǎn)生一定彈性變形，導(dǎo)致傳遞到電機外殼的負載既包括有效扭矩也包括部分徑向力，會直接影響發(fā)電機的運行性能及壽命。

⑶ 外伸軸長度通常比較大（如 1 kW 外伸長度在1.4～1.8 m），因此整機裝配過程復(fù)雜、效率低，包裝運輸麻煩且安裝困難。

⑷ 一體式結(jié)構(gòu)不論是發(fā)電機部分還是風(fēng)輪機部分出現(xiàn)故障，往往需要全部拆除方能進行零部件更換，維護性能差。

⑸ 為了方便裝配及運輸，有些垂直軸風(fēng)力發(fā)電機外伸軸采用分段加長方法及結(jié)構(gòu)，但這種加長結(jié)構(gòu)在安裝時非常困難，同時加長結(jié)構(gòu)的剛性大大低于整體軸結(jié)構(gòu)，運行過程中的徑向力和附加彎矩更大。

綜上所述，傳統(tǒng)一體式結(jié)構(gòu)主要問題和缺點可歸結(jié)為“效率低、壽命短、裝配難、維護性能差”。隨著垂直軸風(fēng)力發(fā)電機功率的增大，上述問題和缺點將更加突出。

4 分離式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)

針對以上缺陷提出一種分離式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)。它是對傳統(tǒng)一體化垂直軸風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪機的一種創(chuàng)新設(shè)計，即采用模塊化設(shè)計思路，將垂直軸風(fēng)力發(fā)電機分成兩個相對獨立模塊（單元）：風(fēng)輪機與發(fā)電機。采用這種結(jié)構(gòu)后，風(fēng)力產(chǎn)生的徑向力和附加彎矩可由風(fēng)輪機固定主軸承擔(dān)，而不會傳遞到發(fā)電機上，傳遞到發(fā)電機上的只是純轉(zhuǎn)矩，因此大大提高了發(fā)電機壽命。同時，分離式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)的裝配運輸及安裝性能良好，可以有效提高發(fā)電機的運行效率和運行壽命，大大降低裝配、運輸及安裝成本，并且具有良好的維護性能。

創(chuàng)新設(shè)計的分離式垂直軸風(fēng)輪機總成與發(fā)電機總成可組合成一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 分離式風(fēng)輪機結(jié)構(gòu)

4.1 分離式風(fēng)輪機工作原理

在風(fēng)力作用下，風(fēng)輪機葉片繞回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動回轉(zhuǎn)套筒軸同步旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)套筒軸通過牙嵌式聯(lián)軸器帶動驅(qū)動軸同步旋轉(zhuǎn)，并通過彈性聯(lián)軸器驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)發(fā)電。這樣就能實現(xiàn)“風(fēng)能—機械能—電能”的能量轉(zhuǎn)換。分離式風(fēng)輪機與發(fā)電機通過彈性聯(lián)軸器相連，而不是剛性連接，從而保證了發(fā)電機只承受有效轉(zhuǎn)矩而不承受徑向力和附加彎矩。

4.2 分離式風(fēng)輪機主要結(jié)構(gòu)及特點

4.2.1 卸荷式風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

風(fēng)輪機葉片通過風(fēng)葉固定桿與回轉(zhuǎn)套筒軸相連?；剞D(zhuǎn)套筒軸通過兩端滾動軸承與固定套筒軸保持同軸固定。當風(fēng)力作用葉片驅(qū)動風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)時，由不平衡力產(chǎn)生的徑向力和附加彎矩，通過軸承傳遞到固定套筒軸，風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩則傳遞到發(fā)電機驅(qū)動軸上。因此與傳統(tǒng)一體化風(fēng)力發(fā)電機相比，作用到發(fā)電機上只有純轉(zhuǎn)矩，而無附加徑向力和彎矩。由于固定套筒軸是空心軸結(jié)構(gòu)，所以同樣截面下，抗彎剛度大大提高，風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)平衡性也大幅提升。

4.2.2 半懸臂回轉(zhuǎn)套筒軸結(jié)構(gòu)

半懸臂回轉(zhuǎn)套筒軸結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)套筒軸通過軸承聯(lián)結(jié)在固定套筒軸上，套筒軸接套則通過接套法蘭與回轉(zhuǎn)套筒軸固接。這種結(jié)構(gòu)可在保證剛度情況下，有效減小回轉(zhuǎn)套筒軸、發(fā)電機驅(qū)動軸以及固定套筒軸長度尺寸，便于保證加工質(zhì)量并減少加工成本?；剞D(zhuǎn)套筒軸及接套采用合金鋁管型材，重量輕，加工成本低，具有較大剛性。

4.2.3 分離式風(fēng)輪機與發(fā)電機安裝基座

分離式風(fēng)輪機與發(fā)電機安裝基座，加工有兩個定位止口。下底安裝發(fā)電機，上蓋安裝分離式風(fēng)輪機，從而保證了風(fēng)輪機與發(fā)電機的同軸度和高度定位，提高了重復(fù)安裝的精度，更便于安裝與維護。

4.2.4 轉(zhuǎn)矩傳遞與聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)套筒軸與發(fā)電機驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩傳遞，采用牙嵌式端面鍵結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體積小，承載扭矩大，對兩個軸之間的同軸度要求不高，而且不會產(chǎn)生附加的徑向力，非常適合風(fēng)力發(fā)電機的運行工況。

發(fā)電機驅(qū)動軸與發(fā)電機連接采用剖分式彈性柱銷聯(lián)軸器，由于彈性體采用橡膠，易損壞，需要定期更換。剖分式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，可以在現(xiàn)場直接更換彈性圈，而不需拆卸其他部件。為了保證拆裝精度的重復(fù)性，剖分式聯(lián)軸器采用圓柱面及定位鍵，以保證其重復(fù)安裝時軸向及徑向的定位。

4.2.5 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)

風(fēng)葉采用一種混合動力葉片，該葉片葉型面既有升力型外弧面，又有阻力型的內(nèi)弧面和進氣口，具有良好的低風(fēng)速啟動性能、高風(fēng)速下葉點速度比和扭矩輸出。其結(jié)構(gòu)輕巧，風(fēng)能利用率高。

4.2.6 材料選擇及表面處理

分離式風(fēng)輪機除固定套筒軸及發(fā)電機驅(qū)動軸采用鋼材外，均采用鋁合金并進行噴塑處理，回轉(zhuǎn)部分質(zhì)量輕，機械阻力小，具有較高的機械強度和防腐能力。

5 結(jié) 語

針對國內(nèi)傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機存在的問題和缺點，對傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機懸臂式長軸結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計。

（1）負載平衡式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是主要部件方面采用對稱式布局，所以從結(jié)構(gòu)上大大提高了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的運行性能、運行壽命和裝配工藝性能。該產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)尺寸小，具有良好的裝配工藝性，而且運輸安裝方便、維修性能好，與傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機相比，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。

（2）分離式風(fēng)輪機從原理及結(jié)構(gòu)上保證了新型負載平衡式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的運行效率，極大提高了運行壽命，并且具有維護性能好、安裝方便、總體制造成本低等優(yōu)點。因此，分離式風(fēng)輪機具有很大的實用價值，而且對于同類不同功率的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機也具有推廣價值。