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鼓形齒式聯(lián)軸器 膜片式聯(lián)軸器 輪胎式聯(lián)軸器 平行切縫式聯(lián)軸器 鏈式聯(lián)軸器
摘 要 主要介紹了雙型垂直軸風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)與性能，根據(jù)實地試驗數(shù)據(jù) ，分析應力和風機的效率 ，提出了完善系統(tǒng)的參數(shù)、提高風力發(fā)電機組對風能充分利用率的方案． 直軸風力發(fā)電機組應力與效率分析
來源: 作者:王榮愛 郝建紅 D 邵志偉
Working Stress and Efficiency of Vertical-axis W jnd Turbines Generating System
Abstract The structure and properties of vertical—axis wind turbines generating system was introduced in this paper ． According to field test data ， working stress and efficiency of wind turbines was analyed ． A scheme was put forward to optimizing system parameters and improving rotio power coefficient for wind turbines ．
Key words rotio power coefficient ， vertical — axis ， wind power
關(guān)鍵詞 風能利用系數(shù) ，垂直軸，風力發(fā)電
中圖分類號 TM614 文獻標識碼 A 文章編號 1672 — 6634(2007)01 — 0038 — 02
O 引言
火力發(fā)電雖然是我國發(fā)電產(chǎn)業(yè)的主要形式，但是火力發(fā)電能源消耗大、污染嚴重 ，不符合 國家倡導的節(jié)約社會和能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略 ，所 以風力發(fā)電越來越受到人們的重視和青 睞．我國近年來大力發(fā)展風力發(fā)電，使之成為我 國電力工業(yè)的一個方面軍，不僅是能源開發(fā)的需要 ，也是環(huán)境保護的需要．風力發(fā)電對環(huán)境的正面影響是不言而喻的，它不僅可以保護我們?nèi)祟愘囈陨娴拇髿猸h(huán)境、減少污染 ，也可以保護我們的土地免受過度開發(fā)的災難 ，最可貴的是風電環(huán)境的負面影響非常有限，這可以使人類與 自然界友好相處，在地球上真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 的目標．風力發(fā)電包括機械結(jié)構(gòu)和實時監(jiān)控兩部分，在 50 kw 風力發(fā)電系統(tǒng) 中，其葉輪最大直徑為 9 m ，葉輪高度為 19 ． 2 m ．葉輪 自重為 4 ． 2 t ．在 1 ． 5MW 風力發(fā)電系統(tǒng) 中，葉輪最大直徑為 58 m ，葉輪高度將達到 116 m ，葉輪 自重為 120 t ．由于裝卸困難 ，維修成本高，一旦損壞 ，整個風力發(fā)電系統(tǒng)將癱瘓 ，所以對整個輪軸和葉片的受力分析和監(jiān)控顯得尤為重要．以 50 kw 雙 型垂直軸風力發(fā)電機組的風輪垂直軸為中心旋轉(zhuǎn) ，捕捉的風能通過垂直的主軸傳到地面的齒輪箱和發(fā)電機組．與水平軸風機相 比，垂直軸風機在制造 、安裝、維護和抗疲勞性能方面都有較大優(yōu)勢．這臺風機現(xiàn)在安裝在內(nèi)蒙古烏蘭察布市化德縣內(nèi)，這種垂直軸風力發(fā)電機組在國內(nèi)是第一例 ，現(xiàn)在正處于研發(fā)階段 ，并沒有投人大批量生產(chǎn)．本文以此為基礎 ，主要針對垂直軸風力發(fā) 電系統(tǒng) ，通過采集的測試數(shù)據(jù) ，分析它的性能和效率．現(xiàn)存的風力發(fā) 電系統(tǒng)大都是水平軸的，其受到風力風向的限制 ，雖然在迎風方向，水平軸的效率要高于垂直軸 ，但是 ，風 向發(fā)生變化后 ，水平軸風機的效率將會降低．所以 ，從一個水平軸的風 電場可以發(fā)現(xiàn) ，背風的水平軸的風力發(fā)電機組是不工作的，迎風的水平軸發(fā)電機組工作 ，而且 ，水平軸的發(fā)電機都安裝在頂部 ，增加了電纜的長度和維護成本．
1 垂直軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在國外 ，垂直軸風輪葉片一般是等截面，單 troposkie 曲線 ，對于 50 kw 風機風輪葉片是等截面雙 troposkien 曲線 ( 如 圖 1 所 示 ) ．在相 同的外 形尺寸下 ，掃風面積增大
15 ，大大提高了氣動效率和輸出功率．垂直軸的結(jié)構(gòu) ，主要分為風輪支撐裝置、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機及其控制系統(tǒng)四大部分 ( 見圖 1) ．風輪支撐裝置 ：頂部軸承裝置設
在風輪上端 ，由四根張緊的另一端固定于地面的斜 拉鋼絲繩支撐風輪 ，并保證風輪主軸的垂直 ；下部軸承裝置承受來 自風輪主軸的垂直力．制動系統(tǒng)：盤式制動器設在高速剎車盤上，通過齒輪箱實施制動．傳動系統(tǒng) ：包括聯(lián)軸器、傳動軸、齒輪箱、軸承等組成傳動系統(tǒng)，膜片聯(lián)軸器作為軟連接傳遞扭矩．發(fā)電機和控制系統(tǒng) ：包括啟動和剎車控制 ，測試與 PLC 采集傳輸 ，潤滑系統(tǒng)和監(jiān)測報警．采用發(fā)電機勵磁和軟并網(wǎng)控制．其中葉片是扁錐形的，從它的橫截面可看出分三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是鋼心軸，用于加固葉片，中間層是發(fā)泡材料
其作用是緩沖拉力 ，外層是玻璃鋼蒙皮．在該系統(tǒng)中，采用了歐姆龍機型的 PLC 控制，實現(xiàn)了只啟動小電機發(fā)電和大、小電機相互切換發(fā) 電．一般情況下 ，小 電機的額定轉(zhuǎn)速是 63 轉(zhuǎn)／ rain(rpm) ．大電機的額定轉(zhuǎn)速是 95 轉(zhuǎn)／ min(rmp) ．從圖 1 的結(jié)構(gòu)可以看出，垂直軸風機的一個特點是控制中心在地面，便以運行人員的控制．相對于水平軸風力發(fā)電機來說，節(jié)約了一定的運營成本．但垂直軸的占地面積較大，并且需要鋼絲繩固定．這樣就會給軸承造成一定的壓力，影響軸承的壽命．
3 檢測界面
軸的扭剪和彎曲檢測分析 ：軸的扭剪和彎 曲對軸的正常運行有比較明顯的影響．風機在運行狀態(tài)下 ，軸受到的扭剪和彎曲的應力的實時波形的對照圖如圖 2 所示．現(xiàn)場測試時 ，在 100 S 時刻啟動風機分別在 150 s 、 220 s 、 300 s 時刻增加變頻器的功率，瞬間提高轉(zhuǎn)速．由
圖可見，風機啟動時 ，噪音較大 ，扭剪和其它應力的瞬間值變化很大在 150 S 、 220 S 、 300 S 變速過程 中，受力略有變化 ，當達到勻速 的時候 ，受力平穩(wěn)．直到 400 S 開始停車時 ，應力的變化較明顯．
4 系統(tǒng)分析
在風力發(fā)電系統(tǒng) 中，使用了大量的傳感器，以便更好的采集數(shù)據(jù)．其 中在風機上，使用了風向傳感器在轉(zhuǎn)軸和葉片上安裝了加速度傳感器和應力傳感器；在剎車片上安裝了溫度傳感器；在金屬架底座上安裝了位移傳感器；在控制機柜里安裝了濕度傳感器；在用于固定軸 的鋼絲繩上，安裝 了拉力傳感器；在軸的上面還安裝了扭矩傳感器．在測試過程中， PLC 控制器會通過各個傳感器采集到大量的數(shù)據(jù)，并且把采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)焦た貦C上，進行數(shù)據(jù)處理 ，描繪出相應 的曲線．目前風機的主要側(cè)重點在于效率的提高及軸和葉片的受力．這要通過對風輪做 ANSYS 有限元模態(tài)分析計算、機械功率計算和 CP 值計算
并且與實驗數(shù)據(jù)進行 比較來分析．下面就三種計算方法進行分析．機械功率計算方法機械功率是通過扭矩和風輪轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)據(jù)計算得到
