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鼓形齒式聯軸器 膜片式聯軸器 輪胎式聯軸器 平行切縫式聯軸器 鏈式聯軸器
摘 要 主要介紹了雙型垂直軸風力發電機組的結構與性能，根據實地試驗數據 ，分析應力和風機的效率 ，提出了完善系統的參數、提高風力發電機組對風能充分利用率的方案． 直軸風力發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
關鍵詞 風能利用系數 ，垂直軸，風力發電
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
火力發電雖然是我國發電產業的主要形式，但是火力發電能源消耗大、污染嚴重 ，不符合 國家倡導的節約社會和能源可持續發展的戰略 ，所 以風力發電越來越受到人們的重視和青 睞．我國近年來大力發展風力發電，使之成為我 國電力工業的一個方面軍，不僅是能源開發的需要 ，也是環境保護的需要．風力發電對環境的正面影響是不言而喻的，它不僅可以保護我們人類賴以生存的大氣環境、減少污染 ，也可以保護我們的土地免受過度開發的災難 ，最可貴的是風電環境的負面影響非常有限，這可以使人類與 自然界友好相處，在地球上真正實現可持續發展 的目標．風力發電包括機械結構和實時監控兩部分，在 50 kw 風力發電系統 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 風力發電系統 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 ，整個風力發電系統將癱瘓 ，所以對整個輪軸和葉片的受力分析和監控顯得尤為重要．以 50 kw 雙 型垂直軸風力發電機組的風輪垂直軸為中心旋轉 ，捕捉的風能通過垂直的主軸傳到地面的齒輪箱和發電機組．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勢．這臺風機現在安裝在內蒙古烏蘭察布市化德縣內，這種垂直軸風力發電機組在國內是第一例 ，現在正處于研發階段 ，并沒有投人大批量生產．本文以此為基礎 ，主要針對垂直軸風力發 電系統 ，通過采集的測試數據 ，分析它的性能和效率．現存的風力發 電系統大都是水平軸的，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 電場可以發現 ，背風的水平軸的風力發電機組是不工作的，迎風的水平軸發電機組工作 ，而且 ，水平軸的發電機都安裝在頂部 ，增加了電纜的長度和維護成本．
1 垂直軸系統結構
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．垂直軸的結構 ，主要分為風輪支撐裝置、制動系統、傳動系統、發電機及其控制系統四大部分 ( 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：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 ：包括聯軸器、傳動軸、齒輪箱、軸承等組成傳動系統，膜片聯軸器作為軟連接傳遞扭矩．發電機和控制系統 ：包括啟動和剎車控制 ，測試與 PLC 采集傳輸 ，潤滑系統和監測報警．采用發電機勵磁和軟并網控制．其中葉片是扁錐形的，從它的橫截面可看出分三層結構，內層是鋼心軸，用于加固葉片，中間層是發泡材料
其作用是緩沖拉力 ，外層是玻璃鋼蒙皮．在該系統中，采用了歐姆龍機型的 PLC 控制，實現了只啟動小電機發電和大、小電機相互切換發 電．一般情況下 ，小 電機的額定轉速是 63 轉／ rain(rpm) ．大電機的額定轉速是 95 轉／ min(rmp) ．從圖 1 的結構可以看出，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電機來說，節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．直到 400 S 開始停車時 ，應力的變化較明顯．
4 系統分析
在風力發電系統 中，使用了大量的傳感器，以便更好的采集數據．其 中在風機上，使用了風向傳感器在轉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據，并且把采集到的數據通過以太網傳輸到工控機上，進行數據處理 ，描繪出相應 的曲線．目前風機的主要側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 有限元模態分析計算、機械功率計算和 CP 值計算
并且與實驗數據進行 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數數據計算得到
