王士柏，胡立強，劉洪正，欒鳳奎，胡兆陽，張國棟

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003；2.國能風力發(fā)電有限公司，北京101200；3.國家電網(wǎng)公司，北京100002；4.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津300072；5.山東中實易通集團有限公司，山東濟南250003）

·試驗研究·

一種垂直軸風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)同步機構(gòu)研究

王士柏1，胡立強2，劉洪正1，欒鳳奎3，胡兆陽4，張國棟5

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003；2.國能風力發(fā)電有限公司，北京101200；3.國家電網(wǎng)公司，北京100002；4.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津300072；5.山東中實易通集團有限公司，山東濟南250003）

提出一種垂直軸風力發(fā)電機支撐輪旋轉(zhuǎn)同步機構(gòu)的設(shè)計方法，該方法適用于垂直軸風力發(fā)電機風輪通過兩個或兩個以上的支撐輪驅(qū)動，且每個支撐輪包含各自對應的發(fā)電機或旋轉(zhuǎn)支撐的場合，可以有效地保證垂直軸風力發(fā)電機上下相鄰兩支撐輪之間同步運轉(zhuǎn)，并保證不同支撐輪之間的位置誤差始終在允許范圍之內(nèi)，且安裝方便、運行可靠高、后期運維成本低，顯著提高了垂直軸風力發(fā)電機的整體運行性能。

垂直軸風力發(fā)電機；旋轉(zhuǎn)；同步機構(gòu)；同步運行

0 引言

近年來，風電等可再生能源發(fā)電在我國能源結(jié)構(gòu)中所占比重越來越高。國家能源局在《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，到2020年非化石能源占能源消費總量比例達到15%，到2020年底風力發(fā)電目標2.5億kW。顯然，國家政策的支持為風力發(fā)電的快速發(fā)展提供了良好的外部條件，與此同時，各類風力發(fā)電機的技術(shù)研發(fā)也取得了較大進展。目前，水平軸風機［1-2］是應用最為廣泛的風力發(fā)電技術(shù)，最初由于技術(shù)限制等原因，垂直軸風力發(fā)電機［3-8］長期發(fā)展緩慢。隨著空氣動力學和流體力學的發(fā)展，垂直軸風力發(fā)電機以其運行噪音小、無需對風、運行可靠性高等優(yōu)勢也逐漸取得了廣泛應用。

垂直軸風力發(fā)電機的支撐桿系統(tǒng)連接葉片和發(fā)電機，當垂直軸風機包含兩個或者兩個以上支撐輪時，風機運行和剎車時的同步問題是影響風力發(fā)電的重要因素，支撐輪同步效果差將降低風機的發(fā)電效率，在風速較高時甚至可能導致上下支撐桿產(chǎn)生錯位角度，從而導致葉片扭曲甚至破壞的風險。針對此類問題，通過設(shè)計一種垂直軸風力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)同步機構(gòu)來保證各支撐輪同步旋轉(zhuǎn)［9］，并將該技術(shù)應用于風機，取得了良好運行效果。

1 垂直軸風力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

垂直軸風力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖1所示，垂直軸風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)部分包含旋轉(zhuǎn)支撐（01a，01b）、支撐輪（02a，02b）、支撐桿（021）和葉片（03），每個支撐輪都是由若干支撐桿組成。支撐桿一端與所述塔柱（04）上設(shè)置的旋轉(zhuǎn)支撐連接，另一端與葉片連接。一般情況下，一個風輪中的幾個旋轉(zhuǎn)支撐中至少一個為發(fā)電機，其余的則可能是發(fā)電機或其他形式的旋轉(zhuǎn)支撐，如軸承、旋轉(zhuǎn)輪轂等。連接在同一個旋轉(zhuǎn)支撐上的支撐桿組成一個支撐輪。對于較大功率的垂直軸風力發(fā)電機而言，由于葉片較長，一般一個葉片由兩個或兩個以上的支撐輪支撐。一個支撐輪的支撐桿一般在一個水平面上，通過支撐輪傳動直接驅(qū)動發(fā)電機，或僅起支撐作用。

可以看出，該結(jié)構(gòu)的垂直軸風力發(fā)電機在運行或剎車的過程中上支撐輪和下支撐輪之間由于缺少同步結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)時存在不同步的問題，這會導致上支撐輪和下支撐輪間存在一定的錯位角度，而由于上、下支撐輪的支撐桿外端與葉片連接，這種錯位角度會導致葉片扭曲，嚴重時可導致葉片被扭壞，因此，對于大型垂直軸風力發(fā)電機，必須對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)增加同步結(jié)構(gòu)。

圖1 垂直軸風力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

2 傳統(tǒng)垂直軸風力發(fā)電機同步機構(gòu)

垂直軸風力發(fā)電機的同步拉索機構(gòu)如圖2所示，L為垂直軸風機風輪半徑，B為風輪葉片弦長，傳統(tǒng)的同步措施是在上下支撐輪的支撐桿之間設(shè)置拉索（05），風機運行時通過拉索來保持風機支撐輪的同步。該措施雖能在一定程度上解決垂直軸風力發(fā)電機的同步問題，但支撐桿之間相互連接的拉索類似蜘蛛網(wǎng)，不僅增加了風輪的氣動阻力，降低風力發(fā)電機氣動性能，而且還影響風機整體美觀，更重要的是由于風輪長期運動和振動極易導致拉索的松動，所以需要頻繁檢修，由于拉索在空中相互交叉并遠離工作平臺，每次檢修都要使用吊車和升降車等設(shè)備，這不僅增加檢修的難度和危險性，同時也極大地增加了檢修費用和維護成本。

圖2 垂直軸風力發(fā)電機的同步拉索機構(gòu)

另外一種常見的試圖保證同步的方法是，對支撐輪轉(zhuǎn)速進行實時測量，然后通過負載或剎車等手段，人為控制上下支撐輪的同步運轉(zhuǎn)，此方法不僅結(jié)構(gòu)復雜，控制邏輯繁瑣、控制速度和靈敏度要求高且成本高，而且轉(zhuǎn)速測量累積誤差及測量系統(tǒng)的不可靠性都有可能導致風輪的毀滅性破壞，因此該類方法可靠性比較差。

3 基于同步套筒的垂直軸風力發(fā)電機同步機構(gòu)

針對上述垂直軸風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同步方法的不足，提出了一種垂直軸風力發(fā)電機支撐輪旋轉(zhuǎn)同步機構(gòu)的設(shè)計方法，該機構(gòu)可以有效地保證垂直軸風力發(fā)電機上下相鄰兩支撐輪之間同步運轉(zhuǎn)，且不同支撐輪之間的位置誤差始終在允許范圍之內(nèi)，具有安裝方便、運行可靠、后期運行維護成本低的優(yōu)點，提高了風力機整體運行的可靠性和穩(wěn)定性。

3.1 同步套筒整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

所采用的同步機構(gòu)是在各個所述旋轉(zhuǎn)支撐之間設(shè)置同步套筒，該同步套筒連接在相應的旋轉(zhuǎn)支撐上，使得各個旋轉(zhuǎn)支撐連接在一起，以保證各旋轉(zhuǎn)部件運行時的同步性。對于大型垂直軸風力發(fā)電機而言，風力發(fā)電機葉片都很長，一般不小于10 m，對應的，在兩個旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子套之間的同步套筒也是大型部件，因此考慮到制造成本和便于安裝，將其分成上下幾段，并根據(jù)需要將其中一段分成幾瓣。一般情況下，下套筒段做成一個整體時，上套筒段將設(shè)計成幾瓣集合套筒段，這樣的結(jié)構(gòu)將更方便安裝。

圖3 同步套筒結(jié)構(gòu)

圖4 同步套筒俯視結(jié)構(gòu)

圖5 同步套筒剖視結(jié)構(gòu)

同步套筒結(jié)構(gòu)如圖3所示，俯視結(jié)構(gòu)如圖4所示，剖視結(jié)構(gòu)如圖5所示?？梢钥闯觯O(shè)計的同步套筒是由上下兩個套筒段組成，機構(gòu)051為同步套筒上連接件，機構(gòu)052為上套筒段，機構(gòu)053為下套筒段，機構(gòu)054為同步套筒下連接件。上套筒段設(shè)計為集合式套筒段，由沿軸向均勻分割開的3個套筒瓣連接而成。上同步套筒瓣結(jié)構(gòu)如圖6所示，機構(gòu)a為加強筋，機構(gòu)052a為同步套筒側(cè)壁，機構(gòu)052b為側(cè)立墻，機構(gòu)052c為凸緣，機構(gòu)052d為凸環(huán)。3個套筒瓣通過側(cè)立墻上的螺栓孔穿設(shè)螺栓螺接固連。上套筒段與下套筒段通過二者鄰接端凸緣間的螺栓孔穿設(shè)螺栓螺接固連，二者與套筒側(cè)壁之間設(shè)置加強筋加固。同時，為了保證套筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在套筒瓣的外側(cè)面上固設(shè)凸環(huán)以實現(xiàn)套筒瓣側(cè)立墻的加固。較長的下套筒段的內(nèi)側(cè)壁上可以設(shè)置若干層內(nèi)凸環(huán)來加固，同步套筒機構(gòu)中下部套筒段的主視結(jié)構(gòu)如圖7所示，機構(gòu)053a為下套筒上端，機構(gòu)053b為下套筒焊接縫，下部套筒段結(jié)構(gòu)為一體式的整體套筒。

圖6 上同步套筒瓣結(jié)構(gòu)

圖7 下同步套筒段主視結(jié)構(gòu)

3.2 同步套筒連接件設(shè)計

同步套筒上、下連接件位于同步套筒結(jié)構(gòu)的頂端和底端，分別連接垂直軸風力發(fā)電機上旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子和下旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子，是保證風力機在運行和剎車的過程中上下旋轉(zhuǎn)支撐運轉(zhuǎn)同步的重要連接部件?？紤]到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同步套筒上端軸向設(shè)計了均布的3個上連接件，同步套筒下端軸向設(shè)計了均布的3個下連接件，上、下連接件結(jié)構(gòu)如圖8～9所示。

圖8中，051a為上連接件橫板，051b為上連接件豎板，二者構(gòu)成倒“T”型主體，橫板上開螺栓孔，通過螺栓將上連接件固定在同步套筒上端的凸緣上。橫板為一環(huán)形板，與同步套筒上端的凸緣匹配，其上設(shè)螺栓長孔，與同步套筒上端的凸緣上的螺栓孔（可以是長孔）匹配對應，通過螺栓將上連接件固定在同步套筒的上端。豎板為一平側(cè)板，與旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子的側(cè)周壁對應處的平面部分相匹配，如果旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子的側(cè)周壁與上連接件相對應處為弧面，則豎板就為匹配的弧面板，且在豎板上開螺栓長孔，與旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子上的螺栓孔匹配實現(xiàn)螺接。3個上連接件橫板的接縫處設(shè)置連接壓板，連接壓板上設(shè)螺栓孔，與橫板上的螺栓孔對應，通過螺栓固定。

圖8 同步套筒上連接件結(jié)構(gòu)

圖9 同步套筒上連接件結(jié)構(gòu)

圖9中，054a為下連接件橫板，054b為下連接件豎板，二者構(gòu)成倒“L”型主體。橫板為環(huán)形板，與同步套筒的下端的凸緣對應，搭在下凸緣上，豎板向下伸出，為與旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子的側(cè)周壁匹配的平形板，與旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子的側(cè)周壁對應處的平面部分相匹配，如果旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子的側(cè)周壁與上連接件相對應處為弧面，則豎板就為匹配的弧面板。在豎板上設(shè)螺栓孔，通過螺栓與旋轉(zhuǎn)支撐外轉(zhuǎn)子螺接。

4 應用實例

目前，該研究內(nèi)容已形成工業(yè)產(chǎn)品，并應用于國網(wǎng)山東電科院新能源綜合利用示范工程中的20 kW垂直軸風力發(fā)電機，該風電機組也是目前國內(nèi)單機容量最大、技術(shù)最先進的垂直軸風力發(fā)電機組。垂直軸風力發(fā)電機同步套筒機構(gòu)應用實例如圖10所示。

圖10 垂直軸風力發(fā)電機同步套筒機構(gòu)應用實例

5 結(jié)語

設(shè)計一種垂直軸風力發(fā)電機的同步套筒機構(gòu)，該機構(gòu)將風機的上旋轉(zhuǎn)支撐輪和下旋轉(zhuǎn)支撐輪互連，很好地解決了垂直軸風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)部件不同步的問題，同時該設(shè)計大幅減少了運行和剎車過程中葉片損壞的風險，保證了垂直軸風力發(fā)電機運行的穩(wěn)定性。目前，所研究技術(shù)已應用于成熟的20 kW垂直軸風力發(fā)電機產(chǎn)品中，并取得了良好的運行效果，具有廣闊的應用前景。

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A Rotating Synchronous Mechanism of Vertical Axis Wind Turbine

WANG Shibo1，HU Liqiang2，LIU Hongzheng1，LUAN Fengkui3，HU Zhaoyang4，ZHANG Guodong5
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.National Wind Energy Company Limited，Beijing 101200，China；3.State Grid Corporation of China，Beijing 100002，China；4.Tianjin University School of Electrical and Information Engineering，Tianjin 300072，China；5.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

A new structure of the rotation synchronizing mechanism of the supporting wheels of a vertical axis wind turbine is proposed and designed.This design is suitable for the vertical axis wind turbines whose turbines are driven by two or more supporting wheels with their own corresponding generators or rotating supports occasions.The synchronization of the two adjacent supporting wheel is guaranteed by this design with the position error keeps in a minimum acceptable range.It has several advantages such as simple installation，high reliability，low operation and maintenance cost and a remarkably improves the overall performance of the vertical axis wind turbine.

vertical axis wind turbine；rotating；synchronous mechanism；synchronous operation

TM614

A

1007－9904（2017）05－0001－04

2016-12-05

王士柏（1987），男，工程師，從事新能源發(fā)電技術(shù)與新能源并網(wǎng)技術(shù)研究。

國家科技支撐計劃（2015BAA07B00）；國家自然科學基金青年科學基金項目（201661503216）