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鼓形齿式联轴器 膜片式联轴器 轮胎式联轴器 平行切缝式联轴器 链式联轴器
摘 要 主要介绍了双型垂直轴风力发电机组的结构与性能，根据实地试验数据 ，分析应力和风机的效率 ，提出了完善系统的参数、提高风力发电机组对风能充分利用率的方案． 直轴风力发电机组应力与效率分析
来源: 作者:王荣爱 郝建红 D 邵志伟
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
关键词 风能利用系数 ，垂直轴，风力发电
中图分类号 TM614 文献标识码 A 文章编号 1672 — 6634(2007)01 — 0038 — 02
O 引言
火力发电虽然是我国发电产业的主要形式，但是火力发电能源消耗大、污染严重 ，不符合 国家倡导的节约社会和能源可持续发展的战略 ，所 以风力发电越来越受到人们的重视和青 睐．我国近年来大力发展风力发电，使之成为我 国电力工业的一个方面军，不仅是能源开发的需要 ，也是环境保护的需要．风力发电对环境的正面影响是不言而喻的，它不仅可以保护我们人类赖以生存的大气环境、减少污染 ，也可以保护我们的土地免受过度开发的灾难 ，最可贵的是风电环境的负面影响非常有限，这可以使人类与 自然界友好相处，在地球上真正实现可持续发展 的目标．风力发电包括机械结构和实时监控两部分，在 50 kw 风力发电系统 中，其叶轮最大直径为 9 m ，叶轮高度为 19 ． 2 m ．叶轮 自重为 4 ． 2 t ．在 1 ． 5MW 风力发电系统 中，叶轮最大直径为 58 m ，叶轮高度将达到 116 m ，叶轮 自重为 120 t ．由于装卸困难 ，维修成本高，一旦损坏 ，整个风力发电系统将瘫痪 ，所以对整个轮轴和叶片的受力分析和监控显得尤为重要．以 50 kw 双 型垂直轴风力发电机组的风轮垂直轴为中心旋转 ，捕捉的风能通过垂直的主轴传到地面的齿轮箱和发电机组．与水平轴风机相 比，垂直轴风机在制造 、安装、维护和抗疲劳性能方面都有较大优势．这台风机现在安装在内蒙古乌兰察布市化德县内，这种垂直轴风力发电机组在国内是第一例 ，现在正处于研发阶段 ，并没有投人大批量生产．本文以此为基础 ，主要针对垂直轴风力发 电系统 ，通过采集的测试数据 ，分析它的性能和效率．现存的风力发 电系统大都是水平轴的，其受到风力风向的限制 ，虽然在迎风方向，水平轴的效率要高于垂直轴 ，但是 ，风 向发生变化后 ，水平轴风机的效率将会降低．所以 ，从一个水平轴的风 电场可以发现 ，背风的水平轴的风力发电机组是不工作的，迎风的水平轴发电机组工作 ，而且 ，水平轴的发电机都安装在顶部 ，增加了电缆的长度和维护成本．
1 垂直轴系统结构
在国外 ，垂直轴风轮叶片一般是等截面，单 troposkie 曲线 ，对于 50 kw 风机风轮叶片是等截面双 troposkien 曲线 ( 如 图 1 所 示 ) ．在相 同的外 形尺寸下 ，扫风面积增大
15 ，大大提高了气动效率和输出功率．垂直轴的结构 ，主要分为风轮支撑装置、制动系统、传动系统、发电机及其控制系统四大部分 ( 见图 1) ．风轮支撑装置 ：顶部轴承装置设
在风轮上端 ，由四根张紧的另一端固定于地面的斜 拉钢丝绳支撑风轮 ，并保证风轮主轴的垂直 ；下部轴承装置承受来 自风轮主轴的垂直力．制动系统：盘式制动器设在高速刹车盘上，通过齿轮箱实施制动．传动系统 ：包括联轴器、传动轴、齿轮箱、轴承等组成传动系统，膜片联轴器作为软连接传递扭矩．发电机和控制系统 ：包括启动和刹车控制 ，测试与 PLC 采集传输 ，润滑系统和监测报警．采用发电机励磁和软并网控制．其中叶片是扁锥形的，从它的横截面可看出分三层结构，内层是钢心轴，用于加固叶片，中间层是发泡材料
其作用是缓冲拉力 ，外层是玻璃钢蒙皮．在该系统中，采用了欧姆龙机型的 PLC 控制，实现了只启动小电机发电和大、小电机相互切换发 电．一般情况下 ，小 电机的额定转速是 63 转／ rain(rpm) ．大电机的额定转速是 95 转／ min(rmp) ．从图 1 的结构可以看出，垂直轴风机的一个特点是控制中心在地面，便以运行人员的控制．相对于水平轴风力发电机来说，节约了一定的运营成本．但垂直轴的占地面积较大，并且需要钢丝绳固定．这样就会给轴承造成一定的压力，影响轴承的寿命．
3 检测界面
轴的扭剪和弯曲检测分析 ：轴的扭剪和弯 曲对轴的正常运行有比较明显的影响．风机在运行状态下 ，轴受到的扭剪和弯曲的应力的实时波形的对照图如图 2 所示．现场测试时 ，在 100 S 时刻启动风机分别在 150 s 、 220 s 、 300 s 时刻增加变频器的功率，瞬间提高转速．由
图可见，风机启动时 ，噪音较大 ，扭剪和其它应力的瞬间值变化很大在 150 S 、 220 S 、 300 S 变速过程 中，受力略有变化 ，当达到匀速 的时候 ，受力平稳．直到 400 S 开始停车时 ，应力的变化较明显．
4 系统分析
在风力发电系统 中，使用了大量的传感器，以便更好的采集数据．其 中在风机上，使用了风向传感器在转轴和叶片上安装了加速度传感器和应力传感器；在刹车片上安装了温度传感器；在金属架底座上安装了位移传感器；在控制机柜里安装了湿度传感器；在用于固定轴 的钢丝绳上，安装 了拉力传感器；在轴的上面还安装了扭矩传感器．在测试过程中， PLC 控制器会通过各个传感器采集到大量的数据，并且把采集到的数据通过以太网传输到工控机上，进行数据处理 ，描绘出相应 的曲线．目前风机的主要侧重点在于效率的提高及轴和叶片的受力．这要通过对风轮做 ANSYS 有限元模态分析计算、机械功率计算和 CP 值计算
并且与实验数据进行 比较来分析．下面就三种计算方法进行分析．机械功率计算方法机械功率是通过扭矩和风轮转数数据计算得到
