垂直轴双叶片风力发电机联动机构设计

陈全 方继松 张峰 张在飞

摘 要：垂直轴双叶组风力机的特点是有主叶片和副叶片，两叶片之间的靠联动装置连接。由于副叶片和主叶片之间形成风力机的叶栅效应，提高了功率特性。本文采用了反平行四边形机构，通过对联动装置的改进，以改变两叶片间的夹角，进一步改进立轴风力机的自启动性能，使得启动转矩大，启动速度快。

关键词：风力发电；垂直轴风机；反平行四边形机构；叶栅效应；功率特性

1 前言

风能、太陽能、潮汐能是大自然赋予人类最清洁、最廉价的可再生能源。世界各国对这种能源都给予高度的重视，大力发展风力发电事业。根据《2012年中国风电发展报告》，中国、欧盟、美国仍然占据了风电发展的区域分布的主导地位，占世界风电累计装机的85%，累计装机容量达到62.364GW[1]。

风力发电机是把风的动能转换为机械能，再把机械能转换为电能或热能等的能量转换装置，它是风力发电中的主要组成部分，其性能决定了风力发电机组效率的关键。

2 风力发电机的分类和特点

风力机有多种的分类方法，根据风力机风轮转轴与风向的位置不同，可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。按照风力机叶片的工作原理，风力机分为升力型和阻力型两类[2]。

当风力机的叶轮转轴和风向平行时，称为水平轴风力机[3]，也是目前国内外研制最多的、最常见的风力机，使用率占整个风力发电机的97%。当风力机的风轮转轴和风向垂直时，称为垂直轴风力机。作用在风力机叶片上的风力可分解成与风向平行和垂直两个分力，平行分力称为阻力，垂直分力称为升力。根据分力的方向不同，垂直轴风力机分为两类：一类是利用空气动力的阻力做功，称为阻力型垂直轴风力机；另一类是利用翼形的升力做功，称为升力型垂直轴风力发电机，最典型的是达里厄（Darrieus）型风力机，其叶片包括了直线翼形（如H型）和曲线翼形（如Φ型）。

相比水平轴发电机，垂直轴发电机可以接受任何方向的来风，因此，不需要对风系统，系统复杂性较低，并提高了风能利用率。并且，其发电机及齿轮箱安装在底部，结构稳定，方便调试。产生的气动噪音也小，适合于对噪声控制要求较高的地方运行。

垂直轴风力机理论是从水平轴风机理论基础上发展起来的。水平轴风力机是在飞机机翼理论基础上发展起来的，它有得天独厚的机遇。但随着科技发展，技术的不断改进，立轴风力机在叶片的设计与制造、风能利用率、启动风速、风轮结构、控制装置、环保效果等方面优于水平轴风力机。因此，现在正是建立起立轴风力机理论的时代。

3 垂直轴双叶片风机的联动机构设计

3.1 反平行四边形机构基本原理

反平行四边形机构存在的充要条件是：

⑴曲柄为最短杆；

⑵最短杆长和最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和；

⑶杆长满足两对边相等且不平行（如图2所示），

当主动曲柄AO1以ω1匀速转动时，经连杆AE推动从动曲柄EO2以ω3绕O2点作反向非匀速转动。两个曲柄的运动相当于和它们固连的一对椭圆凸轮的纯滚动[5]。

此机构中，活动构件n=3，低副PL=4，

所以，自由度F=3n-2PL-PN=3×3-2×4-0=1

此机构具有唯一可动性，符合实际要求。

由图可看出，从动件3受力点E的速度为VE，其方向与EO2垂直，从动件3上的力F的作用线与其速度VE方向之间的夹角α为压力角。压力角的余角γ为传动角。

反平行四边形机构常用作联动机构、组合机床的专用夹具、拖车的转向机构和车门的启闭机构等。

2.2 反平行四边形机构的运用

垂直轴双叶组风力机有主叶片和副叶片，主叶片在外，副叶片在内。两叶片安装时与风轮主轴平行，副叶片在旋转时起导向作用。

为了保证主、副叶片在运动时切向力最大，在安装时，叶臂的中心轴线OO1是主叶片弦线HB的中垂线，直线OD是副叶片的弦线GF的中垂线。主、副叶片间采用反平行四边形机构的联动装置。

副叶片和叶臂之间设置有一个气压缸连接。气压缸的内部装有弹簧，使其缓冲效果好。

风机运行时，主、副叶片围绕主动旋转轴O旋转。风小时，连架杆AE对副叶片的拉力小于气压缸的拉力，两叶片间仍保持最佳的角度。但当风速增大到一定程度，主叶片沿O1顺时针旋转，经连架杆AE带动副叶片绕O2点作逆时针旋转，从而减小两叶片间的夹角，流过的风量减少，使主、副叶片产生的升力减少，风轮转速变慢，向额定转速靠近，降低其输出电压，实现了联动机构的调整功能，实现刹车制动的效果。

加了气缸后，整个机构的运动简图如图4所示。

活动构件n=5，低副PL=7

所以，自由度F=3n-2PL-PN=3×5-2×7-0=1

此机构具有唯一可动性，符合实际要求。

设定主叶片的旋转角度范围为0°～10°，根据图2，可算出，其传动角大于50°，其传动效果较好。

3 结束语

综上所述，通过反平行四边形机构的设计，对垂直轴双叶片组的联动机构进行改进，采用了叶栅效应原理，最小传动角大于50°，机构传动性能好，经初步测定，提高了风机的启动效率。

[参考文献]

[1]李俊峰，等，主编.ISBN：978-7-5111-1099-2.中国风电发展报告2012年[M].北京：中国环境出版社，2012年9月.

[2]戴庚，徐璋，皇甫凯林，钟英杰.垂直轴风力机研究进展[J].理论导刊， 2010，38（10）：39-43.

[3]李岩.垂直轴风力机及其发展概况[J].可再生能源，2009，27（1）：121-123.

[4]李庆宜，主编.小型风力机设计[M].北京：机械工业出版社，1986年12月.

[5]魏兵，熊禾根，主编.ISBN：978-7-5609-3964-3.机械原理[M].湖北：华中科技大学出版社，2007年3月.