一种垂直轴风力发电机旋转同步机构研究

王士柏，胡立强，刘洪正，栾凤奎，胡兆阳，张国栋

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003；2.国能风力发电有限公司，北京101200；3.国家电网公司，北京100002；4.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津300072；5.山东中实易通集团有限公司，山东济南250003）

·试验研究·

一种垂直轴风力发电机旋转同步机构研究

王士柏1，胡立强2，刘洪正1，栾凤奎3，胡兆阳4，张国栋5

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003；2.国能风力发电有限公司，北京101200；3.国家电网公司，北京100002；4.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津300072；5.山东中实易通集团有限公司，山东济南250003）

提出一种垂直轴风力发电机支撑轮旋转同步机构的设计方法，该方法适用于垂直轴风力发电机风轮通过两个或两个以上的支撑轮驱动，且每个支撑轮包含各自对应的发电机或旋转支撑的场合，可以有效地保证垂直轴风力发电机上下相邻两支撑轮之间同步运转，并保证不同支撑轮之间的位置误差始终在允许范围之内，且安装方便、运行可靠高、后期运维成本低，显著提高了垂直轴风力发电机的整体运行性能。

垂直轴风力发电机；旋转；同步机构；同步运行

0 引言

近年来，风电等可再生能源发电在我国能源结构中所占比重越来越高。国家能源局在《可再生能源发展“十三五”规划》中提出，到2020年非化石能源占能源消费总量比例达到15%，到2020年底风力发电目标2.5亿kW。显然，国家政策的支持为风力发电的快速发展提供了良好的外部条件，与此同时，各类风力发电机的技术研发也取得了较大进展。目前，水平轴风机［1-2］是应用最为广泛的风力发电技术，最初由于技术限制等原因，垂直轴风力发电机［3-8］长期发展缓慢。随着空气动力学和流体力学的发展，垂直轴风力发电机以其运行噪音小、无需对风、运行可靠性高等优势也逐渐取得了广泛应用。

垂直轴风力发电机的支撑杆系统连接叶片和发电机，当垂直轴风机包含两个或者两个以上支撑轮时，风机运行和刹车时的同步问题是影响风力发电的重要因素，支撑轮同步效果差将降低风机的发电效率，在风速较高时甚至可能导致上下支撑杆产生错位角度，从而导致叶片扭曲甚至破坏的风险。针对此类问题，通过设计一种垂直轴风力发电机的旋转同步机构来保证各支撑轮同步旋转［9］，并将该技术应用于风机，取得了良好运行效果。

1 垂直轴风力发电机的旋转机构

垂直轴风力发电机的旋转机构如图1所示，垂直轴风力发电机旋转部分包含旋转支撑（01a，01b）、支撑轮（02a，02b）、支撑杆（021）和叶片（03），每个支撑轮都是由若干支撑杆组成。支撑杆一端与所述塔柱（04）上设置的旋转支撑连接，另一端与叶片连接。一般情况下，一个风轮中的几个旋转支撑中至少一个为发电机，其余的则可能是发电机或其他形式的旋转支撑，如轴承、旋转轮毂等。连接在同一个旋转支撑上的支撑杆组成一个支撑轮。对于较大功率的垂直轴风力发电机而言，由于叶片较长，一般一个叶片由两个或两个以上的支撑轮支撑。一个支撑轮的支撑杆一般在一个水平面上，通过支撑轮传动直接驱动发电机，或仅起支撑作用。

可以看出，该结构的垂直轴风力发电机在运行或刹车的过程中上支撑轮和下支撑轮之间由于缺少同步结构，旋转时存在不同步的问题，这会导致上支撑轮和下支撑轮间存在一定的错位角度，而由于上、下支撑轮的支撑杆外端与叶片连接，这种错位角度会导致叶片扭曲，严重时可导致叶片被扭坏，因此，对于大型垂直轴风力发电机，必须对旋转机构增加同步结构。

图1 垂直轴风力发电机的旋转机构

2 传统垂直轴风力发电机同步机构

垂直轴风力发电机的同步拉索机构如图2所示，L为垂直轴风机风轮半径，B为风轮叶片弦长，传统的同步措施是在上下支撑轮的支撑杆之间设置拉索（05），风机运行时通过拉索来保持风机支撑轮的同步。该措施虽能在一定程度上解决垂直轴风力发电机的同步问题，但支撑杆之间相互连接的拉索类似蜘蛛网，不仅增加了风轮的气动阻力，降低风力发电机气动性能，而且还影响风机整体美观，更重要的是由于风轮长期运动和振动极易导致拉索的松动，所以需要频繁检修，由于拉索在空中相互交叉并远离工作平台，每次检修都要使用吊车和升降车等设备，这不仅增加检修的难度和危险性，同时也极大地增加了检修费用和维护成本。

图2 垂直轴风力发电机的同步拉索机构

另外一种常见的试图保证同步的方法是，对支撑轮转速进行实时测量，然后通过负载或刹车等手段，人为控制上下支撑轮的同步运转，此方法不仅结构复杂，控制逻辑繁琐、控制速度和灵敏度要求高且成本高，而且转速测量累积误差及测量系统的不可靠性都有可能导致风轮的毁灭性破坏，因此该类方法可靠性比较差。

3 基于同步套筒的垂直轴风力发电机同步机构

针对上述垂直轴风力发电机旋转机构同步方法的不足，提出了一种垂直轴风力发电机支撑轮旋转同步机构的设计方法，该机构可以有效地保证垂直轴风力发电机上下相邻两支撑轮之间同步运转，且不同支撑轮之间的位置误差始终在允许范围之内，具有安装方便、运行可靠、后期运行维护成本低的优点，提高了风力机整体运行的可靠性和稳定性。

3.1 同步套筒整体结构设计

所采用的同步机构是在各个所述旋转支撑之间设置同步套筒，该同步套筒连接在相应的旋转支撑上，使得各个旋转支撑连接在一起，以保证各旋转部件运行时的同步性。对于大型垂直轴风力发电机而言，风力发电机叶片都很长，一般不小于10 m，对应的，在两个旋转支撑外转子套之间的同步套筒也是大型部件，因此考虑到制造成本和便于安装，将其分成上下几段，并根据需要将其中一段分成几瓣。一般情况下，下套筒段做成一个整体时，上套筒段将设计成几瓣集合套筒段，这样的结构将更方便安装。

图3 同步套筒结构

图4 同步套筒俯视结构

图5 同步套筒剖视结构

同步套筒结构如图3所示，俯视结构如图4所示，剖视结构如图5所示。可以看出，设计的同步套筒是由上下两个套筒段组成，机构051为同步套筒上连接件，机构052为上套筒段，机构053为下套筒段，机构054为同步套筒下连接件。上套筒段设计为集合式套筒段，由沿轴向均匀分割开的3个套筒瓣连接而成。上同步套筒瓣结构如图6所示，机构a为加强筋，机构052a为同步套筒侧壁，机构052b为侧立墙，机构052c为凸缘，机构052d为凸环。3个套筒瓣通过侧立墙上的螺栓孔穿设螺栓螺接固连。上套筒段与下套筒段通过二者邻接端凸缘间的螺栓孔穿设螺栓螺接固连，二者与套筒侧壁之间设置加强筋加固。同时，为了保证套筒结构的稳定性，在套筒瓣的外侧面上固设凸环以实现套筒瓣侧立墙的加固。较长的下套筒段的内侧壁上可以设置若干层内凸环来加固，同步套筒机构中下部套筒段的主视结构如图7所示，机构053a为下套筒上端，机构053b为下套筒焊接缝，下部套筒段结构为一体式的整体套筒。

图6 上同步套筒瓣结构

图7 下同步套筒段主视结构

3.2 同步套筒连接件设计

同步套筒上、下连接件位于同步套筒结构的顶端和底端，分别连接垂直轴风力发电机上旋转支撑外转子和下旋转支撑外转子，是保证风力机在运行和刹车的过程中上下旋转支撑运转同步的重要连接部件。考虑到结构的稳定性，同步套筒上端轴向设计了均布的3个上连接件，同步套筒下端轴向设计了均布的3个下连接件，上、下连接件结构如图8～9所示。

图8中，051a为上连接件横板，051b为上连接件竖板，二者构成倒“T”型主体，横板上开螺栓孔，通过螺栓将上连接件固定在同步套筒上端的凸缘上。横板为一环形板，与同步套筒上端的凸缘匹配，其上设螺栓长孔，与同步套筒上端的凸缘上的螺栓孔（可以是长孔）匹配对应，通过螺栓将上连接件固定在同步套筒的上端。竖板为一平侧板，与旋转支撑外转子的侧周壁对应处的平面部分相匹配，如果旋转支撑外转子的侧周壁与上连接件相对应处为弧面，则竖板就为匹配的弧面板，且在竖板上开螺栓长孔，与旋转支撑外转子上的螺栓孔匹配实现螺接。3个上连接件横板的接缝处设置连接压板，连接压板上设螺栓孔，与横板上的螺栓孔对应，通过螺栓固定。

图8 同步套筒上连接件结构

图9 同步套筒上连接件结构

图9中，054a为下连接件横板，054b为下连接件竖板，二者构成倒“L”型主体。横板为环形板，与同步套筒的下端的凸缘对应，搭在下凸缘上，竖板向下伸出，为与旋转支撑外转子的侧周壁匹配的平形板，与旋转支撑外转子的侧周壁对应处的平面部分相匹配，如果旋转支撑外转子的侧周壁与上连接件相对应处为弧面，则竖板就为匹配的弧面板。在竖板上设螺栓孔，通过螺栓与旋转支撑外转子螺接。

4 应用实例

目前，该研究内容已形成工业产品，并应用于国网山东电科院新能源综合利用示范工程中的20 kW垂直轴风力发电机，该风电机组也是目前国内单机容量最大、技术最先进的垂直轴风力发电机组。垂直轴风力发电机同步套筒机构应用实例如图10所示。

图10 垂直轴风力发电机同步套筒机构应用实例

5 结语

设计一种垂直轴风力发电机的同步套筒机构，该机构将风机的上旋转支撑轮和下旋转支撑轮互连，很好地解决了垂直轴风力发电机旋转部件不同步的问题，同时该设计大幅减少了运行和刹车过程中叶片损坏的风险，保证了垂直轴风力发电机运行的稳定性。目前，所研究技术已应用于成熟的20 kW垂直轴风力发电机产品中，并取得了良好的运行效果，具有广阔的应用前景。

［1］李林，张延迟，杨宏坤，等.水平轴风力发电机组模型综述［J］.电工电气，2014（6）：5-10.

［2］蒋超奇，严强.水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究［J］.上海电力，2007，20（2）：163-165.

［3］田海姣，王铁龙，王颖.垂直轴风力发电机发展概述［J］.应用能源技术，2006（11）：22-27.

［4］严强，蒋超奇.垂直轴风力发电机的发展趋势和应用［J］.上海电力，2007，20（2）：166-167.

［5］苏绍禹.风力发电机设计与运行维护［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［6］葛俊旭.兆瓦级垂直轴风力发电机组的关键技术研究［D］.杭州：浙江大学，2010.

［7］寇薇，苑宾，李琦，等.一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计［J］.电力科学与工程，2011，27（5）：25-28.

［8］李争，孙甜甜，高培峰.分布式发电系统用垂直轴风力发电机特性的仿真分析［J］.电气传动，2016，46（5）：89-92.

［9］梁亮.风机旋转机械设备故障诊断专家系统的设计与实现［D］.北京：北京化工大学，2008.

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，工程师，从事新能源发电技术与新能源并网技术研究。

国家科技支撑计划（2015BAA07B00）；国家自然科学基金青年科学基金项目（201661503216）