垂直轴风力发电机的创新设计应用

朱巍晶( 上海华贻电力市政建设工程有限公司， 上海 201603)

1 传统垂直轴风力发电机的缺陷

风能作为一种可再生、无污染的新能源，既节能减排、节约环保又无后期大量电费支出，因而被广泛应用。小型微风发电机由于性价比高，所以能够走进千家万户；还可与太阳能资源进行互补，并在短时间内收回投资。垂直轴风力发电机由于结构的新颖性受到用户青睐，在公园、景区被大量采用。目前，国内传统垂直轴风力发电机叶片安装普遍采用悬臂式长轴结构，如图1 所示。

图1 传统垂直轴风力发电机结构

但是，这种传统垂直轴风力发电机存在以下的技术问题及缺点。

（1）悬臂式长轴结构的外伸端长度与插入端（发电机轴承间距离）长度之比高达 15∶1 以上。因此，由叶片重力和叶片旋转径向力将会产生很大的附加弯矩。这种结构的叶轮结构刚性差，运行平稳性差，而且附加弯矩会直接影响发电机的运行效率和运行寿命。

（2）悬臂式长轴结构装配工艺性差，如轴承安装、定子引线焊接及发电机上下盖装配等，均不方便操作，难以保证装配质量，维修则更为困难。

（3）悬臂式长轴结构垂直轴风力发电机的结构尺寸庞大，而且质量分布不均衡。由于包装运输采用的整体结构尺寸过于庞大，所以运输过程中很容易发生侧翻，以及发电机主轴变形等事故。现场安装时，整体吊装或分体吊装、安装均不方便，很容易发生人身事故。

（4）悬臂式长轴由于长径比太大，所以细长轴加工工艺性差，加工成本高，无论装配、运输、安装及运行都很容易产生弯曲变形。

（5）为了改善装配工艺性，方便装配运输和安装，有些垂直轴风力发电机外伸轴采用分段加长方法及结构，这种加长结构虽然解决了上述装配工艺性及装配、运输、安装过程的问题，但在结构和力学性能方面依然无法改变固有的技术缺陷，反而由于加长轴结构刚度远低于整体轴，所以运行平稳性更差，而且产生的径向力及附加弯矩更大。

综上所述，传统悬臂长轴结构垂直轴风力发电机的主要技术问题及缺点可归结为：结构刚度差，运行效率及运行寿命低，加工装配安装工艺性差。随着风力发电机功率的增大，上述缺陷将变得更为突出。

2 负载平衡式垂直轴风力发电机

针对上述技术缺陷，提出了一种新型负载平衡式垂直轴风力发电机结构。该结构的风轮机叶片和永磁发电机质心与发电机主轴长度中心处于同一平面，质量分布均匀，且悬臂长度可缩小一半以上。因此，可以从结构上使风轮机在受力状态下产生附加径向力及弯矩减小或平衡，结构刚性大为改善，无论装配运输及安装工艺性能均较传统悬臂式结构大为改善。

通过创新设计制造的负载平衡式垂直轴风力发电机，其结构与传统垂直轴风力发电机相比，可以更有效地平衡和减少运行过程中径向力和附加弯矩对发电机性能及寿命的影响，而且风轮机结构刚性好，运行平稳，如图2 所示。

图2 负载平衡式垂直轴风力发电机结构

2.1 工作原理

负载平衡式垂直轴风力发电机动力传递部件主要包括固定主轴、发电机上盖、发电机下盖、上下回转体套筒、上下联轴器、风叶固定杆及风叶组成。其结构采用轴向对称式布局结构。系统运行时，在风力作用下，风叶旋转，通过叶片固定杆分别作用于上下回转体套筒，带动其同步旋转；通过上下联轴器同时驱动上下盖绕固定主轴旋转，产生电能。

2.2 主要结构及特点

2.2.1 负载平衡式总体结构

该结构采用轴向对称式佈局，风叶与发电机相对固定主轴轴向对称安装。风叶分别固定在发电机上下两边的回转体套筒上。由于悬臂长度短，可有效减小及平衡由径向力和叶片重力产生的附加弯矩。同时这种结构的风轮机连接刚度高，运行平稳。因此，这种结构具有良好的力学性能，可以提高发电机的平稳性、运行性能及寿命。

2.2.2 对称式双回转套双驱动结构

该结构风叶上下两端分别固定在对称的上下回转套上，回转套采用双轴承与固定主轴连接，当风叶转动时，上下回转套同步转动。通过上下两对联轴器同步驱动发电机上下盖同步旋转，产生电能。该结构采用双轴承回转套结构，连接刚性好。传统悬臂长轴垂直轴风力发电机的风能传递工程是通过驱动上盖，再通过上下盖连接螺钉产生摩擦力带动下盖同步转动。这种结构则是采用上下盖同时双驱动模式，扭矩传递过程的机械效率高，连接螺钉受到的附加载荷小，运行安装更可靠。同时上下盖套筒采用双轴承结构，风叶连接刚性好，运转平稳性大大提高。固定主轴可采用厚壁钢管加工，由于固定主轴长度减小，其刚性高，所以加工工艺性能好，且加工成本也大大降低。主要动力部件采用对称式布局，外形结构尺寸小，重心分布合理，改变了传统垂直轴风力发电机“头重脚轻”，重心不稳的弊端。这种结构可以采用整体式运输及安装，运输成本低，安装方便；发电机安装在固定主轴的对称位置上，由于悬臂短，因此大大改变了电机装配性能和可维修性能。

3 风轮机与发电机一体式结构的缺陷

传统垂直轴风力发电机普遍采用风轮机与发电机一体式结构，这种结构存在以下问题和缺点。

⑴ 外伸轴在运行过程中承受较大径向力及附加弯矩，而这种负载力最终必然会传递到发电机轴承，造成轴承松动，甚至损坏，从而影响发电机运行效率，缩短发电机的运行寿命。

⑵ 由于外伸轴比较长，所以在运行过程中由于径向力和附加弯矩作用会产生一定弹性变形，导致传递到电机外壳的负载既包括有效扭矩也包括部分径向力，会直接影响发电机的运行性能及寿命。

⑶ 外伸轴长度通常比较大（如 1 kW 外伸长度在1.4～1.8 m），因此整机装配过程复杂、效率低，包装运输麻烦且安装困难。

⑷ 一体式结构不论是发电机部分还是风轮机部分出现故障，往往需要全部拆除方能进行零部件更换，维护性能差。

⑸ 为了方便装配及运输，有些垂直轴风力发电机外伸轴采用分段加长方法及结构，但这种加长结构在安装时非常困难，同时加长结构的刚性大大低于整体轴结构，运行过程中的径向力和附加弯矩更大。

综上所述，传统一体式结构主要问题和缺点可归结为“效率低、寿命短、装配难、维护性能差”。随着垂直轴风力发电机功率的增大，上述问题和缺点将更加突出。

4 分离式风轮机结构

针对以上缺陷提出一种分离式风轮机结构。它是对传统一体化垂直轴风力发电机风轮机的一种创新设计，即采用模块化设计思路，将垂直轴风力发电机分成两个相对独立模块（单元）：风轮机与发电机。采用这种结构后，风力产生的径向力和附加弯矩可由风轮机固定主轴承担，而不会传递到发电机上，传递到发电机上的只是纯转矩，因此大大提高了发电机寿命。同时，分离式风轮机结构的装配运输及安装性能良好，可以有效提高发电机的运行效率和运行寿命，大大降低装配、运输及安装成本，并且具有良好的维护性能。

创新设计的分离式垂直轴风轮机总成与发电机总成可组合成一种新型的垂直轴风力发电机，其结构如图3 所示。

图3 分离式风轮机结构

4.1 分离式风轮机工作原理

在风力作用下，风轮机叶片绕回转轴旋转，从而带动回转套筒轴同步旋转，回转套筒轴通过牙嵌式联轴器带动驱动轴同步旋转，并通过弹性联轴器驱动发电机运转发电。这样就能实现“风能—机械能—电能”的能量转换。分离式风轮机与发电机通过弹性联轴器相连，而不是刚性连接，从而保证了发电机只承受有效转矩而不承受径向力和附加弯矩。

4.2 分离式风轮机主要结构及特点

4.2.1 卸荷式风轮旋转结构

风轮机叶片通过风叶固定杆与回转套筒轴相连。回转套筒轴通过两端滚动轴承与固定套筒轴保持同轴固定。当风力作用叶片驱动风轮机旋转时，由不平衡力产生的径向力和附加弯矩，通过轴承传递到固定套筒轴，风轮机旋转产生的驱动力矩则传递到发电机驱动轴上。因此与传统一体化风力发电机相比，作用到发电机上只有纯转矩，而无附加径向力和弯矩。由于固定套筒轴是空心轴结构，所以同样截面下，抗弯刚度大大提高，风轮机旋转平衡性也大幅提升。

4.2.2 半悬臂回转套筒轴结构

半悬臂回转套筒轴结构的回转套筒轴通过轴承联结在固定套筒轴上，套筒轴接套则通过接套法兰与回转套筒轴固接。这种结构可在保证刚度情况下，有效减小回转套筒轴、发电机驱动轴以及固定套筒轴长度尺寸，便于保证加工质量并减少加工成本。回转套筒轴及接套采用合金铝管型材，重量轻，加工成本低，具有较大刚性。

4.2.3 分离式风轮机与发电机安装基座

分离式风轮机与发电机安装基座，加工有两个定位止口。下底安装发电机，上盖安装分离式风轮机，从而保证了风轮机与发电机的同轴度和高度定位，提高了重复安装的精度，更便于安装与维护。

4.2.4 转矩传递与联轴器结构

回转套筒轴与发电机驱动轴转矩传递，采用牙嵌式端面键结构。这种结构体积小，承载扭矩大，对两个轴之间的同轴度要求不高，而且不会产生附加的径向力，非常适合风力发电机的运行工况。

发电机驱动轴与发电机连接采用剖分式弹性柱销联轴器，由于弹性体采用橡胶，易损坏，需要定期更换。剖分式联轴器结构，可以在现场直接更换弹性圈，而不需拆卸其他部件。为了保证拆装精度的重复性，剖分式联轴器采用圆柱面及定位键，以保证其重复安装时轴向及径向的定位。

4.2.5 风叶结构

风叶采用一种混合动力叶片，该叶片叶型面既有升力型外弧面，又有阻力型的内弧面和进气口，具有良好的低风速启动性能、高风速下叶点速度比和扭矩输出。其结构轻巧，风能利用率高。

4.2.6 材料选择及表面处理

分离式风轮机除固定套筒轴及发电机驱动轴采用钢材外，均采用铝合金并进行喷塑处理，回转部分质量轻，机械阻力小，具有较高的机械强度和防腐能力。

5 结 语

针对国内传统垂直轴风力发电机存在的问题和缺点，对传统垂直轴风力发电机悬臂式长轴结构进行创新设计。

（1）负载平衡式垂直轴风力发电机由于在结构设计尤其是主要部件方面采用对称式布局，所以从结构上大大提高了垂直轴风力发电机的运行性能、运行寿命和装配工艺性能。该产品总体结构尺寸小，具有良好的装配工艺性，而且运输安装方便、维修性能好，与传统垂直轴风力发电机相比，具有显著的技术优势和成本优势。

（2）分离式风轮机从原理及结构上保证了新型负载平衡式垂直轴风力发电机的运行效率，极大提高了运行寿命，并且具有维护性能好、安装方便、总体制造成本低等优点。因此，分离式风轮机具有很大的实用价值，而且对于同类不同功率的垂直轴风力发电机也具有推广价值。