拉索式垂直轴风力机结构分析

（武警海警学院 浙江宁波 315801）

0 引言

相对水平卧式风力机，垂直轴风力机具有诸多突出优点：如无需风轮定向系统（定向系统的故障率占总量的13%）；其叶片可由等厚散件组装，且表面翼形比水平卧式风力机的螺旋浆式叶片形状简单了很多，大大降低了叶轮制造成本（螺旋浆式叶片成本为整机的1/3）；其发电机组安装位置灵活，可以安装在塔架下部，甚至可由基础来支撑，减少了塔架承载重量，提高了结构的稳定性［1］。但垂直轴风力机叶片不能像水平卧式风力机那样安装在轮毂中，水平卧式风力机叶片处在叶片回转面内，叶片转动产生的离心力使水平卧式风力机叶片受拉力作用，对叶片的变形影响不大，而垂直轴风力机叶片与叶片回转面垂直，叶片转动产生的离心力与叶片长度方向垂直，离心力对叶片受力和变形影响很大，使叶片产生弯曲变形。叶片重量越大离心力越大，影响越大，进而影响垂直轴风力机的经济性、可靠性，因此减少叶片及整个回转结构的重量至关重要。

1 垂直轴风力机减重方向及措施

图1 是H 型垂直轴风力机简图，垂直轴风力机一般由叶片、叶片支撑件、塔架、发电机组及配套等部分组成［2-3］。塔架是固定在基础之上，发电机组及配套可以安装固定在塔架中，塔架和发电机组是静止不动的，它们的重量对叶片的变形影响不大，对风力机可靠性及运行效率也没有直接的大的影响。对风力机性能和安全有直接和重大影响的是叶片和叶片支撑件，风力机运行时叶片和叶片支撑件是作回转运动的，都会产生很大的离心力，直接影响叶片的变形，并影响风力机的运行效率、可靠性和安全性，因此要尽可能减少叶片及整个回转结构的重量。

叶片支撑件一般不是单一的杆件，而是由杆件等组成的框架回转结构。要减少叶片及支撑件框架的重量，一方面要对叶片及支撑件本身进行轻量化设计，这与叶片的制造方法和工艺有关，垂直轴风力机叶片可以像水平卧式风力机叶片用高分子材料整体成型，也可以用板材冷挤压或用树脂热挤压成型，挤压成型容易实现规模生产，并可以在空腔内通以型材来增强刚度和强度；另一方面，可以通过改变叶片的固定方式来减重，拉索式垂直轴风力机通过拉索来固定叶片，极大地减少了支撑件的重量，从而减少整个回转结构的重量［4］。

2 拉索式垂直轴风力机结构特点

2.1 拉索式垂直轴风力机结构

如图1 所示，对H 型垂直轴风力机而言，2 个叶片在近似中点的位置固定于横梁两端，运行时叶片和横梁绕塔架轴线转动。在风力、离心力、升力的作用下，叶片会发生变形及振摆，进而影响风力机的运行效率、可靠性和安全性，离横梁越远则变形越大。实际应用中，为固定叶片、减少变形，会在叶片之间增加若干类似横梁的支撑件，如图2 所示。支撑件大多是金属型材，普通垂直轴风力机的支撑件总重量要比叶片大很多，整个回转结构中支撑件占比达60%～80%，回转半径越大支撑件占比越大，因此在固定好叶片的前提下，减少支撑件重量是非常有效的减重途径，也是拉索式垂直轴风力机的设计目标。

图1 H 型垂直轴风力机简图

图2 带支撑件的垂直轴风力机简图

如图3 所示，拉索式垂直轴风力机由内拉索1、叶片2、外拉索3、横梁撑杆4、横梁拉索5、横梁6、叶片安装盘7、电机8、塔架9 等组成。电机安装在风力机塔架上，叶片安装盘和电机的转轴相连。叶片竖直方向布置，横梁水平放置。叶片固定在横梁中，叶片上的固定点在叶片的中间位置，横梁上的固定点在靠近横梁外端位置，叶片处在靠近横梁外端里侧的位置，叶片和横梁的装配组件均布安装在叶片安装盘上，横梁的里端固定在叶片安装盘上，叶片上连接有若干外拉索和若干内拉索。外拉索一端连接到叶片，另一端连接到横梁的外端。内拉索一端连接到叶片，另一端连接到相邻的叶片。拉索的数量视叶片长度情况而定，以保证叶片旋转时的稳定性和刚性。

2.2 拉索式垂直轴风力机结构分析

普通的垂直轴风力机的叶片都布置在横梁的最外端，没有像拉索式垂直轴风力机一样“叶片处在靠近横梁外端里侧的位置”布置，如图4 所示。那段伸出叶片外侧的“外伸横梁”对于普通的垂直轴风力机而言是多余的结构，这样的设计在普通垂直轴风力机中不仅材料浪费，还会产生不必要的离心力，而拉索式垂直轴风力机有了这“外伸梁”后才能实施正确的拉索。拉索式垂直轴风力机形似斜拉桥设计，只是它拉紧的是垂直轴风力机叶片，并且上下左右都拉紧，把叶片近似刚体般固定在横梁上。叶片及横梁的数量一般为2 到5 个，当叶片及横梁为偶数个时，同一径向的横梁可以做成一体，以增加刚性和强度，也容易制造和安装，如图5 所示的4 叶片回转结构简图；对奇数叶片的垂直轴风力机而言，每段横梁只能单独安装在叶片安装盘上，图6 是3 叶片回转结构简图。

为了进一步减轻重量，横梁也可以用拉索结构以提高承载能力，如图4 所示，横梁上连接有横梁拉索5，横梁拉索一端固定在横梁，另一端固定在横梁撑杆4，横梁撑杆固定在叶片安装盘的旋转轴线位置。

图3 拉索式垂直轴风力机简图

图4 叶片和横梁位置示意图

3 拉索预紧力计算要点

拉索式垂直轴风力机能否有效地固定好叶片，主要看拉索施加的预紧力是否合适，使叶片在载荷的作用下产生的变形控制在合理的范围［5-7］，这需要深入计算分析载荷、预紧力、叶片变形的关系，这里只针对叶片变形分析进行概要的描述。拉索式垂直轴风力机主要受风力、离心力、重力、拉索预紧力的作用，不同风速、不同风力机转速时，垂直轴风力机所受的风力、离心力是不同的；相同风速下，静止不转的垂直轴风力机和转动运行的垂直轴风力机所受的风力也是不同的，需要计算不同情况下的各种载荷，找出极限情况，计算在风力、离心力、重力、拉索预紧力综合作用下的叶片变形量，得出合适的预紧力。

图5 4 叶片回转结构简图

图6 3 叶片回转结构简图

4 结论

拉索式垂直轴风力机类似斜拉桥设计，通过布置伸出叶片外侧的“外伸横梁”，把叶片近似刚体般固定在靠近横梁外端里侧的位置。叶片一般为2 到5 个，绕转动轴线均匀布置。叶片上连接有若干外拉索和若干内拉索，外拉索一端连接到叶片，另一端连接到横梁的外端，内拉索一端连接到叶片，另一端连接到相邻的叶片。拉索的数量视叶片长度情况而定。拉索需要施加适当的预紧力才能使叶片变形量控制在规范要求内，可以通过仿真软件根据不同情况下的各种载荷，计算在风力、离心力、重力、拉索预紧力综合作用下的叶片变形量，得出合适的预紧力。