垂直轴风力发电机结构概述 论文4页 2249字.doc

垂直轴风力发电机结构概述 （上海麟风风能科技有限公司 牛海峰 张 冬 摘要：本文介绍了垂直轴风力发电机的分类和结构型式，从支持翼的结构连接方式上分析了其优缺点。并提出了一种可变攻角垂直轴风力发电机的实现方法。 关键词：垂直轴风力发电机 结构型式 支持翼 固定攻角 可变攻角 引言 垂直轴风力发电机具有不需要对风向、噪音小、运行安全可靠、外型美观和维护简单等优点，近年来越来越多地应用于城市中心区域的公共照明、居民家庭、广告牌、大楼用电、高速公路全程监控系统、游船、渔船、乡村电站等领域。 垂直轴风力发电机可分为两个主要类别，一类是利用空气动力的阻力作功，典型的结构是型风力发电机风力发电机（图1-1）。它通常由两轴线错开的半圆柱形叶片组成，风力发电机其优点是启动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。。图1-1 S型风力发电机 图1-2 达里厄（Darrieus）型风力发电机 另一类是利用翼型的升力作功，叶片具翼型剖面，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。最典型的是达里厄（Darrieus）型风力发电机（图1-2）和H型垂直轴风力发电机。 达里厄（Darrieus）型风力发电机的结构型式有Φ型型，发电发电垂直轴风力发电机结构型式比较多，一种典型的结构型式如图1-3。叶片和轴的支承结构（以下简称支持翼）和叶片连接方式有垂直连接和倾斜连接。叶片分直叶片和扭曲叶片。这种类型的垂直轴风力发电机经过良好的设计后，有很好的空气动力学性能和很高的风能利用率。目前引起行业界的广泛关注。 图1-3 H型垂直轴风力发电机 垂直轴风力发电机 虽然垂直轴风力发电机的结构型式多种多样，使得支持翼的结构型式各有不同。但支持翼结构类型不外乎以下两种： 支持翼、叶片一体型 达里厄（Darrieus）型风力发电机（图1-2）采用叶片直接连接在主轴上的结构型式，使得支持翼和叶片成为一体（省去了支持翼）。而S型风力发电机（图1-2）也简化为该类型的连接方式。其他该类垂直轴风力发电机结构型式见图2-1 图2-1 支持翼、叶片一体型 对于支持翼、叶片一体型而言，优点在于结构型式简单，外表美观。缺点在于叶片制造、加工难度大。而且当功率逐渐加大时，增加高度和直径对作为细长构件的叶片和轴的稳定性设计极为不利。 支持翼以一定角度与叶片连接 目前广泛应用的H型垂直轴风力发电机结构型式，支持翼连接方式主要有： 支持翼连接在叶片的两端（图2-2） 图2-2 支持翼两端连接 图2-2所示连接方式，优点在于外表美观，连接刚性较好。主要缺点在于随着功率的增加，叶片的受力简化为两端简支结构，造成叶片强度设计难度增加，材料支出增加。同时对作为细长构件的轴的稳定性设计极为不利。 支持翼垂直连接于叶片的中间（图2-3） (a) (b) (c) (d) 图2-3 支持翼垂直连接 图2-3 给出了几种支持翼垂直连接的实例。该连接方式属于结构受力型式和经济效益综合性能很好的连接方式，因此应用广泛。图(a)、 (d)两种连接方式接近，叶片受力情况较好，轴的长度适中，法兰设计制造难度不大。图(b)连接方式主支持翼垂直连接，另外考虑到叶片的稳定性，在主支持翼上加了斜撑，同时设有拉索。对于该连接方式，轴的长度可以设计的很短，但是刚度设计是该类型垂直轴风力发电机的难点与重点。图(c)连接方式为了提高叶片的稳定性增加了一组支持翼，同时增加了轴的长度，这对于轴的稳定性是不利的。 支持翼倾斜连接于叶片的中间（图2-4） (a) (b) 图2-4 支持翼倾斜连接 当支持翼倾斜布置时，随着支持翼与水平方向夹角的增大，对轴的受力是有利的。但是支持翼所需承受的弯曲荷载的提高，大幅增加了支持翼材料的用量。对于法兰（用于支持翼和轴连接）也需要更高的刚度同时结构的整体稳定性差。 垂直轴风力发电机根据按接受风能的功率调节方式可分为：定攻角和可变攻角两类。 固定攻角垂直轴风力发电机的连接是固定的。当风速变化时，的迎风角度不能随之变化由于定攻角机组结构简单、性能可靠，在风能开发利用中一直占据主导地位。变攻角垂直轴风力发电机的叶片可以中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内调节变化，其性能比定攻角型提高许多，但结构也趋于复杂。变攻角垂直轴风力发电机变攻角垂直轴风力发电机的支持翼结构 图2-6 连接处详图 结论 介绍了阻力型和升力型两大类垂直轴风力发电机及其所采用结构型式。 对支持翼的结构连接方式进行了分类，并分析了各种连接方式的优缺点。并提出了一种可变攻角