拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)分析

（武警海警學(xué)院 浙江寧波 315801）

0 引言

相對(duì)水平臥式風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)具有諸多突出優(yōu)點(diǎn)：如無(wú)需風(fēng)輪定向系統(tǒng)（定向系統(tǒng)的故障率占總量的13%）；其葉片可由等厚散件組裝，且表面翼形比水平臥式風(fēng)力機(jī)的螺旋漿式葉片形狀簡(jiǎn)單了很多，大大降低了葉輪制造成本（螺旋漿式葉片成本為整機(jī)的1/3）；其發(fā)電機(jī)組安裝位置靈活，可以安裝在塔架下部，甚至可由基礎(chǔ)來(lái)支撐，減少了塔架承載重量，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［1］。但垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片不能像水平臥式風(fēng)力機(jī)那樣安裝在輪轂中，水平臥式風(fēng)力機(jī)葉片處在葉片回轉(zhuǎn)面內(nèi)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力使水平臥式風(fēng)力機(jī)葉片受拉力作用，對(duì)葉片的變形影響不大，而垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片與葉片回轉(zhuǎn)面垂直，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力與葉片長(zhǎng)度方向垂直，離心力對(duì)葉片受力和變形影響很大，使葉片產(chǎn)生彎曲變形。葉片重量越大離心力越大，影響越大，進(jìn)而影響垂直軸風(fēng)力機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性，因此減少葉片及整個(gè)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的重量至關(guān)重要。

1 垂直軸風(fēng)力機(jī)減重方向及措施

圖1 是H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)圖，垂直軸風(fēng)力機(jī)一般由葉片、葉片支撐件、塔架、發(fā)電機(jī)組及配套等部分組成［2-3］。塔架是固定在基礎(chǔ)之上，發(fā)電機(jī)組及配套可以安裝固定在塔架中，塔架和發(fā)電機(jī)組是靜止不動(dòng)的，它們的重量對(duì)葉片的變形影響不大，對(duì)風(fēng)力機(jī)可靠性及運(yùn)行效率也沒(méi)有直接的大的影響。對(duì)風(fēng)力機(jī)性能和安全有直接和重大影響的是葉片和葉片支撐件，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)葉片和葉片支撐件是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，都會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，直接影響葉片的變形，并影響風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率、可靠性和安全性，因此要盡可能減少葉片及整個(gè)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的重量。

葉片支撐件一般不是單一的桿件，而是由桿件等組成的框架回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。要減少葉片及支撐件框架的重量，一方面要對(duì)葉片及支撐件本身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，這與葉片的制造方法和工藝有關(guān)，垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片可以像水平臥式風(fēng)力機(jī)葉片用高分子材料整體成型，也可以用板材冷擠壓或用樹(shù)脂熱擠壓成型，擠壓成型容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，并可以在空腔內(nèi)通以型材來(lái)增強(qiáng)剛度和強(qiáng)度；另一方面，可以通過(guò)改變?nèi)~片的固定方式來(lái)減重，拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)通過(guò)拉索來(lái)固定葉片，極大地減少了支撐件的重量，從而減少整個(gè)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的重量［4］。

2 拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，對(duì)H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，2 個(gè)葉片在近似中點(diǎn)的位置固定于橫梁兩端，運(yùn)行時(shí)葉片和橫梁繞塔架軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在風(fēng)力、離心力、升力的作用下，葉片會(huì)發(fā)生變形及振擺，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率、可靠性和安全性，離橫梁越遠(yuǎn)則變形越大。實(shí)際應(yīng)用中，為固定葉片、減少變形，會(huì)在葉片之間增加若干類似橫梁的支撐件，如圖2 所示。支撐件大多是金屬型材，普通垂直軸風(fēng)力機(jī)的支撐件總重量要比葉片大很多，整個(gè)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中支撐件占比達(dá)60%～80%，回轉(zhuǎn)半徑越大支撐件占比越大，因此在固定好葉片的前提下，減少支撐件重量是非常有效的減重途徑，也是拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1 H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)圖

圖2 帶支撐件的垂直軸風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)圖

如圖3 所示，拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)由內(nèi)拉索1、葉片2、外拉索3、橫梁撐桿4、橫梁拉索5、橫梁6、葉片安裝盤7、電機(jī)8、塔架9 等組成。電機(jī)安裝在風(fēng)力機(jī)塔架上，葉片安裝盤和電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連。葉片豎直方向布置，橫梁水平放置。葉片固定在橫梁中，葉片上的固定點(diǎn)在葉片的中間位置，橫梁上的固定點(diǎn)在靠近橫梁外端位置，葉片處在靠近橫梁外端里側(cè)的位置，葉片和橫梁的裝配組件均布安裝在葉片安裝盤上，橫梁的里端固定在葉片安裝盤上，葉片上連接有若干外拉索和若干內(nèi)拉索。外拉索一端連接到葉片，另一端連接到橫梁的外端。內(nèi)拉索一端連接到葉片，另一端連接到相鄰的葉片。拉索的數(shù)量視葉片長(zhǎng)度情況而定，以保證葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性和剛性。

2.2 拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)分析

普通的垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片都布置在橫梁的最外端，沒(méi)有像拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)一樣“葉片處在靠近橫梁外端里側(cè)的位置”布置，如圖4 所示。那段伸出葉片外側(cè)的“外伸橫梁”對(duì)于普通的垂直軸風(fēng)力機(jī)而言是多余的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)在普通垂直軸風(fēng)力機(jī)中不僅材料浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生不必要的離心力，而拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)有了這“外伸梁”后才能實(shí)施正確的拉索。拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)形似斜拉橋設(shè)計(jì)，只是它拉緊的是垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片，并且上下左右都拉緊，把葉片近似剛體般固定在橫梁上。葉片及橫梁的數(shù)量一般為2 到5 個(gè)，當(dāng)葉片及橫梁為偶數(shù)個(gè)時(shí)，同一徑向的橫梁可以做成一體，以增加剛性和強(qiáng)度，也容易制造和安裝，如圖5 所示的4 葉片回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；對(duì)奇數(shù)葉片的垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，每段橫梁只能單獨(dú)安裝在葉片安裝盤上，圖6 是3 葉片回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

為了進(jìn)一步減輕重量，橫梁也可以用拉索結(jié)構(gòu)以提高承載能力，如圖4 所示，橫梁上連接有橫梁拉索5，橫梁拉索一端固定在橫梁，另一端固定在橫梁撐桿4，橫梁撐桿固定在葉片安裝盤的旋轉(zhuǎn)軸線位置。

圖3 拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)圖

圖4 葉片和橫梁位置示意圖

3 拉索預(yù)緊力計(jì)算要點(diǎn)

拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)能否有效地固定好葉片，主要看拉索施加的預(yù)緊力是否合適，使葉片在載荷的作用下產(chǎn)生的變形控制在合理的范圍［5-7］，這需要深入計(jì)算分析載荷、預(yù)緊力、葉片變形的關(guān)系，這里只針對(duì)葉片變形分析進(jìn)行概要的描述。拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)主要受風(fēng)力、離心力、重力、拉索預(yù)緊力的作用，不同風(fēng)速、不同風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)所受的風(fēng)力、離心力是不同的；相同風(fēng)速下，靜止不轉(zhuǎn)的垂直軸風(fēng)力機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行的垂直軸風(fēng)力機(jī)所受的風(fēng)力也是不同的，需要計(jì)算不同情況下的各種載荷，找出極限情況，計(jì)算在風(fēng)力、離心力、重力、拉索預(yù)緊力綜合作用下的葉片變形量，得出合適的預(yù)緊力。

圖5 4 葉片回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖6 3 葉片回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 結(jié)論

拉索式垂直軸風(fēng)力機(jī)類似斜拉橋設(shè)計(jì)，通過(guò)布置伸出葉片外側(cè)的“外伸橫梁”，把葉片近似剛體般固定在靠近橫梁外端里側(cè)的位置。葉片一般為2 到5 個(gè)，繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線均勻布置。葉片上連接有若干外拉索和若干內(nèi)拉索，外拉索一端連接到葉片，另一端連接到橫梁的外端，內(nèi)拉索一端連接到葉片，另一端連接到相鄰的葉片。拉索的數(shù)量視葉片長(zhǎng)度情況而定。拉索需要施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力才能使葉片變形量控制在規(guī)范要求內(nèi)，可以通過(guò)仿真軟件根據(jù)不同情況下的各種載荷，計(jì)算在風(fēng)力、離心力、重力、拉索預(yù)緊力綜合作用下的葉片變形量，得出合適的預(yù)緊力。