垂直轴风力发电机（精选8篇）
垂直轴风力发电机 第1篇
风能、太阳能、潮汐能是大自然赋予人类最清洁、最廉价的可再生能源。世界各国对这种能源都给予高度的重视, 大力发展风力发电事业。根据《2012年中国风电发展报告》, 中国、欧盟、美国仍然占据了风电发展的区域分布的主导地位, 占世界风电累计装机的85%, 累计装机容量达到62.364GW[1]。
风力发电机是把风的动能转换为机械能, 再把机械能转换为电能或热能等的能量转换装置, 它是风力发电中的主要组成部分, 其性能决定了风力发电机组效率的关键。
2 风力发电机的分类和特点
风力机有多种的分类方法, 根据风力机风轮转轴与风向的位置不同, 可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。按照风力机叶片的工作原理, 风力机分为升力型和阻力型两类[2]。
当风力机的叶轮转轴和风向平行时, 称为水平轴风力机[3], 也是目前国内外研制最多的、最常见的风力机, 使用率占整个风力发电机的97%。当风力机的风轮转轴和风向垂直时, 称为垂直轴风力机。作用在风力机叶片上的风力可分解成与风向平行和垂直两个分力, 平行分力称为阻力, 垂直分力称为升力。根据分力的方向不同, 垂直轴风力机分为两类:一类是利用空气动力的阻力做功, 称为阻力型垂直轴风力机;另一类是利用翼形的升力做功, 称为升力型垂直轴风力发电机, 最典型的是达里厄 (Darrieus) 型风力机, 其叶片包括了直线翼形 (如H型) 和曲线翼形 (如Φ型) 。
相比水平轴发电机, 垂直轴发电机可以接受任何方向的来风, 因此, 不需要对风系统, 系统复杂性较低, 并提高了风能利用率。并且, 其发电机及齿轮箱安装在底部, 结构稳定, 方便调试。产生的气动噪音也小, 适合于对噪声控制要求较高的地方运行。
垂直轴风力机理论是从水平轴风机理论基础上发展起来的。水平轴风力机是在飞机机翼理论基础上发展起来的, 它有得天独厚的机遇。但随着科技发展, 技术的不断改进, 立轴风力机在叶片的设计与制造、风能利用率、启动风速、风轮结构、控制装置、环保效果等方面优于水平轴风力机。因此, 现在正是建立起立轴风力机理论的时代。
3 垂直轴双叶片风机的联动机构设计
3.1反平行四边形机构基本原理
反平行四边形机构存在的充要条件是:
⑴曲柄为最短杆;
⑵最短杆长和最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和;
⑶杆长满足两对边相等且不平行 (如图2所示) ,
当主动曲柄AO1以ω1匀速转动时, 经连杆AE推动从动曲柄EO2以ω3绕O2点作反向非匀速转动。两个曲柄的运动相当于和它们固连的一对椭圆凸轮的纯滚动[5]。
此机构中, 活动构件n=3, 低副PL=4,
所以, 自由度F=3n-2PL-PN=3×3-2×4-0=1
此机构具有唯一可动性, 符合实际要求。
由图可看出, 从动件3受力点E的速度为VE, 其方向与EO2垂直, 从动件3上的力F的作用线与其速度VE方向之间的夹角α为压力角。压力角的余角γ为传动角。
反平行四边形机构常用作联动机构、组合机床的专用夹具、拖车的转向机构和车门的启闭机构等。
2.2反平行四边形机构的运用
垂直轴双叶组风力机有主叶片和副叶片, 主叶片在外, 副叶片在内。两叶片安装时与风轮主轴平行, 副叶片在旋转时起导向作用。
为了保证主、副叶片在运动时切向力最大, 在安装时, 叶臂的中心轴线OO1是主叶片弦线HB的中垂线, 直线OD是副叶片的弦线GF的中垂线。主、副叶片间采用反平行四边形机构的联动装置。
副叶片和叶臂之间设置有一个气压缸连接。气压缸的内部装有弹簧, 使其缓冲效果好。
风机运行时, 主、副叶片围绕主动旋转轴O旋转。风小时, 连架杆AE对副叶片的拉力小于气压缸的拉力, 两叶片间仍保持最佳的角度。但当风速增大到一定程度, 主叶片沿O1顺时针旋转, 经连架杆AE带动副叶片绕O2点作逆时针旋转, 从而减小两叶片间的夹角, 流过的风量减少, 使主、副叶片产生的升力减少, 风轮转速变慢, 向额定转速靠近, 降低其输出电压, 实现了联动机构的调整功能, 实现刹车制动的效果。
加了气缸后, 整个机构的运动简图如图4所示。
活动构件n=5, 低副PL=7
所以, 自由度F=3n-2PL-PN=3×5-2×7-0=1
此机构具有唯一可动性, 符合实际要求。
设定主叶片的旋转角度范围为0°~10°, 根据图2, 可算出, 其传动角大于50°, 其传动效果较好。
3 结束语
综上所述, 通过反平行四边形机构的设计, 对垂直轴双叶片组的联动机构进行改进, 采用了叶栅效应原理, 最小传动角大于50°, 机构传动性能好, 经初步测定, 提高了风机的启动效率。
摘要：垂直轴双叶组风力机的特点是有主叶片和副叶片, 两叶片之间的靠联动装置连接。由于副叶片和主叶片之间形成风力机的叶栅效应, 提高了功率特性。本文采用了反平行四边形机构, 通过对联动装置的改进, 以改变两叶片间的夹角, 进一步改进立轴风力机的自启动性能, 使得启动转矩大, 启动速度快。
关键词：风力发电,垂直轴风机,反平行四边形机构,叶栅效应,功率特性
参考文献
[1]李俊峰, 等, 主编.ISBN:978-7-5111-1099-2.中国风电发展报告2012年[M].北京:中国环境出版社, 2012年9月.
[2]戴庚, 徐璋, 皇甫凯林, 钟英杰.垂直轴风力机研究进展[J].理论导刊, 2010, 38 (10) :39-43.
[3]李岩.垂直轴风力机及其发展概况[J].可再生能源, 2009, 27 (1) :121-123.
[4]李庆宜, 主编.小型风力机设计[M].北京:机械工业出版社, 1986年12月.
垂直轴风力发电机 第2篇
【摘 要】风力发电机运行在十分复杂的环境下，所承受的载荷情况也很繁杂，主要包括空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。为了保证风力机在设计寿命内得以正常运行，必须对风力机主要载荷进行计算。进行载荷计算是水平轴风力机设计中最关键的基础性工作，也是风力机设计和分析工作的前提。因此，本文对水平轴风力发电机主要载荷的确定方法做了具体分析。
【关键词】水平轴；风力发电机；载荷；确定方法
一、风力机的负载来源
（一）重力
重力是施加在叶片上的一个重要力，尤其对于大型风力发电机组来说，机舱重量对塔架设计和机组安装非常重要。
（二）气动力
气动力是负载的主要来源，与功率产生有关，在风力发电机组结构设计中，考虑为大风和引起疲劳损坏的气动负载。大风时叶片静止，此时阻力是主要考虑因素。叶片旋转运行时，升力是主要考虑因素。
（三）惯性载荷
惯性荷载主要包括离心力和陀螺力。由于部件运动时产生的力，叶片旋转会产生离心力。叶片旋转时，进行偏航会产生陀螺力，在偏航速率高时，陀螺力会很大。
（四）控制系統的运行载荷
风力发电机组在运行时，由控制产生的载荷，如刹车、偏航、变距、脱网动作等，都会引起机组结构和部件上的负载变化。
二、水平轴风力发电机主要载荷的确定方法
（一）风力机叶轮的基本载荷
风力机依靠叶轮将风中的动能转化为机械能，叶轮是风力机最主要的承载部件。叶轮主要承受着三种力，即重力、离心力和空气动力。
1.空气动力载荷。
一种垂直轴风力发电机的结构设计 第3篇
关键词：风力发电机,垂直轴,风轮,结构设计
小型风力发电机的型式有两种:垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机, 比较两者后可发现垂直轴风力发电机具有风向影响小、风能利用系数高、启动风速低、可靠性高、安全风速工作范围大、噪声污染小、外形美观等诸多优势, 因此, 本文将设计一种新型的垂直轴风力发电机。
1 垂直轴风力发电机的分类
垂直轴风力发电机可分为两个主要类别[1]:一类是利用空气动力的阻力作功, 典型的结构是S型风轮。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成, 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。对于较大型的风力发电机, 因为受偏转与安全极限应力的限制, 采用这种结构形式是比较困难的:另一类是利用翼型的升力作功, 最典型的是达里厄 (Darrieus) 型风力发电机, 是水平轴风力机的主要竞争者。达里厄风力发电机有多种形式, 基本上是直叶片和弯叶片两种。叶片具翼型剖面, 空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。
简而言之, 垂直轴风车可分为两大类, 一类是阻力型垂直轴风车;一类是升力型垂直轴风车。阻力型垂直轴风车以萨夫纽斯风车为代表;升力型垂直轴风车以达里厄 (Darrieus) 型风车为代表。
2 垂直轴风力发电机的基本参数计算
(1) 风能利用系数Cp
式中:p为当地空气密度, kg/m3;
S为风轮扫风面积, m2;
V为上游风速, m/s。
(2) 尖速比A
式中:n为风轮转速, r/min;
R为叶尖半径, m;
V为上游风速, m/s;
式中:M为转矩;
D为风轮直径。
3 几种垂直轴风力发电机简介
小型风力发电机的风轮形式多种多样, 但是对其归类可以归纳为两类, 水平轴风力发电机风轮和垂直轴风力发电机风轮。其中采用垂直轴风力发电机风轮相对于水平轴的风力发电机风轮来说具有如下优势[2]:安全性高、无需调向、启动风速低、噪音低、抗风能力强、风能利用率高等。垂直轴风力发电机风轮常用的有三种类型[3]:萨沃纽斯型 (S型) 、达里厄型 (Φ型) 和旋翼型 (H型) 。
萨沃纽斯型风轮由两个半圆筒形叶片组合而成, 左右两个叶片处于两个不同的圆周方向上, 但有一定的重叠。当风吹向风轮时, 凹形叶片在风力的推动作用下, 使风车克服阻力而旋转, 并且具有较高的旋转速度。这种风机是利用对风所生成的“阻力”来工作的, 他的叶尖速比接近于1, 转速低、噪声小、转矩大等优点[4]。
达里厄型风轮属于“升力型”, 其特点是风车转速可以设计得很大。这种风机在停止状态下, 从风力所获得的转矩很小, 难以自行开始运转, 这是这种风机的不足之处, 为此, 可以与萨沃纽斯型风机一起构成组合型风机, 以便改善其启动性能。
旋翼型风轮的叶片具有与飞机机翼相同形状的截面。旋翼型风机的启动转矩非常小, 这种风轮具有叶尖速比高, 旋转力矩大等优点。但是风险性比较大, 因为旋转速度高。
4 一种新型风力发电机设计
为了克服现有的旋翼型 (H型) 风力发电机风轮体积太大的缺点、达里厄型 (Φ型) 启动难的缺点、萨沃纽斯型 (S型) 转换效率较低的缺点, 本实用新型提供一种新型的垂直轴风力发电机风轮, 该垂直轴风力发电机风轮结构合理简单, 体积小、重量轻, 生产工艺易掌握, 可实现微风启动。
4.1 主体结构
本文所设计的一种新型的垂直轴风力发电主体结构中主要包括主轴、叶片、顶圆盘和底圆盘, 其特征是主轴呈垂直状态, 并与顶圆盘和底圆盘结合, 叶片顶端固定于顶圆盘上, 底端固定于底圆盘上, 叶片为三叶片形式, 均匀排布, 相互之间夹角为120°。单件叶片采用风机机翼的形状, 包括内弧、外弧和顶端圆弧, 顶端圆弧是角度为100°的圆弧。叶片弦长和顶端圆弧半径的大小根据设计功率的不同而不同。叶片的弦与顶圆盘轴向的夹角为144°, 以便做功的两个扇叶更大限度的利用风能, 并且不做功的叶片阻力最小。主轴与顶圆盘和底圆盘之间的连接采用法兰连接, 既方便拆卸又能稳固连接。底圆盘同时预留出螺栓孔与发电机转子部分连接。
当风带动叶片旋转时, 叶片带动顶圆盘和底圆盘旋转, 底圆盘带动发电机的转子部分旋转, 在这个过程中将风能转化为电能。叶片与顶圆盘和底圆盘之间的连接采用M6x50螺栓连接, 每件叶片采用4只螺栓连接。
叶片、顶圆盘和底圆盘三个部分采用铝合金材质, 主轴和所连接法兰采用型号为Q235钢的材质。
4.2 性能优势
本文所设计的新型垂直轴风力发电机包括主轴、叶片、顶圆盘和底圆盘四个主要部分, 主轴呈垂直状态, 用于连接顶圆盘和底圆盘, 并起到支撑作用。叶片的顶端和底端分别与顶圆盘和底圆盘连接。当风力带动叶片围绕主轴旋转时, 顶圆盘和底圆盘在叶片的带动下同时同速度旋转, 底圆盘与发电机的转子部分连接, 并带动其旋转, 整个过程将风能转化为叶片的机械能, 再将机械能通过发电机转化为电能, 输出交流电。叶片采用飞机机翼的翼型, 为三叶片升力型, 在圆盘上均匀分布, 互相夹角为120°, 其弦做适当角度的旋转, 以增大动力受风面积, 减少阻力。
该设计结合了旋翼型风轮和萨沃纽斯型风轮的优点, 既提高了发电机的能量转换效率, 同时具备了低风速启动的性能, 占用空间体积较小, 安全性高。
5 结论
本文提出了一种新型垂直轴风力发电机构想, 在对三种典型的垂直轴风机进行分析的基础上, 取长补短, 达到低风速易启动、整机风能利用率高的目的。详细设计出风叶主体结构和整机的辅助系统。分析总结了该风机所具备的优良性能, 但由于实物模型尚未进行风洞试验, 本课题未能以实验数据验证该风机模型的理论优势。将在进一步的实验中优化该设计并取得更加广阔的市场应用。
参考文献
[1]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.
[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 (2) :163-165.
[3]范正萍, 王心尘, 杜华夏, 等.小型家用垂直轴风力发电系统的设计[J].能源技术, 2007, 28 (5) :279-283.
垂直轴风力发电机 第4篇
据了解, 一塔多台大功率垂直轴风力发电机的塔筒为钢筋混凝土塔筒, 垂直轴风力发电机的结构比水平轴更为简洁。向高空延伸风速逐渐增加, 这样第二台风机将比第一台风机发电多出1倍, 第三台比第一台多发电2倍, 也就是说向高空延伸的垂直轴风力发电机会获得更为高效的能源。
该一塔多台风力发电机的研发成功, 是风电技术的一次重大突破, 将为大规模使用风力发电、降低发电成本做出重大贡献。目前, 该公司又把目光转向了对一塔多台垂直轴大功率2×5 MW风力发电机的研发上。
垂直轴风力发电机 第5篇
近年来,国内外学者先后对垂直轴风力机的翼型、叶片和整机的气动性能进行了相关研究[3—6]。Zdravkovich等[7—9]对单个或多个圆柱绕流问题进行了试验和数值模拟。曹人靖等[10]对上游叶片尾迹作用下的圆柱绕流特性进行数值模拟研究,揭示了风力机风轮尾迹与下游塔架相互干涉的物理机理。Robert Howell等[11]在风洞中对小型垂直轴风力机进行了实验,得出叶片表面的光滑度对风力机性能的影响。赵振宙等[12]采用滑移网格分析了,叶轮不同时刻、不同位置的流场。Marco等[13]采用数值模拟,提出了一种评价直叶片垂直轴达里厄风力机空气动力性能的方法。本文基于Fluent软件,选取垂直轴风力机叶片在不同角度下时,进行非定常的数值模拟,分析叶片与圆柱形塔架的相互干涉。
1 物理模型和数值计算方法
1. 1 物理模型及网格划分
根据实际Sandia型[14]叶片的达里厄风机的参数如表1,将三维达里厄风力机简化为在其赤道处截面的二维数值计算模型,图1 为本计算的风力机模型,三个叶片围绕中心支柱作逆时针旋转,选取其中四个位置,即位置1 的叶片逆时针转动至与y轴正半轴的夹角分别为0°、30°、60°、90°时的位置进行数值模拟。
计算使用的计算区域大小为8D×3D的长方形作为计算区域,上风区为3D,下风区为5D,D为风力机直径。网格划分如图2所示,对叶片及中心支柱表面附近进行网格局部加密,网格划分采用非结构化网格,计算网格数量约为6 × 104个。通过调节网格的space选项,让网格数量变原来的整数倍,通过计算并未发现计算结果有明显差异。
1. 2 数值计算方法以及边界条件
模拟中湍流模型选择的Spalart-Allmaras模型,该模型是设计用于航空领域,主要是墙壁束缚流动,例如飞行器、翼型的绕流流场分析。对有逆压梯度的边界层问题能够给出很好的计算结果,通常用在空气动力学问题当中。为了获得更高的精度,避免假扩散带来的影响,对流项的差分格式采用二阶迎风格式,边界条件设置如图3 所示。
2 结果与分析
2. 1 叶片尾迹对圆柱塔架的影响
图4 为四个工况下,圆柱塔架的升力系数和阻力系数。经过大约25 个时间步长的非定常计算后获得了稳定的非定常周期解。图4( a) 为四个工况下,作用在圆柱塔架上的升力系数Cl( τ) ,图4( b)为四个工况下,作用在圆柱塔架上的阻力系数Cd( τ) 。选取最后10 个周期进行分析,从图中可以看出,工况2 时,作用在圆柱上的升力系数和阻力系数波动最小,波动最大的是工况4。波动大小程度,由大到小排列顺序为4、1、3、2。图5 为流场数值模拟的速度云图。图5( d) 可以看出,当圆形塔架在叶片的正后方时,上游叶片处于失速状态,形成连续不断的脱落涡,形成不稳定的气流,导致该叶片下游来流速度的降低和来流的湍流水平增加,使圆柱表面受力不稳定,并且圆柱的尾迹也受到影响。对比图4 中的曲线Cl4和Cd4,圆柱塔架的升力和阻力系数波动最大。在图5( a) 中,在圆形塔架上游下方有一个叶片,该叶片同样处于失速状态,形成连续不断的脱落涡,由于叶片在塔架偏下的位置,其尾迹对塔架的干涉不是十分的直接,但也有一定的影响,圆柱尾迹较平稳。圆形塔架正上方的叶片与塔架之间的干涉可以忽略不计,对比图4 中的曲线Cl1和Cd1,圆柱塔架的升力和阻力系数波动较大。在图5( c) 中,在圆形塔架上游上方有一个叶片,该叶片形成的脱落涡对圆形塔架的影响不大,圆形塔架正下方的叶片与塔架之间的干涉可以忽略不计,圆柱尾迹较平稳。对比图4 中的曲线Cl3和Cd3,圆柱塔架的升力和阻力系数波动较小。在图5( b) 中,圆形塔架上游的侧上方和侧下方的叶片形成几乎对称的尾迹,圆柱上方流速稍大于圆柱下方的流速,圆柱尾迹较平稳。对比图3 中的曲线Cl2和Cd2,升力和阻力系数接近于直线,该位置时,圆柱塔架受到叶片的干涉作用最小。由此可知,圆柱的尾迹取决于上游翼型与圆柱在Y轴上的距离h,距离越小,影响越大,当h =D /2 时,对圆柱的影响最小,升力和阻力系数波动较小。当叶面处于圆柱正前方( h = 0) 时,存在强烈的干涉现象,并且改变了圆柱尾流的对称性,升力和阻力系数波动最大。这些都将不利于风力机整体的稳定性,增加噪声辐射等一些问题。
2. 2 叶片压力场分析
如图6 所示,截取了12 个不同相位角时叶片表面区域的静压力分布图。图7 显示了为不同相位角时,叶片所受压力的大小。有图7( a) 可知,叶片在0°相位角时,吸力面出现负压的区域很小,叶片两侧的压强差很小,叶片受到的升力也较小,这与图6 的压力图相符。从0°相位角开始,随着相位角逐渐的增大,吸力面逐渐产生负压,并且负压的范围随着相位角的变大而变大,在相位角为30°时,负压区域覆盖了整个吸力面,在相位角达到90°左右时,负压的区域达到最大。在这一过程中,随着负压区域的增大,叶片两侧的压强差也增大,叶片所受压力也随之增大,在图6 中,在相位角达到90°时,叶片所受压力达到最大值。然后,随着相位角的继续增大,处于90° ~ 180°之间时,负压区域逐渐变小,并脱离吸力面,此时,叶片所受压力也将逐渐的减小,图6 中,叶片所受压力逐渐减小,在180°时达到最小值。相位角在180°到270°之间时,负压区域再次逐渐增大,由于此时的叶片处于下风区。与相位角在0° ~ 90°之间时相比,产生的负压强度较低。由图7 ( i) 所示,在相位角到达240°时,负压区域达到这个阶段的最大值,叶片所受压力值达到极大值,由前面推算,这个峰值应该出现在相位角为270°时,观察图5( b) 发现,相位角为270°时,叶片处于圆形塔架的下游的正后方,此时经过叶片的气流能量损失较大,并且来流的湍流水平较大,使得叶片吸力面负压面积减小,叶片受到的压力也减小。相位角在270° ~330°之间时,叶片吸力面负压面积逐渐减小,但相位角在330°时,负压面积减小了,叶片吸力面负压值变大了,对比图6 压力图发现,压力并没有显著的减小,由图5( d) 中可知,此时叶片在圆形塔架的下游偏上的位置,塔架对叶片的干涉变小,来流速度变大,湍流度变小导致吸力面负压值的短暂增加,同时吸力面面积的减小,使叶片所受压力变化不大。因此,叶片在下风区时,叶片受到总压力的趋势与上风区大致相同,但是,强度会减少大约一半。
2. 3 圆柱塔架尾迹对叶片的影响
本数值模拟采用,叶片的翼型为NACA0012。由图1 的模型可以观察到,位置2 ~ 6 的叶片处在上风区,位置8 ~ 12 的叶片在下风区。位置2 与位置12 的叶片的攻角绝对值都是30°,由于NACA0012是对称翼型,所以在没有任何其他干扰的存在和相同的边界条件下,对两个叶片单独进行数值模拟,得到的压力系数曲线图在理论上应该是重合的。同理位置3 与位置11、位置4 与位置10、位置5 与位置9以及位置6 与位置8 也是一样的。如图7 所示,将四个工况下,12 个不同位置上的叶片分成6 对,对它们的表面的压力系数进行对比分析。图8( a) 为位置1 和位置7 处。叶片上、下表面的压力系数分布图,上、下表面的压力分布基本吻合。由图8( b)可知,位置2 和位置12 叶片的下表面压力系数基本相同,位置12 与位置2 叶片下表面的压力系数有很大差别。这是因为,位置2 处叶片在风力相对稳定的上风区,而位置12 的叶片处在下风区,前面的叶片和中心支柱对它产生一定的干涉,导致位置12 与位置2 叶片下表面的压力系数不同,这与图5 的速度云图相符。综合图8 可得出,当叶片逆时针旋转到下风区时,叶片由位置7 到位置10 的过程中,受到上风区叶片和中心支柱的干涉逐渐增加到最大。由位置10 到位置1 的过程中,叶片受到上风区叶片和中心支柱的干涉逐渐减弱至最小。因此,风力机转动过程中,叶片转至下风区时,受到的干涉主要来自于中心塔架,当叶片的位置越接近于塔架的正后方,受到塔架的干涉越强。
3 结论
参考实际状态下的Sandia型风机力模型,采用Spalart - Allmaras湍流模型,对不同位置叶片与中心塔架的相互干涉进行了数值模拟,由此得出以下结论。
( 1) 下游圆形塔架在上游叶片的尾迹中时,圆柱尾流不同于普通的圆柱绕流问题。圆柱的尾迹取决于上游翼型与圆柱在Y轴上的距离h,距离越小,影响越大,当叶片处于塔架的正上方或者正下方( h = D/2) 时,中心塔架的升力系数和阻力系数波动较小,叶片对塔架的干涉最小。当叶片处于圆柱正前方( h = 0) 时,升力和阻力系数波动最大,表明存在强烈的干涉现象,并且改变了圆柱尾流的对称性。
( 2) 当叶片处于不同的相位角时,叶片所受压力的呈现周期性变化。由于圆柱塔架对叶片有明显的干涉,当叶片处于下风区时,与上风区相比,叶片受到的压力要小于上风区受到的压力。
( 3) 叶片与中心圆柱塔架之间具有明显的相互干涉,叶片的尾迹不同于单纯的翼型模拟,圆柱塔架的尾迹也不同于单纯的圆柱绕流问题。
摘要：为了研究垂直轴风力机叶片与中心圆柱形塔架之间的相互干涉,以Sandia型达里厄风力机为研究对象,建立二维模型。基于Spalart-Allmaras湍流模型,对三叶片Sandia型达里厄风力机在四个不同位置,进行了多组工况的数值模拟。研究分析了叶片与圆形塔架相互干涉的二维物理特征、叶片吸力面负压面积大小的变化、叶片表面所受压力规律性的变化与影响圆柱塔架的升力和阻力系数的原因。研究结果对于揭示垂直轴风力机风轮尾迹的物理机理,优化风力机结构,增加风力机的气动弹性稳定性和减少噪声辐射有重要的理论价值。
垂直轴风力发电机 第6篇
关键词：风力发电机,水平轴,专利
0 引言
19世纪末, 丹麦首先开始探索风力发电, 研制出风力发电机组。中国现代风力发电机控制技术的开发利用起源于20世纪70年代初, 经过初期发展、单机分散研制、示范应用、重点攻关、实用推广、系列化和标准化几个阶段的发展有了长足的进步和提高。
本文通过对水平轴风力发电机控制技术专利申请数据的收集、整理、比较和分析, 总结水平轴风力发电机控制技术专利的特点、现状和发展趋势, 以期为企业或个人了解风电行业技术信息及经营发展提供参考。
1 数据来源及数据检索
由于水平轴风力发电机控制技术出现较早, 在IPC即具有基本上与风向一致的旋转轴线的风力发动机的自动控制和调节。为了便于分析比较国内外专利申请数据, 笔者在中国专利文摘数据库CNABS摘要专利库以及德温特世界专利索引数据库 (DWPI) 中进行了文献检索, 检索范围限制为申请日在2000年1月1日至2014年12月31日之间。
2 水平轴风力发电机控制技术的专利申请分布概括
2.1 国内水平轴风力发电机控制技术的专利情况分析
图1给出了国内水平轴风力发电机控制技术的专利申请量于2000至2011各年度的变化情况。从图1中可以看出, 2000年至2010年, 我国的水平轴风力发电机控制技术的专利申请量呈逐年递增的趋势, 其中, 2006年之前发展较为平缓, 在2007年和2010年分别实现了两次跨越式发展, 增幅较大。这是由于近年来国家对于新能源行业发展的重视及有力推动。另外, 2013年起统计数量大幅下降是某些专利申请尚未公开所致, 并非该年度申请量出现下降。
图2给出了我国在水平轴风力发电机控制技术领域的专利申请量排名前十位的省份, 它们分别是在北京、江苏、上海、广东、辽宁、浙江、天津、湖南、河北、内蒙, 从中可以看出前十位的省份主要分布在沿海地区, 这跟风力发电主要设置于沿海滩涂以及沿海省份的经济活跃度有关。北京和江苏的申请量较为突出, 均超过百件以上, 可见两省市在该领域的技术实力, 另外, 湖南省的申请量较高是由于当地具有风力发电领域的龙头企业三一集团, 而内蒙古的专利申请量较高是由于我国的陆上风力发电主要布局在该地区。
图3列出了我国在水平轴风力发电机控制技术领域的主要申请人及其申请量, 其中, 中国国电集团下属的国电联合动力技术有限公司和三一电气占据了该领域申请量的前两名, 另外, 美国的通用电气公司作为跨国风电领域巨头在华申请量位列第四, 可见该公司对其专利技术在全球布局的重视。另外, 根据图3还可以看出, 该领域的专利申请主要集中在相关的风电企业, 上海交通大学是前十名申请人中唯一的一所科研院校, 也体现出了该所高校在水平轴风力发电机控制技术领域的研发实力。由于风电领域介入成本高、研究理论较深, 个人申请所占比重较少。
2.2 世界范围内水平轴风力发电机控制技术的专利情况分析
图4给出了世界各国在水平轴风力发电机控制领域的申请占比分布, 其中以美国和欧洲为第一梯队, 两个地区占了世界范围内将近一半的水平轴风力发电机控制技术的专利申请量, 而中国作为第二梯队以大约15%的申请量位列第三位, 其余例如印度、德国、加拿大、澳大利亚、日本都在5%-8%的范围内, 这些国家的申请量较为接近, 处于第三梯队。由该分布图可以看出, 西方发达国家在水平轴风力发电机控制技术领域依然占据着主导性地位, 而发展中国家例如中国、印度也逐渐开始成为水平轴风力发电机控制技术的热点区域。
根据图5可知, 全球水平轴风力发电机控制领域的主要申请人包括美国的通用电气、丹麦的维斯塔斯、日本的三菱集团、德国的西门子、西班牙的歌美飒 (Gamesa) , 尤其以风电领域两巨头通用电气和维斯塔斯为主, 专利申请量均突破两百件, 远远领先于其他公司。全球风力发电机控制领域的主要申请人都集中在发达国家, 前十名申请人中没有中国企业, 说明我国在这领域的核心技术还有待提高和发展。
3 结论
在水平轴风力发电机控制领域, 我国的申请量处于前列, 但专利质量不太高, 实用新型专利居多, 申请侧重于国内市场, 在国外的专利布局欠缺。而美国、德国、日本等西方国家一直具备很强的竞争力, 这些国家的专利大多为质量较高的发明专利, 它们在保护本国市场的同时还注重对国外市场的专利布局。总之, 我国风力发电领域企业应当意识到知识产权的重要意义, 积极通过知识产权来维护自身的合法权益, 通过技术创新提升企业的核心竞争力, 从而在市场竞争中立于不败之地。
参考文献
[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2002.
[2]刘细平, 林鹤云.风力发电机及风力发电控制技术综述[J].大电机技术, 2007 (3) :17-20.
[3]李鹏, 宋永端, 刘卫等.风力发电机组控制技术综述及展望[J].电气自动化, 2010, 32 (5) :1-4.
水平轴风力发电机塔架的有限元分析 第7篇
在绿色能源的大背景下,由于风力发电不需要燃料,也不会产生辐射和空气污染,风力发电在世界掀起一股热潮。风力发电机工作时,塔架所受的动力作用主要有三种:塔顶风机的压力作用,风轮转动的激励作用和风荷载作用[1]。为了确保塔架和风机有更好的动力相容性,必须避开风轮转动时产生的激励频率,防止共振现象的发生。塔架是高耸结构,塔顶所受风机的压力作用越大,结构抵抗横向变形的能力越小。塔架受风荷载的作用,产生横向挠动,当横向挠动过大时,结构会发生屈曲破坏。本文在考虑塔架门洞的情况下,采用有限元分析软件ANSYS对某型1.5兆瓦风力发电机塔架建立有限元模型,对塔架进行模态分析,整体强度分析以及屈曲分析。
1 塔架的有限元模型
本文所研究的塔架是圆筒式的钢材料塔架,该塔架高度为73m,轮毂中心高度为74.5m,底部直径4.2m,顶部直径2.6m,最大壁厚28mm,最小壁厚10mm,由四段圆筒用法兰盘联接而成,结构为壁厚渐变空心圆柱状。塔顶质量为90t,偏心距1.2m。塔架的材料为Q345C钢,弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3,密度为ρ=7850kg/m3,屈服强度σs =325MPa~345MPa。本文使用ANSYS软件1:1建立塔架的三维实体模型,进行有限元分析。单元类型选用20节点SOLID95三维六面体实体单元,该塔架的有限元模型共有160165个节点。
2 塔架的静力分析
2.1 塔筒筒身风荷载计算
根据我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[2]规定垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值按下式计算:
式中: ω(z) 为作用在塔筒表面任意高度z处的风荷载标准值(kg/m2);βz 为z高度处的风振系数;μz(z)为风压高度变化系数;μs(z)为风荷载体型系数;ω0 为基本风压(kg/m2)[3]。
式中:ξ1 为脉动增大系数,根据文献[2]取为2.16,υ1为脉动影响系数,υ1=0.885θνθB,θν =1.5,θB 为风载所在截面直径与塔筒底部直径的比值;φz 为第一振型系数,用下式计算:
2.2 塔顶风荷载计算
额定风况下的气动荷载计算:
切出风况下的气动荷载计算:
极限风况下的气动荷载计算:
式中:Cp为风力发电机风能利用系数R;为风轮叶片半径;Vp为额定风速;Vd为切出风速;Vs为极限风速;Ab为风轮的投影面积;B为风轮叶片的数目。
2.3 应力及位移计算结果
由表1可以看出,风力发电机在额定风况和切出风况下的最大应力都远远小于屈服强度,满足强度要求[4]。在极限风况下塔架的Von Mises最大应力为275MPa,屈服强度为325MPa,安全系数为1.18,理论上满足强度要求,但风力发电机在极限风况下有被破坏的可能性。根据《高耸结构设计规范》(GB501352 0 0 6 )[5]中对塔顶的最大位移的限值不超过总高的1 / 7 5 ,即0 . 9 9 3 m ;在极限工况下,塔顶的位移为1.005m,略大于规定要求,存在安全隐患。本文中的门洞位置在塔架正风处的两侧,在极限工况下,门洞周围的应力也较大,但满足强度要求;若门洞在塔架正风处或背风处,则所受应力更大,会被破坏。
3 塔架的模态分析
应用ANSYS有限元软件对风力发电机塔架进行模态分析,确定风力发电机塔架的固有频率和振型,并将其与风轮的激励频率比较,研究两者是否会发生共振。风力发电机风轮的额定转速为17.3rpm,风轮的旋转频率1P=17.3/60=0.288Hz,叶片的通过频率3P=0.865Hz。塔架的各阶固有频率与风轮的旋转频率和叶片的通过频率差值都远大于10%,因此塔架不会和风轮发生共振[6]。塔架的第一阶和第二阶固有频率、第三阶和第四阶固有频率在数值上相差很小。相似模态的出现,是由于结构的对称性所致,若塔架完全对称,则固有频率两两相等。由于塔架底部开了个门洞,导致结构前后与左右稍有差异,从而频率也稍有差异。
4 塔架的屈曲分析
结构由原平衡状态经过不稳定的平衡状态而达到一个新的稳定的平衡状态,这一过程就是屈曲。对于类似圆筒状的受压结构,随着压力的增大,结构抵抗横向变形的能力就会下降。当载荷达到某一特定值时,结构的刚度趋于零,丧失其稳定性。此时若出现横向扰动,结构就会发生屈曲破坏[7]。
图3所示为塔架在-200k N·M载荷作用下的VonMises应力云图。塔架的最大应力出现在塔架的壁厚为10mm的顶端附近,为3.24MPa,因为此处的塔架壁厚最薄,应力最大的部位是发生屈曲失稳的危险点。其屈曲分析特征值系数为727.454,可知其屈曲临界弯矩-200×727.454=-145490.8k N·M。根据塔架在各风荷载的工况下,算得在极限风况下的底端弯矩最大为-82527k N·M,小于屈曲临界弯矩,塔架的屈曲安全系数为1.76,因此塔架出现失稳的可能性不大,影响安全性的主要因素是强度问题。
5 结论
1)塔架在各风况下的最大应力均出现在塔底7.1m附近,其最大应力均小于许用应力,满足强度要求。但在极限风况下的最大应力略小于许用应力,其危险性很大。
2)门洞在塔架正风处的两侧时,最大应力小于许用应力,满足强度要求;在塔架正风处和背风处时,最大应力大于许用应力不满足强度要求。因此需要在塔架门洞附近采取加固措施。
3)风力发电机正常工作下,塔架不会与风轮发生共振现象。
4)塔架在极限风况下的最大弯矩小于屈曲临界弯矩,屈曲安全系数为1.76,因此塔架出现失稳的可能性不大,影响安全性的主要因素是强度问题。
摘要：利用有限元分析软件ANSYS对某型风力发电机塔架为研究对象,建立其有限元模型,对其进行静力分析,模态以及屈曲分析。得出塔架整体结构满足强度要求,不会出现失稳现象,门洞处需要采取加固措施,风机正常工作下不会发生共振现象。
关键词：风力发电机塔架,ANSYS,固有频率,屈曲
参考文献
[1]UysPE,Farkas J,Jarmai K,eta.Opimization of a Steel Tower for a Wind Structures,2007,29(7):1337-l342
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[3]赵文涛,曹平周,陈建锋.风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究[J].特种结构,2010.27(4):74-76.
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[5]中华人民共和国国家标准.高耸结构设计规范(GB50135-2006)[S].北京:中国计划出版社,2007.
[6]王朝胜.基于有限元法的风力发电机组塔架结构分析[D].长沙:长沙理工大学机械设计及理论,2010.
垂直轴风力发电机 第8篇
广东惠来石碑山风电场是国家首批特许权示范项目之一, 位于揭阳市惠来县。总装机容量100.2MW, 全场167台风机, 全部使用金风S43/600风力发电机组, 于2007年2月投产。金风S43/600风力发电机组采用了永济时电机电器有限责任公司生产的双速鼠笼型异步发电机, 轴承配置为:驱动端轴承 (NU2226ECML/C3) , 非驱动端轴承 (NU2226ECML/C3+6226/C3) 。异步发电机的维护工作量小, 正常情况下只需定期为发电机轴承加注润滑脂和螺栓紧固, 但国产异步发电机首次大批量应用在风力发电上, 其适应性还存在一些问题, 需要通过实际运行来考验。以石碑山风电场为例, 根据运行数据统计显示, 2008-2009年因风力发电机组前后轴承温度高而报故障被迫停运的风机达到了128台次之多, 因发电机前后轴温度高而停机的时间长达3629小时, 风机报该故障时的平均风速在14.5m/s左右, 故障时对应的功率平均在513kw左右, 前后轴温度高而停机故障发生在大风期本该多发电的时候, 严重影响风电场的效益。
2 故障现象
2.1 油脂从端盖、外轴承盖、转轴之间的间隙渗出 (见图1) 。
2.2 废油脂中有铜粉出现, 油脂发黄色 (见图2) 。
2.3 排油管中无废油脂排出 (见图3) 。
2.4 内轴承盖中润滑脂呈硬块状, 油脂中可见铜粉 (见图4) 。
2.5 润滑受到污染, 保持架磨损 (见图5) 。
2.6 端盖中有稀状润滑油脂流出 (见图6) 。
通过以上的检查、拆解和以往的修理经验, 故障现象可归纳为以下几点:润滑油脂中存在铜粉, 受到污染;排油不畅通;保持架磨损;轴承盖与端盖之间密封不足。
2009年针对轴承温度高的机组, 抽取15台进行了加注新油脂试验, 后续报出3台轴承温度高故障, 初步判断发电机轴承温度高是润滑油脂加注不到位引起的。
3 加脂试验
3.1 静态加脂, 即在转轴不旋转的情况下加脂, 轴承外侧出现油脂, 轴承内侧没有出现油脂 (见图7、8) , 润滑脂不能通过注脂孔进入轴承内侧, 加大注脂量后轴承内侧出现极少量的润滑脂。由此看见, 油脂从外通道进入轴承外侧, 外侧轴承中有部分油脂;轴承内侧几乎不进油脂, 油脂未通过端盖上的预计的通道进入轴承内侧。
3.2 动态加脂, 即在转轴旋转的情况下加脂。鉴于在静态情况下加脂时, 油脂未按预计的情况流动, 故采取如下措施:加大外轴承盖上的排脂孔, 从Φ8改为20×56的长圆孔, 使用单油道加脂, 即油脂从外轴承盖经过端盖油孔, 进入内轴承盖后, 进入轴承内侧 (图8) 。
试验结果:轴承内外侧均出现油脂, 并且排油管中出现油脂 (见图9) ;油脂通道需改进, 即改为单通道进油脂。
图8:加大外轴承盖上的排脂孔, 从Φ8改为20×56的长圆孔;使用单油道加脂, 即油脂从外轴承盖经过端盖油孔, 进入内轴承盖后, 进入轴承内侧。
原因分析
4.1 理论依据
根据流体的流动损失理论, 流动损失包括两部分, 其一是边界层内由于流体的粘性, 使流体质点之间, 流体与流道表面产生摩擦而引起的能量损失, 称为摩擦损失hf, 它与流程成正比, 也叫沿程损失;其二是由于流道形状变化引起边界层分离所产生的能量损失, 也称分离损失或局部损失hj。
流动损失:hhvd=Σhf+Σhj
分离损失:
式中c-流道截面c2积变化后的速度, m/s;
ξ-损失系2数, 与流道形状变化前后的面积比A2/A1, 截面变化率A/L等因素有关。
式中λ-摩擦阻力系数, 与雷诺数面的粗糙度有关;
l-流道长度
c-流速
d-流道直径
其中分离损失相同, 摩擦损失本例中内侧油道长度为74+8=82mm、114+8=122mm,
直径相同, 外侧油道长度为2mm, 内外油道损失比为41、61, 可见用手动油枪往里注脂时, 入口压力较小的情况下, 内侧阻力过大而不能进入润滑脂。
4.2 结论
结合厂家等各方专家的意见, 归纳出本次轴承失效的主要原因如下:进脂通道不合理;排脂孔尺寸过小;封环径向间隙过小;在电机轴承盖与端盖之间增加1mm密封垫;对轴承的再润滑周期、加脂量重新进行核算。
由于上述问题, 使大部分润滑脂不能正常地加进轴承的润滑区域, 轴承润滑不良, 保持架滚动体与保持架摩擦产生铜粉, 污染到润滑脂, 形成恶性循环, 造成轴承温度过高。
5 解决方案
5.1 方案
将加脂通道改为单通道, 通过端盖进入轴承内侧后从轴承外侧排出 (图10、图11) ;加大排脂孔;更改封环径向尺寸 (图12、图13) ;增加挡油环;轴承再润滑周期修正2700h, 驱动端加120g, 非驱动端加200g;增加润滑标识牌并注明:再润滑加脂量、加脂时间间隔、轴承型号、润滑脂的牌号;检查内风扇、外风扇存在的隐患, 发现问题及时处理。
5.2 方案说明
该方案的结构借鉴国外某发电机轴承的润滑室结构, 并且经过长期运行考核, 见图14-图17。
6 改造效果
2011年2月, 我公司选取3台经常出现发电机轴承温度高的风机根据以上方案进行改造, 改造后经过2、3、4月份大风期的考验, 该3台风机没有发生一次因发电机轴承温度高而停机的故障, 改造试验收到预期的效果。从2011年5月份开始我公司对石碑山风电场其它164台风机陆续进行改造, 此次改造将彻底解决风电场发电机前后轴承温度高问题, 将为我公司带来可观的经济效益。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册:润滑与密封 (第5版) , 化学工业出版社, 2010.
[2]成大先.机械设计手册:轴承, 化学工业出版社, 2010.
[3]金风科技股份有限公司, 金风S43/600风力发电机组运行维护手册, 2003.