垂直轴风力发电机研究报告

1.垂直轴与水平轴对比

垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有其特有的优点：①水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转 360 度的活动联接机构，这就造成机组重心高，不稳定，而且安装维护不便。垂直轴风力发电机组的发电机，齿轮箱放置在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降低了成本。

②风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因此疲劳寿命要长于水平轴风轮；垂直轴风力发电机的构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，可靠性较高；垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部甚至地面上，因而便于维护。

③风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流，常常处于风向和风强变化剧烈的情况，垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力发电机不可比的优点，且理论风能利用率可达 40％以上．因此在考虑了较小的启动风速和对风力机影响较大的“对风损失”之后，从而提高垂直轴风轮的风能实际利用率。

④水平轴风力发电机组机仓需 360度旋转，达到迎风目的。这个调节系统包含有旋转机构，风向检测，角位移发送，角位移跟踪等系统。垂直轴风力机不要迎风调节系统，可以接受360 度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。

⑤水平轴风力发电机的翼片受到正面风载荷力，离心力，翼片结构相似悬臂梁。翼片根部受到很大弯矩产生的应力。而且翼片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样翼片所受的就是一个交变载荷，这就要求翼片有很高的的疲劳强度，因此大量事故都是翼片根部折断。而垂直轴风机的翼片主要承受拉应力，不易折断，寿命长。

⑥水平轴风力发电机组翼片的尖速比高，一般在 5～7左右，在这样的高速

下翼片切割气流将产生很大的气动噪音，导致噪声污染。垂直轴风力机翼片的尖速比较水平轴的要小的多，这样的低转速基本上不产生气动噪音，无噪音带来的

好处是显而易见的，以前因为噪音问题不能应用风力发电机的场合（城市公共设施、民宅等），现在可以应用垂直轴风力发电机，因此，垂直轴风力发电机比水平轴有更广阔的应用领域。

2.垂直轴风机风轮设计

2.1 风能

空气的流动现象称为风，风是由于不同地方的空气受热不均匀，从一个地方向另一个地方运动的空气分子产生的，风的能量就是空气分子的动能，如图所示。

m = V

V = SL

W = 1 mv 2 2

联立以上各式得

2.2 风能利用率 C p

风能利用系数 C p 是表示风力机效率的重要参数，由于风通过风轮的风能不能完全转化为风轮机械能，其风能利用率 C p 为

风力机输出的机械功率 P m

mv 2

P =2

SLv 2 2t = 12 Sv 3 P =W /t

Cp = 输入风轮的功率 = P w 其中 P m 为风力机输出的机械功率；P w 为风力机输入的风能。目前大多数垂直轴风机风能利用率能达到 0.4 左右。如按 0.4 的风能利用率来计算，风机功率为 1000W ，则风能为1000 / 0.4 = 2500W 。

根据上面公式可以求得Sv 3 =25002/=5000/1.25=4000，若满载额定风

速为 20m/s 的话，S=0.5m 2，显然设定的额定风速越低，S 将越大。

S = 2r L ，S 为扫风的截面积，r 是翼片距轴的距离也是风轮的半径，L 为翼片的高。

如要达到 1000W 的风机功率，则扫风截面积不能小于 0.5m 2，则若 r 取 0.25m 的话，L 为1m 。可以采用目前天津工厂顶部风机形状。

风力机转矩：

T = p = 0.5

C R 3v =0.5 3.14 1.250.40.25320 = 0.82N m p 6 2.3 叶尖速比λ

叶尖速比λ表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的圆周速度和风速之比来衡量。

= 2 πRn = v v 式中：n －风轮的转速， r /s ；

ω－风轮角速度， rad /s ；

R ―风轮半径，m 。

尖速比决定了风轮的功率，对于定桨距风轮，随风速的增加其转速也增加。在这种情况下，输出功率（同风速的立方成正比）也增加。但是输出功率增加并不意味着风能利用率也增加，一般而言，减速比和风能利用率曲线近似一条倒抛物线。

根据叶尖转速比λ与 C p 的关系及C p 与输出功率之间关系，我们可以知道在风速固定时，不同的转速即对应不同的叶尖转速比，也即对应不同的 C p 值，也即对应不同的输出功率，这样如果设定不同的风速，就可以得到风力机在不同风速下输出功率与转速的关系，如下图所示：

图 2 风轮转速与输出功率及风速曲线图

从上图可以看出在某一种风速下，风力机的输出机械功率随转速的不同而变化，其中有一个最佳的转速。在该转速下，风力机输出最大的机械功率。它与风速的关系是最佳叶尖速比关系。在不同风速下均有一个最佳的转速使风力机输出最大机械功率。从而得到一条最大输出机械功率曲线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均为最佳叶尖速比关系。合理的选取最优尖速比可使风轮功率达到峰值。

一般垂直轴风机叶尖速比选择在4~8之间，建议选择6，越低噪音低，但是功率也比较难做大。

3H 型垂直轴风机翼片

一般超过 500W的垂直轴风机，都采用 H型翼片或Ф型翼片。

图 3 H 型垂直轴风机

图 4 Ф型垂直轴

3.1翼片选型

翼片是利用气流通过时产生的压力差使叶轮转动的部件，具有空气动力学特性，其设计质量对整个风力发电系统及其他零部件有这直接影响，因此翼片是风力机的重要部件。翼片的设计目标主要有：

1.良好的空气动力外形；

2.可靠地结构强度；

3.合理的翼片刚度；

4.良好的结构动力学特性和启动稳定性；

5.耐腐蚀、方便维修；

6.满足以上目标前提下，尽可能减轻翼片重量，降低成本。

风力机的翼型多种多样，各有各的优缺点，应用较多的有NACA 翼型系列、SERI 翼型系列、NREL 翼型系列、RISΦ翼型系列和FFA-W 翼型系列等，其中NACA 翼型是美国国家宇航局（NASA）的前身国家航空咨询委员会（NACA）提出设计的翼型系列，具有低阻力系数的特点，适合低速运行。

3.2翼片实度

风力机翼片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。垂直轴风力机的翼片实度计算公式为：=NCL/2RL=NC/2R

升力型垂直轴风力机叶轮，C 为翼片弦长，N 为翼片个数，R 为风轮半径，L 为翼片长度，σ为实度比。合理选取实度比的原则是在保证风轮气动特性的条件下，力求使制造翼片的费用最低。为了最大限度提高动效率，翼型特性应具有下列要求：

1.升力系数斜度大；

2.阻力系数小；

3.阻力系数与零升角对称。

根据一些资料描述，NACA0012 的阻力系数较小，选用较低阻力系数NACA0012 对称翼型。

由于NACA0012 是对称翼型，在下图左侧数据表中仅列出了单边的数据，表中 c 是弦长（弦长为 1.00）；x 是弦长坐标（单位是 x/c）；y 是对应 x 位置

的

翼面与弦的距离（单位是 y/c ）。

实度比选择在 0.5～0.6范围内较好。为此可以得出风轮翼片的弦长：

2R 2*1*0.6 C = = = 0.4 m N 3

可以采用的翼片弦长 0.4m ，数据只需将表中各数字适当缩放即可［5］。

3.3 翼片形状及材料

翼片截面结构为主梁蒙皮式，表面材料为铝合金，主梁采用单向承载能力强的硬铝材料，O 型主梁结构制造简单，各向受力均衡。翼片空心处用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如图所示。

图 6 翼片剖面

主梁可直接焊接与铝合金蒙皮上，待主梁与蒙皮连接完成后，在空腹结构内填入聚氨酯直接发泡填充成型。由此，风力机的基本参数可以确定，如表所示。表

风力机参数

额定风速平均效率叶尖速比设计功率

图 5 NACA0012 翼型参数

4电气设备及传动设计

4.1 硅整流交流发电机

硅整流交流发电机的结构硅整流交流发电机由一台三相同步交流发电机和硅二极管整流器组成。发电机工作时产生的三相交流电通过整流器进行三相桥式全波整流后转变为直流电。硅整流交流发电机是由转子、定子、整流器、端盖、风扇叶轮等组成。

图 7 硅整流交流发电机

转子用来在发电机工作时建立磁场。它由压装在转子轴上的两块爪形磁极、两块磁极之间的励磁绕组和压装在转子轴上的两个滑环组成。两个滑环彼此绝缘并与轴绝缘。励磁绕组的两端分别焊接在两个滑环上。

定子用来在发电机工作时，与转子的磁场相互作用产生交流电压。它由内圆带槽的硅钢片叠成的铁心和对称地安装在铁心上的三相定子绕组组成。三相定子绕组按星形或按三角形接法连接。按星形接法连接时，三相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相连，三相绕组的尾端连在一起作为发电机的中性点。按三角形接法连接时，将三相绕组中一相绕组的首端与另一相绕组的尾端相连，并将联接点接整流器的硅二极管。

整流器是由6 个硅二极管组成的三相桥式全波整流电路，在发动机工作时将三相定子绕组中产生的交流电转变为直流电。在负极搭铁的发电机中，3 个二极管的壳体为负极，压装在与发电机机体绝缘的元件板上，并与发电机的输出端（正极）相连，其引线为二极管的正极，称为正极二极管；另外3 个二极管的壳体

为正极，压装在不与机体绝缘的元件板上，或直接压装在电刷端盖上，作为发电机的负极，其引线为负极，称为负极二极管。

驱动端盖和电刷端盖作为发电机的前后支撑。电刷端盖上装有电刷架和两个彼此绝缘的电刷，并通过电刷弹簧，使电刷与转子轴上的两个滑环保持接触，电刷的引线分别与电刷端盖上的两个磁场接线柱相连（外搭铁式交流发电机），或一个与磁场接线柱相连，另一个在发电机内部搭铁（内搭铁式交流发电机）。发电机的整流器总成也安装在驱动端盖上，以有利于检修。

独立运行的小型风电机组的风力机叶片多数是固定桨距的，当风力变化时风机转速随之变化，与风机相连的发电机的转速也随之变化，因而发电机的出口电压也会产生波动，这将导致硅整流器输出的直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又造成发电机出口电压的波动。这种连锁反应是的发电机的出口电压的波动范围不断增加。显而易见，如果电压的波动得不到控制，在向负载供电的情况下，将会影响供电质量，甚至损坏用电设备。此外独立运行的风力发电系统都带有储能电池组，电压的波动会导致电池组的过充电，从而降低电池组的使用寿命。

在工作过程中，发电机转速是不断变化的，要使发电机端电压保持不变，可以通过改变磁通的大小来进行调节，而磁通的大小是由励磁电流决定的。因此，当发电机转速增高时，可以减小励磁电流使磁通减小，保持发电机的输出电压不变;反之，当发电机转速降低时，增大励磁电流。因此电压调节器的作用就是在发电机转速变化时，自动改变励磁电流的大小，使发电机输出电压保持不变。所以可以在发电机励磁回路中串联励磁调节器，实质是串入可切换电阻，改吧了励磁回路的阻抗特性，进而改变了励磁电流的大小。

4.2 电气系统电路设计

如图所示，励磁调节器由电压继电器 V1、电流继电器 I1、逆流继电器 I2

及其所控制的动断触电 V1、I1和动合触电 I2以及电阻 R2等组成。

图 8 发电机励磁图

励磁调节器的作用是使发电机能自动调节其励磁电流（即励磁磁通）的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响。

当发电机转速较低，发电机端电压低于额定值时，电压继电器V1 不动作，其动断触点V1闭合，硅整流器输出端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状态；当风速加大，发电机转速增高，发电机端电压高于额定电压时，动断触电 V1断开，励磁回路中被串入了电阻R2，励磁电流及磁通随之减小，发电机输出端电压随之下降；当发电机电压降至额定值时，触点V1重新闭合，发电机恢复到正常励磁状态。电压继电器工作时发电机端电压与发电机转速的关系如图所示。

风力发电机组运行时，当用户投入的负载过多时，可能出现负载电流过大超过额定值的状况，如果不加以控制，使发电机过负荷运行，会对发电机的使用寿命有较大的影响，甚至损坏发电机的定子绕组。电流继电器的作用是为了抑制发电机过负荷运行。电流继电器I1 的动断触点I1 串接在发电机的励磁回路中，发电机输出的负荷电流则通过电流继电器的绕组；当发电机的输出电流低于额定值时，继电器不工作，动断触点I1闭合，发电机属于正常励磁状态；当发电机输出电流高于额定值时，动断触点I1 断开，电阻R2被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端的电压，并减小了负载电流。电流继电器工作时，发电机负载电流与发电机转速的关系如图所示。

图 10 发电机负载电流与发电机转速的关系

为了防止无风或风速太低时，储能电池组向发电机励磁绕组送电，及储能电池

组由充电运行变为反向放电状态，这不仅会消耗储能电池组所储电能，还可能烧毁励磁绕组，因此在励磁调节器装置内，还装有逆流继电器I2。发电机正常工作时，逆流继电器的电压线圈及电流线圈内流过的电流产生的吸力是动合触点I2 闭合；当风速太低，发电机端电压低于储能电池组电压时，继电器电流线圈瞬间流过反向电流，此电流产生的磁场与电压线圈内流过的电流产生的磁场作用相反，而电压线圈内流过的电流由于发电机电压下降也减小了，由其产生的磁场也减弱了，故由电压线圈及电流线圈内电流所产生的总磁场的吸力减弱，是的动合触点

I2断开，从而断开了储能电池想发电机励磁绕组送电的回路。

采用励磁调节器的硅整流交流发电机，与永磁发电机比较，其特点是能随风速变化自动调节输出端电压，防止产生对储能电池组过充电，延长储能电池组的使用寿命；同时还实现了对发电机的过负荷保护，但由于励磁调节器的动断、动合触点动作频繁，需对出头材质及断弧性能做适当的处理（可采用电子开关进行开关动作，并联多组带电子开关的电阻相当于多极调节）。而且用该交流发电机进行发电时，发电机的转速必须达到在该转速下的电压时才能对储能电池组充电。

5传动系统结构设计及计算

5.1 传动轴的设计

主传动轴只承受扭矩，基本不受弯矩，按空心主轴扭转强度估算主轴最小直径：

其中 A 为系数，按《机械设计手册单行本 - 轴承及其连接表 5-1-19 》选取； d 为轴端直径，mm；n 为轴的工作转速，r/min；P 为轴传递的功率，kW；为空心轴的内径 d1与外径d 的比值，α=d1/d。

按照主轴扭转刚度计算直径：

其中 B 为系数，按《机械设计手册单行本 - 轴承及其连接表 5-1-20》选

取。如果截面上有键槽时，应将求得的轴径增大，其增大值见《机械设计手册单行本轴-承及其连接》表 5-1-22。

图 11 主轴示意图校核主轴安全系数。主轴最

大转矩为最大风速下承受转矩：

只考虑扭拒作用时的安全系数为

其中

为对称循环应力下的材料扭转疲劳极限，Mpa ，见《机械设计手册

单 -1

行本轴-承及其连接表 5-1-1》， =115；K 为扭转时的有效应力集中系数， - 1

见《机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-30～表 5-1-32》， K =1.8 ；为表面质量系数，一般用《机械设计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-36》；轴表面强化处理后用《机械设计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-38》；有腐蚀情况时用《机械设计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-35》或《机械设计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-37》，= 0.44；为扭转时的尺寸影响系数，见《机械

设计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-34》， = 0.89 ；a 、m 为扭转应力的

应力幅和平均应力，Mpa 见《机械设计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-25》， m =a = T = 60.3 = 6.1；为材料扭转的平均盈利折算系数，见《机械设 ma 2Z 2 4.94

计手册单行本轴-承及其连接表 5-1-33》， = 0.21

。代入上式，可求得安全系S = -1 K a +

数S =5.5，然后根据钢材的材质标号，查表看安全系数是否满足，不满足就再增加主轴直径。

5.2轴承的计算及选型由于风力机不仅承受风轮的扭矩，而且要承受气流方向的一定弯矩，角接触球轴承不仅能够承径向力，同时能够承受一定的径向载荷，因此在主轴上安装两个角接触球轴承。

5.2.1 角接触球轴承 1的选用计算

角接触球轴承 1的安装位置如图所示。

角接触球轴

承

图 12 轴承 1 的安装位置

轴径 d=30mm,额定转矩 T=4.3Nm。由《机械设计手册单行本-轴承表 6-2-82》可选择角接触球轴承。

轴向载荷：

F =(m+m+m+n m )g =?kg10N /kg=?N 径向载荷按照最不利状况计算，根据伯努利方程，气流作用在叶片上的压强为：

P = 0.5v2= 0.5 1.25102= 62.5Pa 作用在叶片上的总力为

F = PS = 62.540.6 =150N 由《机械设计手册单行本-轴承表 6-2-12》推荐使用寿命为100000 小时, 轴承当量动载荷的计算公式为

P= XF r +YF a

式中 X 、 Y 分别为径向动载荷系数及轴向动载荷系数。可通过查《机械设计

手册表28·3-2》得到，然后计算载荷P。

轴承基本额定动载荷按如下公式计算：

式中：C为基本额定动载荷计算值，N；fn为速度因数，按《机械设计手册单行本-轴承表 6-2-9》选取；fm为力矩载荷因数，力矩载荷较小时取 1.5，较大时取2，这里选取2；fd为冲击载荷因数，按《机械设计手册单行本-轴承表

6-2-10》选取；fT为温度因数，按《机械设计手册单行本-轴承表6-2-11》选取1；fh为寿命因数，按《机械设计手册单行本-轴承表 6-2-8》选取 0.405；P为当量动载荷。将各个数据代入上式得 C值，与手册里标称相应型号轴承的 C r值比较，小于 C r 即可。

5.2.2角接触球轴承 2 的选用计算

角接触球轴承 2的安装位置如图所示。

轴承

图 13 轴承 2 安装位置

按照《机械设计手册单行本 - 轴承表 6-2-82 》选择轴承型号按照轴承 1 校核公式对轴承进行校核。

由《机械设计基础（第五版）公式 16-3 》计算轴承寿命：

106 f C

60n

式中：f T为温度因数，按《机械设计手册单行本 - 轴承表 6-2-11 》选取1 ；

f d为冲击载荷因数，按《机械设计手册单行本-轴承表 6-2-10》选取 1.2；C 为

额定动载荷；N 为主轴额定转速，r/min；为寿命指数，对于球轴承取 3。

将各数据代入式子后得轴承寿命小时。由《机械设计手册单行本-轴承表 6-2-12》推荐使用寿命为 100000 小时。

主轴与发电机之间用圆锥销套筒联轴器进行连接，如图所示，联轴器具体参数见图纸。

图 14 圆锥销套筒联轴器