船用可收縮式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

張晶+周澤才+侯東伯+郝留磊+王義權(quán)+孔凡凱

摘 要：文章設(shè)計了一種充分利用海洋風(fēng)能，性能獨特，適合船用的可收伸縮式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。輪輻采用平行四邊形四桿機構(gòu)固定，保證葉片收起和張開工作時保持垂直狀態(tài)。收縮機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)，以絲杠螺母帶動滑塊升降，實現(xiàn)風(fēng)輪的收縮，提高船舶對海洋風(fēng)能的利用率。當(dāng)船舶停靠在岸邊或者靜止在海面上時，可以利用船上的風(fēng)力發(fā)電機進行發(fā)電。當(dāng)船舶正在行駛時，將風(fēng)力發(fā)電機收縮回來，以免增加船舶的阻力。

關(guān)鍵詞：船舶；收縮式；垂直軸風(fēng)力機；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TM315 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0019-02

用于船舶的風(fēng)力發(fā)電機和普通的陸用發(fā)電機不盡相同，除了能實現(xiàn)發(fā)電，還要不阻礙船舶的航行，體積受船體限制。本文設(shè)計了一種輪輻可伸縮式的垂直軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)。當(dāng)船舶停靠在岸邊或者靜止在海面上時，可以利用船上的風(fēng)力發(fā)電機進行發(fā)電。當(dāng)船舶正在行駛時，若風(fēng)力發(fā)電機仍在發(fā)電，則會增加船舶的阻力，消耗能量，此時需要將風(fēng)機收縮起來。

1 船用風(fēng)機總體方案設(shè)計

根據(jù)設(shè)計任務(wù)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求是：結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、發(fā)電成本最低、發(fā)電量最大、適合船用、外形美觀等。根據(jù)風(fēng)力機吸收風(fēng)能后的傳力路線，船用風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計主要涉及風(fēng)輪布局的形式、收縮裝置的設(shè)計、制動系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。

當(dāng)風(fēng)力機處于工作狀態(tài)時，該風(fēng)力機的葉輪完全張開，葉片迎風(fēng)受力，三個葉片受力不均勻產(chǎn)生扭矩，葉輪旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，最終使發(fā)電機發(fā)電。

當(dāng)風(fēng)力機進行收縮時，電機驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，使螺母向下運動，帶動輪輻使葉片實現(xiàn)收縮，螺母與到擋塊時完成收縮。當(dāng)風(fēng)力機需要張開時，電機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，使螺母向上運動，帶動輪輻使葉片張開。

風(fēng)輪裝置位于轉(zhuǎn)軸上部分，主要由主軸組件、支持翼、葉片等零部件組成。風(fēng)輪裝置由三個直線翼型葉片以互成120°，均布在鋼結(jié)構(gòu)主軸徑向外周沿。葉片采用上下雙桿平行四邊形結(jié)構(gòu)連接，并以斜支撐桿支撐，如圖1所示，平行四邊形結(jié)構(gòu)能保證葉片收起和張開工作時保持垂直狀態(tài)，斜支撐桿起支撐作用，主要用來支撐整個風(fēng)輪裝置的重量。

2 收縮裝置的設(shè)計

鑒于船在行駛過程中需要減小阻力，風(fēng)機應(yīng)為可收縮形式。收縮機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄即為采用平行四邊形四桿機構(gòu)的輪輻，滑塊沿著支承軸上下運動，從而帶動斜支撐桿將聯(lián)接葉片的輪輻撐起為水平。

船用風(fēng)力發(fā)電機工作時整個風(fēng)輪繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其需要使風(fēng)輪收縮時需要利用收縮裝置來實現(xiàn)這種功能。收縮裝置工作原理主要包括兩部分：（1）利用螺旋機構(gòu)完成滑塊6在轉(zhuǎn)軸5上的升降運動，從而帶動斜支撐桿4使上輻條1、下輻條3分別繞鉸接處A、D旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)葉片2的收縮；（2）滑塊6利用滾動軸承實現(xiàn)內(nèi)外圈的旋轉(zhuǎn)運動分離的特點，實現(xiàn)外圈隨風(fēng)輪自由旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈與絲杠螺母固定。如圖2所示為收縮裝置的機構(gòu)示意簡圖，圖中僅考慮了船用風(fēng)力發(fā)電機在垂直面內(nèi)的運動狀態(tài)。

3 制動系統(tǒng)的設(shè)計

制動系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機安全控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是風(fēng)力發(fā)電機出現(xiàn)不可控情況時的最后的“救命稻草”，其重要性非同尋常。

風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)置制動裝置的目的是保證機組從運行狀態(tài)到停機狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，主要用于安全系統(tǒng)，也可用于靜止或正常運行。制動一般有兩種情況：一種是運行制動，它是在正常情況下經(jīng)常性使用的制動。另一種是緊急制動，平時很少使用，僅當(dāng)風(fēng)力機過載、遭遇大風(fēng)等情況需要短時間內(nèi)迅速制動時才使用。

考慮到船用風(fēng)力發(fā)電機性能特殊性，即當(dāng)船舶停泊在多風(fēng)的海口和港灣，或在海洋中靜止進行較長時間的捕撈、作業(yè)等情況時風(fēng)力機處于張開運行狀態(tài)，一旦船舶行駛，風(fēng)力機就需制動并呈收縮狀態(tài)，該船用風(fēng)力發(fā)電機在正常情況下需要經(jīng)常性制動。結(jié)合船用風(fēng)力發(fā)電機獨特的結(jié)構(gòu)，其制動過程有以下兩種方案。

方案Ⅰ：當(dāng)風(fēng)力機處于完全張開的工作狀態(tài)（如圖3（a）所示）時利用制動器制動，風(fēng)力機停止轉(zhuǎn)動時再利用收縮裝置實現(xiàn)風(fēng)輪裝置的收縮。

方案Ⅱ：先利用收縮裝置實現(xiàn)葉輪的收縮，當(dāng)風(fēng)力機完全呈最緊縮狀態(tài)（如圖3（b）所示）時再進行風(fēng)力機的制動。

比較方案Ⅰ和方案Ⅱ，可以看出，方案Ⅰ顯而易見的缺點在于，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)動慣量較大，這就造成要求制動器提供的制動力矩也較大，因此對制動器的性能要求較高，普通電磁制動器難以滿足制動要求，而導(dǎo)致不得不選用液壓制動。采用液壓制動器完全能達到所要求的制動效果，但液壓裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封性要求高，維修困難，且體積較大。對于方案Ⅱ，收縮后的風(fēng)力機轉(zhuǎn)動慣量小，普通的電磁制動器即能將其剎住。與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，因此選用方案Ⅱ進行制動。

4 結(jié)束語

船用風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用還處于初始階段，特別是關(guān)注度較低的漁船，大多只是停留在1000W左右的小型風(fēng)力發(fā)電機的使用，且這些小型風(fēng)力發(fā)電機的使用多是漁民自發(fā)配置的，相關(guān)專業(yè)人員對較大功率風(fēng)機在船上的風(fēng)力發(fā)電工作涉及較少。本文針對海上航行實際情況，對船用可收縮輪輻式垂直軸節(jié)能風(fēng)力發(fā)電機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，為日后船舶的風(fēng)能利用提供了一定的參考。

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