同軸反轉葉片風力發電機組設計探討

胡頡

摘 要：隨著“十三五規劃”的實施，我國加大了對清潔能源領域的投資力度，并已成為世界上規模最大，裝機容量增速最快的風電的國家。雖然我國取得了舉世矚目的成就，但我國風電產業還面臨諸多問題，亟待解決。

目前，我國內陸風力發電機組選址、建設、制造、研發等環節已經趨于成熟，風電全產業鏈基本實現國產化，但也暴露出我國風電行業大而不強，優質風場匱乏等突出矛盾。國內風電龍頭企業在此背景下，開始謀求向低風速領域布局，并已經將目光轉向中東部的低風速資源區的開發。當前，為了提高在低風速發電效益，風電主機廠的解決方案主要是增加塔架高度，增大葉片直徑，但此方案必然增加風電發電機組的制造成本，因此本文討論從更改結構設計來達到提高低風速發電效益；

關鍵詞：風能；風力發電；風力發電機；同軸反轉葉片；同軸反轉齒輪箱；行星齒輪

引言

國內風電企業已經在大兆瓦、大直徑風機上有了長足的技術進步，并攻克了百米以上柔性塔架技術和混泥土塔架技術，但制約中東部發達地區風電建設的根本矛盾是當地風資源匱乏和高額的建造成本，低下的投資收益比澆滅了各大發電企業投資風力發電的熱情，加之國家2020年去補貼的目標，低風速、高成本、低收益的中東部陸地風場將面臨更加嚴峻的考驗。本文將介紹同軸反轉葉片葉片風力發電機組的結構和經濟效益優勢，并探討同軸反轉葉片風力發電機組如何解決在“兩低一高”地區運營時經濟效益低下的問題。

一、我國中東部風電產業的發展趨勢

根據權威部門發布的數據，中國10m高度層的風能資源總儲量為32.26億kW，其中實際可開發利用的風能資源儲量為2.53億kW。但云南、貴州、四川、甘肅、陜西南部、河南、湖南西部、福建、廣東、廣西的山區及新疆塔里木盆地和西藏的雅魯藏布江等地區，為風能資源貧乏地區，有效風能密度在50W/m2以下，風能潛力低，屬于典型的低風速區市場。

當前，中國風電發展重點均在“三北”地區，然三北地區經濟發展滯后，對新能源消納能力差，棄風、棄光限電率居高不下，已經成為制約我國可再生能源產業健康持續發展的最大絆腳石。其中，2016年前三季度，僅全國棄風電量就高達394.7億千瓦時，超過2015年全年的棄風電量。“三北”地區的平均棄風率逼近30%，其中甘肅為46%，新疆為41%，吉林為34%，發改委已于2016年出臺警戒政策，“三北”數省均已亮起紅燈。相比之下中東部各省的平均棄風率還不足11%，建設使用還大有可為；

由此可見風電建設“由西向東，由北向南，由陸向海”的趨勢已經不可逆轉。

1.1同軸反轉葉片風力發電機組結構介紹

同軸反轉風力發電機組結構主要由三部分組成：塔架、機艙、葉片。而機艙又集成有三大系統：變槳系統、傳動系統、發電系統。本文只討論結構部分帶來的影響。

從外觀上看，同軸反轉葉片風力發電機組采用兩葉片輪轂，每個輪轂上安裝兩個葉片，兩輪轂同心旋轉，前后相鄰但相互獨立。同軸反轉葉片風機運行時，兩對葉片同軸對轉，即其中一對逆時針旋轉，另一對順時針旋轉，兩組葉片角速度大小相等，方向相反。

機艙部分，同軸反轉葉片風機采用兩套獨立變槳系統，每套系統對應一對葉片。風機運轉時，通過機艙頂部測風儀和其他傳感器監測數據，結合主控系統控制策略，調整葉片角度，使得葉片轉動到最佳受風面積，并提高發電效率。

傳統系統中軸承使用單軸設計，通過主軸連接法蘭與其中一個輪轂連接，另一個輪轂與行星齒輪連接，以實現兩個輪轂運動方向相反的功能。齒輪箱與主軸另一頭連接，齒輪箱內設計多級變速齒輪，將低速軸與高速軸連接，最后通過滑環與發電機主軸連接。

偏航系統與一般風機相同，安裝與機艙與塔架之間的連接法蘭附近。

1.2同軸反轉葉片工作原理

在風機運轉時，風力發電機組的葉片的葉尖會形成切向的空氣渦流，這種渦流會造成一定的能量損失。理論上，當使用同軸反轉葉片風機設計時，兩組葉片轉動時產生的渦流會互相抵消，將渦流造成的能量損失降到最低。

同時，同軸反轉葉片風機兩組反向旋轉的葉片產生的扭矩相互抵消，也大大降低了風機的載荷，高效能由于消除了葉尖的空氣渦流，反而提高了風機發電效能。

二、同軸反轉葉片風力發電機組優勢

1.整體重量輕

一般風機多采用三葉片的形式，部分風機采用兩葉片的形式，所有葉片安裝在一個輪轂上，并通過主軸法蘭與風機傳統系統連接，運行時葉片朝一個方向旋轉。因為葉片運行輪轂中心距離塔架圓筒中心有一定距離，因此根據受力分析，風機塔架此時不僅僅受到機艙及葉片的重力，還會產生一個風機運行時產生的軸向偏轉力矩。

筆者有幸參與到一個項目，因為葉片直徑更換，由135m更換至145m，其塔架增重13t。若采用同軸反轉形式，兩組葉片相互反向旋轉，塔架的軸向力相互抵消，可以有效降低塔架載荷，減少，如此建造成本可以得到有效控制。

2.效率高

目前國際上尚無類似風機設計，但可以從相關行業查到資料，如航空航天。目前航空領域采用同軸反轉葉片的主要是俄羅斯、美國、英國、烏克蘭等國，其中最著名的是俄羅斯Tu-95戰略轟炸機，Ka-52/50武裝直升機、Ka-27/28運輸直升機等。其采用高速同軸反轉渦軸發動機，根據俄羅斯公布資料，其效率比一般渦軸發動機效率高出6%-16%；

3.技術成熟

早在1947年，英國皇家海軍便設計了使用同軸反轉發動機的海噴火47，并服役于皇家海軍航空兵部隊。從全球來看，同軸反轉傳動機械結構早已不是問題，而且隨著70余年的發展成熟，同軸反轉傳動機械結構用于風力發電行業已不是問題。中國海軍也與上世紀90年代引進ka-27/28直升機，對其同軸反轉傳動系統也有充分了解，從技術角度，國內設計、仿制低速同軸反轉傳動系統理應是順理成章的事情。

4.抗臺風能力強

眾所周知，國內風電發展趨勢“由陸向海”，海上風電是未來的國家發展的重點，東南沿海各省，因為其經濟發達，能源消耗量大，風電等清潔能源消納能力強，已經成為國家海上風電項目的試驗田。

同軸反轉風力發電機組在這種環境下具有先天優勢。當強臺風來襲，風機輪轂鎖死，兩對葉片均指針在12點和6點方向，依靠塔架抵抗臺風，因此四個葉片只有一個葉片面積受風。與兩葉片風機相比，受風面積相同，但發電量卻高出后者一倍有余。與三葉片風機相比，受風面積卻只有其二分之一到三分之一。因此抗臺風能力優勢明顯。

同軸反轉葉片風力發電機組存在的問題

5.傳動系統結構復雜

雖然同軸反轉葉片傳動系統結構成熟，但將其發揚光大的只有前蘇聯及俄羅斯，而美國及英國均放棄這種設計，因為其結構復雜，尤其是齒輪箱部分。在風機機艙這種高集成、高密度的環境下，一旦傳動系統出現故障，則維修過程將變得異常困難，因此同軸反轉傳動系統還需優化設計。

6.噪音大

根據國外查詢的資料，同軸反轉發動機運行產生的噪音比一般發動機運行時的噪音要高出10-20分貝，而部分型號甚至要高出30分貝。曾經有一個段子，Tu95戰略轟炸機飛過，潛航中的潛艇的聲吶都能監聽到。由此可見，同軸反轉風力發電機組的需要注意噪聲和震動對風機其他設備及維護人員的損害。

結語

本文討論了同軸反轉葉片風力發電機組的優勢及其設計上還存在的問題，希望本文能給眾多風力發電機組的設計者們提供一個思考方向，使得各風電廠商能夠設計出成本更低、性能更強的風力發電產品。當然，同軸反轉葉片風力發電機組將設計變為產品任重而道遠。

（作者單位：明陽智慧能源集團股份公司）