拉索式垂直軸風力機結構分析

（武警海警學院 浙江寧波 315801）

0 引言

相對水平臥式風力機，垂直軸風力機具有諸多突出優點：如無需風輪定向系統（定向系統的故障率占總量的13%）；其葉片可由等厚散件組裝，且表面翼形比水平臥式風力機的螺旋漿式葉片形狀簡單了很多，大大降低了葉輪制造成本（螺旋漿式葉片成本為整機的1/3）；其發電機組安裝位置靈活，可以安裝在塔架下部，甚至可由基礎來支撐，減少了塔架承載重量，提高了結構的穩定性［1］。但垂直軸風力機葉片不能像水平臥式風力機那樣安裝在輪轂中，水平臥式風力機葉片處在葉片回轉面內，葉片轉動產生的離心力使水平臥式風力機葉片受拉力作用，對葉片的變形影響不大，而垂直軸風力機葉片與葉片回轉面垂直，葉片轉動產生的離心力與葉片長度方向垂直，離心力對葉片受力和變形影響很大，使葉片產生彎曲變形。葉片重量越大離心力越大，影響越大，進而影響垂直軸風力機的經濟性、可靠性，因此減少葉片及整個回轉結構的重量至關重要。

1 垂直軸風力機減重方向及措施

圖1 是H 型垂直軸風力機簡圖，垂直軸風力機一般由葉片、葉片支撐件、塔架、發電機組及配套等部分組成［2-3］。塔架是固定在基礎之上，發電機組及配套可以安裝固定在塔架中，塔架和發電機組是靜止不動的，它們的重量對葉片的變形影響不大，對風力機可靠性及運行效率也沒有直接的大的影響。對風力機性能和安全有直接和重大影響的是葉片和葉片支撐件，風力機運行時葉片和葉片支撐件是作回轉運動的，都會產生很大的離心力，直接影響葉片的變形，并影響風力機的運行效率、可靠性和安全性，因此要盡可能減少葉片及整個回轉結構的重量。

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結構。要減少葉片及支撐件框架的重量，一方面要對葉片及支撐件本身進行輕量化設計，這與葉片的制造方法和工藝有關，垂直軸風力機葉片可以像水平臥式風力機葉片用高分子材料整體成型，也可以用板材冷擠壓或用樹脂熱擠壓成型，擠壓成型容易實現規模生產，并可以在空腔內通以型材來增強剛度和強度；另一方面，可以通過改變葉片的固定方式來減重，拉索式垂直軸風力機通過拉索來固定葉片，極大地減少了支撐件的重量，從而減少整個回轉結構的重量［4］。

2 拉索式垂直軸風力機結構特點

2.1 拉索式垂直軸風力機結構

如圖1 所示，對H 型垂直軸風力機而言，2 個葉片在近似中點的位置固定于橫梁兩端，運行時葉片和橫梁繞塔架軸線轉動。在風力、離心力、升力的作用下，葉片會發生變形及振擺，進而影響風力機的運行效率、可靠性和安全性，離橫梁越遠則變形越大。實際應用中，為固定葉片、減少變形，會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，普通垂直軸風力機的支撐件總重量要比葉片大很多，整個回轉結構中支撐件占比達60%～80%，回轉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力機的設計目標。

圖1 H 型垂直軸風力機簡圖

圖2 帶支撐件的垂直軸風力機簡圖

如圖3 所示，拉索式垂直軸風力機由內拉索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8、塔架9 等組成。電機安裝在風力機塔架上，葉片安裝盤和電機的轉軸相連。葉片豎直方向布置，橫梁水平放置。葉片固定在橫梁中，葉片上的固定點在葉片的中間位置，橫梁上的固定點在靠近橫梁外端位置，葉片處在靠近橫梁外端里側的位置，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拉索。外拉索一端連接到葉片，另一端連接到橫梁的外端。內拉索一端連接到葉片，另一端連接到相鄰的葉片。拉索的數量視葉片長度情況而定，以保證葉片旋轉時的穩定性和剛性。

2.2 拉索式垂直軸風力機結構分析

普通的垂直軸風力機的葉片都布置在橫梁的最外端，沒有像拉索式垂直軸風力機一樣“葉片處在靠近橫梁外端里側的位置”布置，如圖4 所示。那段伸出葉片外側的“外伸橫梁”對于普通的垂直軸風力機而言是多余的結構，這樣的設計在普通垂直軸風力機中不僅材料浪費，還會產生不必要的離心力，而拉索式垂直軸風力機有了這“外伸梁”后才能實施正確的拉索。拉索式垂直軸風力機形似斜拉橋設計，只是它拉緊的是垂直軸風力機葉片，并且上下左右都拉緊，把葉片近似剛體般固定在橫梁上。葉片及橫梁的數量一般為2 到5 個，當葉片及橫梁為偶數個時，同一徑向的橫梁可以做成一體，以增加剛性和強度，也容易制造和安裝，如圖5 所示的4 葉片回轉結構簡圖；對奇數葉片的垂直軸風力機而言，每段橫梁只能單獨安裝在葉片安裝盤上，圖6 是3 葉片回轉結構簡圖。

為了進一步減輕重量，橫梁也可以用拉索結構以提高承載能力，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軸線位置。

圖3 拉索式垂直軸風力機簡圖

圖4 葉片和橫梁位置示意圖

3 拉索預緊力計算要點

拉索式垂直軸風力機能否有效地固定好葉片，主要看拉索施加的預緊力是否合適，使葉片在載荷的作用下產生的變形控制在合理的范圍［5-7］，這需要深入計算分析載荷、預緊力、葉片變形的關系，這里只針對葉片變形分析進行概要的描述。拉索式垂直軸風力機主要受風力、離心力、重力、拉索預緊力的作用，不同風速、不同風力機轉速時，垂直軸風力機所受的風力、離心力是不同的；相同風速下，靜止不轉的垂直軸風力機和轉動運行的垂直軸風力機所受的風力也是不同的，需要計算不同情況下的各種載荷，找出極限情況，計算在風力、離心力、重力、拉索預緊力綜合作用下的葉片變形量，得出合適的預緊力。

圖5 4 葉片回轉結構簡圖

圖6 3 葉片回轉結構簡圖

4 結論

拉索式垂直軸風力機類似斜拉橋設計，通過布置伸出葉片外側的“外伸橫梁”，把葉片近似剛體般固定在靠近橫梁外端里側的位置。葉片一般為2 到5 個，繞轉動軸線均勻布置。葉片上連接有若干外拉索和若干內拉索，外拉索一端連接到葉片，另一端連接到橫梁的外端，內拉索一端連接到葉片，另一端連接到相鄰的葉片。拉索的數量視葉片長度情況而定。拉索需要施加適當的預緊力才能使葉片變形量控制在規范要求內，可以通過仿真軟件根據不同情況下的各種載荷，計算在風力、離心力、重力、拉索預緊力綜合作用下的葉片變形量，得出合適的預緊力。