垂直轴风机风力发电的设计方案研究
张慧芳”，马宏文”，韩冬，马晋雄’，沈志恒
2.中海油能源发展油田建设潮海工程分公司，天津300451） （1.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津300451；
轴风机的核心机构，并对上部支撑机构进行了整体方案设计，提出了一套造用于2MW垂直轴 摘要：通过对2MW垂直轴风机风力发电的特点进行分析，确定了上部支撑机构是垂直风机的上部支撑机构，同时，对垂直轴风机的轴承选型、机械密封以及风机的稳定性也进行了设计研究.项目设计在国内达到了技术领先.也为国家垂直轴风机风力发电的发展提供了可靠的理论依据.
关键词：垂直轴风机：风力发电：设计方案：上部支撑机构
中图分类号：TK89文献标志码：A文章编号：1009-3230（2011)11-0029-04
TheDesignSchemeStudyofVerticalAxisTurbine WindPowerGeneration
(1. Offshore Oil Engineering Co. Ltd. Tianjin 300451 China; 2. Bohal Engineering NS NH u HCNOOC; Tianjin 300451 China)
Abstract: By analyzing characteristics of 2MW vertical axis turbine of wind power genenstion andsupport structure of vertical axis turbine is confirmed for key parts.Whole project design of supportstructure is made and a new support structure suited for 2MW vertical axis turbine is proposed. Meanwhile Mechanical seal selection of vertical axis turbine and turbine operation′ s stability isdesigned study. This design is one of leading technology of China. It could offer reliable theoreticsupport for development of vertical axis turbine of wind power generation.
Key words: Vertical axis turbine; Wind power generation; Design scheme study; Upper supportingmechanism
与风向垂直，风轮上的叶片径向安置，与转轴垂 轮围绕一个水平轴旋转，工作时风轮的旋转平面直.水平轴风机具有扫风面积大，风能利用率高的优点.面垂直轴风机的风轮围绕一个铅直输款 转，其结构简单，便于维修，气动噪音小.同时，垂力发电上，尤其是海洋风力发电领域越来越受到轴风机具有巨大的优势和潜力，在成本上也比传 直轴风机在风能利用效率和制造成本方面较水平重视3-.风机是风力发电的主要设备.其结构统水平轴风机有40%的下降空间.有利于弥补形式按照风轮旋转轴在空间的方向，可以分为水当前国家风能产业中存在的核心技术缺失、设计能力落后的局面.2MW垂直轴风机是目前国内 研究的最大的垂直轴风机，其技术核心在于上部支撑结构和下部轴承.2MW垂直轴风机上部支撑机构设计包括主轴承的载荷计算、选型、工艺要
0引盲
随着能源问题和环境问题的日益突出，作为一种清洁的可再生能源，风力发电越来越受到人们的关注[1-.在国家对风力发电研究开发的大力支持下，越来越多的企业将发展方向放在了风平轴风机和垂直轴风机两大类.水平轴风机的风
求确定，轴承座和旋转部分和固定部分的载荷计算、结构设计、加工工艺设计，润滑量的计算、润滑机构的结构和工艺设计、密封系统的计算、密封材料的选型和参数设计.该技术在国内为首创，已 达到国内技术的先进水平，具有巨大的产业化潜力和广阀应用前景.
均衡，以静载荷和动载荷为指标，计算结果显示方法行之有效，较同类产品的国外设计降低成本约40%；轴承座固定部分和旋转部分的设计创造性 则应用传统机械设计中轴和轴承盖的概念，空心轴和筒形固定部分利用有效的轴肩受力，其外型符合铸造、锻造的需求.同时，利用锻造工艺显著增加了部件使用寿命，采用上下端盖保证了结构 的完整性和润滑密封需要.并以常规螺栓作为紧固件，可以降低成本.2MW垂直轴风机的整体破口，将传统材料、工艺加以应用，成本优势成果 设计以力学计算为基础，以创新的结构设计为突显著；润滑系统考虑了20年的使用寿命和-40°℃C的低温环境，在主结构中设计了油路，其设置保证低廉，产品可靠，适应旋转环境要求，保证了计算润 了整体强度和刚度不受影响.传统的加油机价格滑周期和润滑量；密封系统以大型泵类的旋转密封封成本低、可靠性强、压紧力可调、维修方便的特 为蓝本，经过计算和结构设计，充分发挥了缠绕密点，上部密封的设计采用骨架油封，简单耐用，协调的整体设计也保证了密封件更换的接近性.
为水平轴风机，面由于垂直轴风力机具有优越的 目前，世界各地的大部分风场所用的风力机空气动力性能，其能够提高效率，并且很大程度降低了造价，所以近年来广泛受到各国研究人员的 关注，许多学者对垂直轴风机进行了大量的研究工作3-.相对于水平轴风机，垂直轴风机具有三个特点：第一，主要设备在地面，维护检修简单；第二，任何风向都可以发电，不需要对风装置；第 三，风机叶片比较简单，容易制造，生产成本较低.随着科技的发展和人类认识水平的不断提高，学者们逐渐采用数值研究的方法对垂直轴风力机进 行优化设计”，如中海油在此项工作上进行了相关的理论研究.由于垂直轴风力风机叶片的每个大下降，计算量也随之下降.在设计方法方面，垂 截面都一样，这样就能简化成二维情况，网格数大直轴风力发电机比水平轴风力发电机具有更为优越的条件.
1机构设计计算和工艺设计
图.如图1所示，在垂直轴风机发电整体结构中， 图1表示2MW垂直轴风机总体结构布置顶部机构起着保证旋转运动的实现、传递下压力和稳定结构的重要作用.同时，在主轴承的设计 中，采用了大型圆锥滚子轴承，在工艺上加强了硬度和热处理要求，实现了载荷能力与工作寿命的
图12MW垂直轴风机总体示意图
风机主要受力情况
风道50m/ 工& FX( 104N) FZ(104N) FX′(104N) FY′(104N) M(104N. m)转速0r 59 410 67.8 6.54 520风道14m/s 转速20 rp 47 410 47.92 6.54 219转速17m 风速24m/s 61.4 410 64.4 6.54 586备注 塔筒底部水平力 塔筒底部垂直力 塔筒顶部水平力 塔简顶部真力塔商底部族转力矩
5m/s作为切人风速，14m/s作为额定风速， 按照中国北方主要风场的气象数据计算，以24m/s作为切出风速，极端风速定为50m/s，以此条件作为输人计算，可得到表1所示的受力数据. 面较大的径向和垂直载荷在对于轴承的选择有较大影响，并根据表1中计算得到的数据进行设计.本设计在计算方法上采用较为保守的模式.由于调心滚子轴承能承受较大径向载荷，并承受少量 轴向载荷：推力滚子轴承可承受以轴向载荷为主的径向、轴向联合载荷，因此在设计中采用了调心
滚子轴承和推力滚子轴承联合的方式，即调心滚 子轴承布置在上部，面推力滚子轴承布置在下部的形式，这样可以使调心滚子轴承承受大部分径向载荷，所受轴向载荷远小于径向载荷；推力滚子轴承承受大部分轴向载荷，所受径向载荷远小于 轴向载荷.所以，以调心滚子轴承承受径向载荷、推力滚子轴承承受轴向载荷进行校核.
根据风力发电机设计转速为14r/min，其基本额定动载荷由下式进行计算：
图2表示顶部支撑旋转总成设计方案图.如图2所示，为了保证轴承的稳定运转，采用厚壁筒形结构作为旋转部分支撑轴承并与下部主结构相表2所示. 接，传递来自外界的垂向和侧向力.受力情况如
(1)
式中：C-基本额定动载荷计算值，N；
P--当量动载荷，N；
f-寿命因数，本垂直轴风机设计选取每年6500h，共使用20年，计算得出轴承基本额定寿命L=130000h.按L10h和滚动轴承的线性趋势，取f=5.4；
表2
上部结构主要受力情况
工& 拉索编号 最小值 最大值工况A法向力最大120°拉索 0°控索 56423 1660L240°拉索 0°拉索 57829 72309工况A切向力最大120拉索 1040000240°拉索 0°拉索 L6728 101763工况B法向力最大 120°控索 240°拉索 525274 783318 539718 °拉索 16658 100458工况B切向力最大 120拉索 240"控索 554898 774809 569341 789242工况C法向力最大 120*控索 0°拉索 510230 524678 125297240*控索 124864 517338 531786 139346工况C法向力最大120°拉索 0°控索 462331 476778240°拉索 457009 471457
f-速度因数，取f.=1.224；
f--力矩载荷因数，取f=2；
f冲击载荷因数，取f=1.8；
f-温度因数，取T=0.95；
C.（或C.）--轴承尺寸及性能表中所列径向（或轴向）基本额定动载荷，N.
当量静载荷按P.=X.F，Y.F.计算，基本额定静载荷C=SP.安全系数S=C/C.
计算得轴承寿命L=（）=9341百万转， 644000）
）=7 594 076 h.
根据机构整体方案和受力进行计算，通过计算得到机构根部连接处的抗弯能力、轴肩处压应力、内筒剪应力、内筒接触应力、稳定性校核、轴向受压失稳等均保持了较高的安全系数.
根据计算得到的轴承寿命对轴承进行选型：3706/635/HCC9的运行工况：零下40℃至50℃，相对湿度95%；润滑脂采用美孚SHC460WT，初次注脂量2.8kg，其中轴承中部注脂1.2kg，两侧各涂脂0.8kg.再次注脂量0.3kg，建议注脂周期为28 周.轴承在加热炉或热感应炉内加热并保温后安装，轴承在感应炉或加热炉加热到100摄氏度，注意控制温度，不得超过110摄氏度，保温2小时.
图3外简总或内结构设计
为了保证风机的稳定性，需要将顶部通过钢索与地面进行固定，这样就需要一个固定不参与 旋转的”钢筒”作为外筒，图3表示外筒总成内结构的示意图.由于外筒蓄要承受钢索传递的侧向力和垂向力，通过轴肩压应力、剪应力、接触应力的计算，设计的安全系数均保证了较高的水平.
图2顶部支撑旋转总成设计方案图
对于风机的整体设计，还需要对风机进行机械密封.密封机构的设计是为了保证轴承润滑的实现，防止润滑脂外流，防止风沙进人精密结构、影响工作寿命.对于直径1m以上的大型密封 件，目前没有具体的标准可依，主要通过与密封供应商的交流和实地调研，提出了缠绕式大型密封的结构，其采用软填料密封形式，从而解决了其工
与3706/635/HCC9相配合轴的尺寸推荐为：4635k6（0.05 0);
与3706/635/HCC9相配合壳体的尺寸推荐为：Φ939.8E7（0.260，0.170）；
轴挡肩直径推荐为：4654；
外壳孔挡肩直径推荐为：$910.
作环境恶劣、维修养护困难的问题.其中，箱体间同样需要采用大型密封环进行密封.密封机构的具体结构如图4所示.
图5表示旋转支撑总成整体设计方案图.螺柱、螺栓、螺母、平垫片的锌铬涂层技术条件按照 相关标准设计.其中涂层应不影响螺纹公差配合要求.螺栓供应商需按照涂层和二硫化钼的涂装要求做安装工况试验并给出扭紧力矩.内螺纹加要做-40℃的低湿冲击试验，达到AKv≥27J. 工前做材料试验，HRC不小于20.对于紧固件需螺柱、螺栓、螺母机械性能也需要满足相关标准.装配后轴承外圈配合部分应相对内图配合部分旅转灵活.图中构件10、13、23配合表面进行渗碳
图4密封机构的设计
处理，渗碳层厚度1.5mm，表面硬度不低于60HRC.构件10与主拉耳、构件23与塔筒的对接焊缝必须进行100%的UT，需做冲击试验，已保证构件10与主拉耳、构件23与塔筒的焊接接头的各项数据不低于母材标准.
图5旋转支撑总成整体设计方案图
参考文献
3结论
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文中通过对2MW垂直轴风机风力发电进行描述，提出上部支撑机构在2MW垂直轴风机中起到保证风机的稳定旋转、传递钢索对风机结构 施加的下压力的作用，是风机的核心机构，为一项全新的设计，本设计属自主研发，其技术在国内为首创.同时，对垂直轴风机的轴承选型、机械密封滚子轴承和推力滚子轴承联合设计的形式.为国 以及风机的稳定性进行了优化设计，提出了调心内垂直轴风力发电的发展提供了巨大的帮助，其设计方案达到了国内先进水平，具有巨大的产业化潜力和广國应用前景.而发展新能源技术和自主知识产权符合我国清洁能源发展的需要，有利 于在新技术的开发领域抢占先机，配合未来风电安装形成一整套先进的风能技术系统，保障国家风能产业发展的战略部署的执行.
