同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計探討

胡頡

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

目前，我國內(nèi)陸風(fēng)力發(fā)電機組選址、建設(shè)、制造、研發(fā)等環(huán)節(jié)已經(jīng)趨于成熟，風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，但也暴露出我國風(fēng)電行業(yè)大而不強，優(yōu)質(zhì)風(fēng)場匱乏等突出矛盾。國內(nèi)風(fēng)電龍頭企業(yè)在此背景下，開始謀求向低風(fēng)速領(lǐng)域布局，并已經(jīng)將目光轉(zhuǎn)向中東部的低風(fēng)速資源區(qū)的開發(fā)。當前，為了提高在低風(fēng)速發(fā)電效益，風(fēng)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(fēng)電發(fā)電機組的制造成本，因此本文討論從更改結(jié)構(gòu)設(shè)計來達到提高低風(fēng)速發(fā)電效益；

關(guān)鍵詞：風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電機；同軸反轉(zhuǎn)葉片；同軸反轉(zhuǎn)齒輪箱；行星齒輪

引言

國內(nèi)風(fēng)電企業(yè)已經(jīng)在大兆瓦、大直徑風(fēng)機上有了長足的技術(shù)進步，并攻克了百米以上柔性塔架技術(shù)和混泥土塔架技術(shù)，但制約中東部發(fā)達地區(qū)風(fēng)電建設(shè)的根本矛盾是當?shù)仫L(fēng)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(fā)電企業(yè)投資風(fēng)力發(fā)電的熱情，加之國家2020年去補貼的目標，低風(fēng)速、高成本、低收益的中東部陸地風(fēng)場將面臨更加嚴峻的考驗。本文將介紹同軸反轉(zhuǎn)葉片葉片風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟效益優(yōu)勢，并探討同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機組如何解決在“兩低一高”地區(qū)運營時經(jīng)濟效益低下的問題。

一、我國中東部風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢

根據(jù)權(quán)威部門發(fā)布的數(shù)據(jù)，中國10m高度層的風(fēng)能資源總儲量為32.26億kW，其中實際可開發(fā)利用的風(fēng)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(qū)及新疆塔里木盆地和西藏的雅魯藏布江等地區(qū)，為風(fēng)能資源貧乏地區(qū)，有效風(fēng)能密度在50W/m2以下，風(fēng)能潛力低，屬于典型的低風(fēng)速區(qū)市場。

當前，中國風(fēng)電發(fā)展重點均在“三北”地區(qū)，然三北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展滯后，對新能源消納能力差，棄風(fēng)、棄光限電率居高不下，已經(jīng)成為制約我國可再生能源產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的最大絆腳石。其中，2016年前三季度，僅全國棄風(fēng)電量就高達394.7億千瓦時，超過2015年全年的棄風(fēng)電量?！叭薄钡貐^(qū)的平均棄風(fēng)率逼近30%，其中甘肅為46%，新疆為41%，吉林為34%，發(fā)改委已于2016年出臺警戒政策，“三北”數(shù)省均已亮起紅燈。相比之下中東部各省的平均棄風(fēng)率還不足11%，建設(shè)使用還大有可為；

由此可見風(fēng)電建設(shè)“由西向東，由北向南，由陸向?！钡内厔菀呀?jīng)不可逆轉(zhuǎn)。

1.1同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)介紹

同軸反轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)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(tǒng)：變槳系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。本文只討論結(jié)構(gòu)部分帶來的影響。

從外觀上看，同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)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(zhuǎn)，前后相鄰但相互獨立。同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)機運行時，兩對葉片同軸對轉(zhuǎn)，即其中一對逆時針旋轉(zhuǎn)，另一對順時針旋轉(zhuǎn)，兩組葉片角速度大小相等，方向相反。

機艙部分，同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)機采用兩套獨立變槳系統(tǒng)，每套系統(tǒng)對應(yīng)一對葉片。風(fēng)機運轉(zhuǎn)時，通過機艙頂部測風(fēng)儀和其他傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合主控系統(tǒng)控制策略，調(diào)整葉片角度，使得葉片轉(zhuǎn)動到最佳受風(fēng)面積，并提高發(fā)電效率。

傳統(tǒng)系統(tǒng)中軸承使用單軸設(shè)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(xiàn)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(nèi)設(shè)計多級變速齒輪，將低速軸與高速軸連接，最后通過滑環(huán)與發(fā)電機主軸連接。

偏航系統(tǒng)與一般風(fēng)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(zhuǎn)葉片工作原理

在風(fēng)機運轉(zhuǎn)時，風(fēng)力發(fā)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(zhuǎn)葉片風(fēng)機設(shè)計時，兩組葉片轉(zhuǎn)動時產(chǎn)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(zhuǎn)葉片風(fēng)機兩組反向旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生的扭矩相互抵消，也大大降低了風(fēng)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(fēng)機發(fā)電效能。

二、同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機組優(yōu)勢

1.整體重量輕

一般風(fēng)機多采用三葉片的形式，部分風(fēng)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(fēng)機傳統(tǒng)系統(tǒng)連接，運行時葉片朝一個方向旋轉(zhuǎn)。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(jù)受力分析，風(fēng)機塔架此時不僅僅受到機艙及葉片的重力，還會產(chǎn)生一個風(fēng)機運行時產(chǎn)生的軸向偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)形式，兩組葉片相互反向旋轉(zhuǎn)，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(fēng)機設(shè)計，但可以從相關(guān)行業(yè)查到資料，如航空航天。目前航空領(lǐng)域采用同軸反轉(zhuǎn)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(zhàn)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(zhuǎn)渦軸發(fā)動機，根據(jù)俄羅斯公布資料，其效率比一般渦軸發(fā)動機效率高出6%-16%；

3.技術(shù)成熟

早在1947年，英國皇家海軍便設(shè)計了使用同軸反轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)傳動機械結(jié)構(gòu)早已不是問題，而且隨著70余年的發(fā)展成熟，同軸反轉(zhuǎn)傳動機械結(jié)構(gòu)用于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)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(zhuǎn)傳動系統(tǒng)也有充分了解，從技術(shù)角度，國內(nèi)設(shè)計、仿制低速同軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)理應(yīng)是順理成章的事情。

4.抗臺風(fēng)能力強

眾所周知，國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展趨勢“由陸向?！?，海上風(fēng)電是未來的國家發(fā)展的重點，東南沿海各省，因為其經(jīng)濟發(fā)達，能源消耗量大，風(fēng)電等清潔能源消納能力強，已經(jīng)成為國家海上風(fēng)電項目的試驗田。

同軸反轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機組在這種環(huán)境下具有先天優(yōu)勢。當強臺風(fēng)來襲，風(fēng)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(fēng)，因此四個葉片只有一個葉片面積受風(fēng)。與兩葉片風(fēng)機相比，受風(fēng)面積相同，但發(fā)電量卻高出后者一倍有余。與三葉片風(fēng)機相比，受風(fēng)面積卻只有其二分之一到三分之一。因此抗臺風(fēng)能力優(yōu)勢明顯。

同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機組存在的問題

5.傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

雖然同軸反轉(zhuǎn)葉片傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成熟，但將其發(fā)揚光大的只有前蘇聯(lián)及俄羅斯，而美國及英國均放棄這種設(shè)計，因為其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是齒輪箱部分。在風(fēng)機機艙這種高集成、高密度的環(huán)境下，一旦傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則維修過程將變得異常困難，因此同軸反轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)還需優(yōu)化設(shè)計。

6.噪音大

根據(jù)國外查詢的資料，同軸反轉(zhuǎn)發(fā)動機運行產(chǎn)生的噪音比一般發(fā)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(jīng)有一個段子，Tu95戰(zhàn)略轟炸機飛過，潛航中的潛艇的聲吶都能監(jiān)聽到。由此可見，同軸反轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機組的需要注意噪聲和震動對風(fēng)機其他設(shè)備及維護人員的損害。

結(jié)語

本文討論了同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機組的優(yōu)勢及其設(shè)計上還存在的問題，希望本文能給眾多風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計者們提供一個思考方向，使得各風(fēng)電廠商能夠設(shè)計出成本更低、性能更強的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品。當然，同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機組將設(shè)計變?yōu)楫a(chǎn)品任重而道遠。

（作者單位：明陽智慧能源集團股份公司）