船用可收缩式垂直轴风力发电机结构设计

张晶+周泽才+侯东伯+郝留磊+王义权+孔凡凯

摘 要：文章设计了一种充分利用海洋风能，性能独特，适合船用的可收伸缩式垂直轴风力发电机。轮辐采用平行四边形四杆机构固定，保证叶片收起和张开工作时保持垂直状态。收缩机构采用曲柄滑块机构，以丝杠螺母带动滑块升降，实现风轮的收缩，提高船舶对海洋风能的利用率。当船舶停靠在岸边或者静止在海面上时，可以利用船上的风力发电机进行发电。当船舶正在行驶时，将风力发电机收缩回来，以免增加船舶的阻力。

关键词：船舶；收缩式；垂直轴风力机；结构设计

中图分类号：TM315 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0019-02

用于船舶的风力发电机和普通的陆用发电机不尽相同，除了能实现发电，还要不阻碍船舶的航行，体积受船体限制。本文设计了一种轮辐可伸缩式的垂直轴风力机结构。当船舶停靠在岸边或者静止在海面上时，可以利用船上的风力发电机进行发电。当船舶正在行驶时，若风力发电机仍在发电，则会增加船舶的阻力，消耗能量，此时需要将风机收缩起来。

1 船用风机总体方案设计

根据设计任务，总体结构设计的基本要求是：结构设计合理、发电成本最低、发电量最大、适合船用、外形美观等。根据风力机吸收风能后的传力路线，船用风力发电机的结构方案设计主要涉及风轮布局的形式、收缩装置的设计、制动系统设计等内容。

当风力机处于工作状态时，该风力机的叶轮完全张开，叶片迎风受力，三个叶片受力不均匀产生扭矩，叶轮旋转带动转轴转动，最终使发电机发电。

当风力机进行收缩时，电机驱动丝杠旋转，使螺母向下运动，带动轮辐使叶片实现收缩，螺母与到挡块时完成收缩。当风力机需要张开时，电机反转，驱动丝杠旋转，使螺母向上运动，带动轮辐使叶片张开。

风轮装置位于转轴上部分，主要由主轴组件、支持翼、叶片等零部件组成。风轮装置由三个直线翼型叶片以互成120°，均布在钢结构主轴径向外周沿。叶片采用上下双杆平行四边形结构连接，并以斜支撑杆支撑，如图1所示，平行四边形结构能保证叶片收起和张开工作时保持垂直状态，斜支撑杆起支撑作用，主要用来支撑整个风轮装置的重量。

2 收缩装置的设计

鉴于船在行驶过程中需要减小阻力，风机应为可收缩形式。收缩机构采用曲柄滑块机构，曲柄即为采用平行四边形四杆机构的轮辐，滑块沿着支承轴上下运动，从而带动斜支撑杆将联接叶片的轮辐撑起为水平。

船用风力发电机工作时整个风轮绕转轴旋转，当其需要使风轮收缩时需要利用收缩装置来实现这种功能。收缩装置工作原理主要包括两部分：（1）利用螺旋机构完成滑块6在转轴5上的升降运动，从而带动斜支撑杆4使上辐条1、下辐条3分别绕铰接处A、D旋转实现叶片2的收缩；（2）滑块6利用滚动轴承实现内外圈的旋转运动分离的特点，实现外圈随风轮自由旋转，内圈与丝杠螺母固定。如图2所示为收缩装置的机构示意简图，图中仅考虑了船用风力发电机在垂直面内的运动状态。

3 制动系统的设计

制动系统是风力发电机安全控制的关键环节，是风力发电机出现不可控情况时的最后的“救命稻草”，其重要性非同寻常。

风力发电机组设置制动装置的目的是保证机组从运行状态到停机状态的转变，主要用于安全系统，也可用于静止或正常运行。制动一般有两种情况：一种是运行制动，它是在正常情况下经常性使用的制动。另一种是紧急制动，平时很少使用，仅当风力机过载、遭遇大风等情况需要短时间内迅速制动时才使用。

考虑到船用风力发电机性能特殊性，即当船舶停泊在多风的海口和港湾，或在海洋中静止进行较长时间的捕捞、作业等情况时风力机处于张开运行状态，一旦船舶行驶，风力机就需制动并呈收缩状态，该船用风力发电机在正常情况下需要经常性制动。结合船用风力发电机独特的结构，其制动过程有以下两种方案。

方案Ⅰ：当风力机处于完全张开的工作状态（如图3（a）所示）时利用制动器制动，风力机停止转动时再利用收缩装置实现风轮装置的收缩。

方案Ⅱ：先利用收缩装置实现叶轮的收缩，当风力机完全呈最紧缩状态（如图3（b）所示）时再进行风力机的制动。

比较方案Ⅰ和方案Ⅱ，可以看出，方案Ⅰ显而易见的缺点在于，风轮旋转时转动惯量较大，这就造成要求制动器提供的制动力矩也较大，因此对制动器的性能要求较高，普通电磁制动器难以满足制动要求，而导致不得不选用液压制动。采用液压制动器完全能达到所要求的制动效果，但液压装置结构复杂，密封性要求高，维修困难，且体积较大。对于方案Ⅱ，收缩后的风力机转动惯量小，普通的电磁制动器即能将其刹住。与方案Ⅰ相比，方案Ⅱ结构紧凑，成本较低，因此選用方案Ⅱ进行制动。

4 结束语

船用风力发电机的应用还处于初始阶段，特别是关注度较低的渔船，大多只是停留在1000W左右的小型风力发电机的使用，且这些小型风力发电机的使用多是渔民自发配置的，相关专业人员对较大功率风机在船上的风力发电工作涉及较少。本文针对海上航行实际情况，对船用可收缩轮辐式垂直轴节能风力发电机进行了结构设计，为日后船舶的风能利用提供了一定的参考。

参考文献：

[1]林宗虎.风能及其利用[J].自然杂志，2008，30（6）：1-5.

[2]张太佶，汪张棠.海上风电设备安装船的崛起和发展[J].中国海洋平台，2009，24（5）：1-3.

[3]芮晓明，柳亦兵，马志勇.风力发电机组设计[M].北京：机械工业出版社，2016：18-43.

[4]杨慧杰.户用小型风力发电系统的研制[D].北京：北京工业大学，2015：7-9.

[5]鲍先兵.风力机柔性刹车技术研究[D].杭州：浙江大学，2016：5-18.

[6]郑文纬，吴克坚.机械原理.第7版[M].北京：高等教育出版社，1997：53-60.endprint