同轴反转叶片风力发电机组设计探讨

胡颉

摘 要：随着“十三五规划”的实施，我国加大了对清洁能源领域的投资力度，并已成为世界上规模最大，装机容量增速最快的风电的国家。虽然我国取得了举世瞩目的成就，但我国风电产业还面临诸多问题，亟待解决。

目前，我国内陆风力发电机组选址、建设、制造、研发等环节已经趋于成熟，风电全产业链基本实现国产化，但也暴露出我国风电行业大而不强，优质风场匮乏等突出矛盾。国内风电龙头企业在此背景下，开始谋求向低风速领域布局，并已经将目光转向中东部的低风速资源区的开发。当前，为了提高在低风速发电效益，风电主机厂的解决方案主要是增加塔架高度，增大叶片直径，但此方案必然增加风电发电机组的制造成本，因此本文讨论从更改结构设计来达到提高低风速发电效益；

关键词：风能；风力发电；风力发电机；同轴反转叶片；同轴反转齿轮箱；行星齿轮

引言

国内风电企业已经在大兆瓦、大直径风机上有了长足的技术进步，并攻克了百米以上柔性塔架技术和混泥土塔架技术，但制约中东部发达地区风电建设的根本矛盾是当地风资源匮乏和高额的建造成本，低下的投资收益比浇灭了各大发电企业投资风力发电的热情，加之国家2020年去补贴的目标，低风速、高成本、低收益的中东部陆地风场将面临更加严峻的考验。本文将介绍同轴反转叶片叶片风力发电机组的结构和经济效益优势，并探讨同轴反转叶片风力发电机组如何解决在“两低一高”地区运营时经济效益低下的问题。

一、我国中东部风电产业的发展趋势

根据权威部门发布的数据，中国10m高度层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kW。但云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江等地区，为风能资源贫乏地区，有效风能密度在50W/m2以下，风能潜力低，属于典型的低风速区市场。

当前，中国风电发展重点均在“三北”地区，然三北地区经济发展滞后，对新能源消纳能力差，弃风、弃光限电率居高不下，已经成为制约我国可再生能源产业健康持续发展的最大绊脚石。其中，2016年前三季度，仅全国弃风电量就高达394.7亿千瓦时，超过2015年全年的弃风电量。“三北”地区的平均弃风率逼近30%，其中甘肃为46%，新疆为41%，吉林为34%，发改委已于2016年出台警戒政策，“三北”数省均已亮起红灯。相比之下中东部各省的平均弃风率还不足11%，建设使用还大有可为；

由此可见风电建设“由西向东，由北向南，由陆向海”的趋势已经不可逆转。

1.1同轴反转叶片风力发电机组结构介绍

同轴反转风力发电机组结构主要由三部分组成：塔架、机舱、叶片。而机舱又集成有三大系统：变桨系统、传动系统、发电系统。本文只讨论结构部分带来的影响。

从外观上看，同轴反转叶片风力发电机组采用两叶片轮毂，每个轮毂上安装两个叶片，两轮毂同心旋转，前后相邻但相互独立。同轴反转叶片风机运行时，两对叶片同轴对转，即其中一对逆时针旋转，另一对顺时针旋转，两组叶片角速度大小相等，方向相反。

机舱部分，同轴反转叶片风机采用两套独立变桨系统，每套系统对应一对叶片。风机运转时，通过机舱顶部测风仪和其他传感器监测数据，结合主控系统控制策略，调整叶片角度，使得叶片转动到最佳受风面积，并提高发电效率。

传统系统中轴承使用单轴设计，通过主轴连接法兰与其中一个轮毂连接，另一个轮毂与行星齿轮连接，以实现两个轮毂运动方向相反的功能。齿轮箱与主轴另一头连接，齿轮箱内设计多级变速齿轮，将低速轴与高速轴连接，最后通过滑环与发电机主轴连接。

偏航系统与一般风机相同，安装与机舱与塔架之间的连接法兰附近。

1.2同轴反转叶片工作原理

在风机运转时，风力发电机组的叶片的叶尖会形成切向的空气涡流，这种涡流会造成一定的能量损失。理论上，当使用同轴反转叶片风机设计时，两组叶片转动時产生的涡流会互相抵消，将涡流造成的能量损失降到最低。

同时，同轴反转叶片风机两组反向旋转的叶片产生的扭矩相互抵消，也大大降低了风机的载荷，高效能由于消除了叶尖的空气涡流，反而提高了风机发电效能。

二、同轴反转叶片风力发电机组优势

1.整体重量轻

一般风机多采用三叶片的形式，部分风机采用两叶片的形式，所有叶片安装在一个轮毂上，并通过主轴法兰与风机传统系统连接，运行时叶片朝一个方向旋转。因为叶片运行轮毂中心距离塔架圆筒中心有一定距离，因此根据受力分析，风机塔架此时不仅仅受到机舱及叶片的重力，还会产生一个风机运行时产生的轴向偏转力矩。

笔者有幸参与到一个项目，因为叶片直径更换，由135m更换至145m，其塔架增重13t。若采用同轴反转形式，两组叶片相互反向旋转，塔架的轴向力相互抵消，可以有效降低塔架载荷，减少，如此建造成本可以得到有效控制。

2.效率高

目前国际上尚无类似风机设计，但可以从相关行业查到资料，如航空航天。目前航空领域采用同轴反转叶片的主要是俄罗斯、美国、英国、乌克兰等国，其中最著名的是俄罗斯Tu-95战略轰炸机，Ka-52/50武装直升机、Ka-27/28运输直升机等。其采用高速同轴反转涡轴发动机，根据俄罗斯公布资料，其效率比一般涡轴发动机效率高出6%-16%；

3.技术成熟

早在1947年，英国皇家海军便设计了使用同轴反转发动机的海喷火47，并服役于皇家海军航空兵部队。从全球来看，同轴反转传动机械结构早已不是问题，而且随着70余年的发展成熟，同轴反转传动机械结构用于风力发电行业已不是问题。中国海军也与上世纪90年代引进ka-27/28直升机，对其同轴反转传动系统也有充分了解，从技术角度，国内设计、仿制低速同轴反转传动系统理应是顺理成章的事情。

4.抗台风能力强

众所周知，国内风电发展趋势“由陆向海”，海上风电是未来的国家发展的重点，东南沿海各省，因为其经济发达，能源消耗量大，风电等清洁能源消纳能力强，已经成为国家海上风电项目的试验田。

同轴反转风力发电机组在这种环境下具有先天优势。当强台风来袭，风机轮毂锁死，两对叶片均指针在12点和6点方向，依靠塔架抵抗台风，因此四个叶片只有一个叶片面积受风。与两叶片风机相比，受风面积相同，但发电量却高出后者一倍有余。与三叶片风机相比，受风面积却只有其二分之一到三分之一。因此抗台风能力优势明显。

同轴反转叶片风力发电机组存在的问题

5.传动系统结构复杂

虽然同轴反转叶片传动系统结构成熟，但将其发扬光大的只有前苏联及俄罗斯，而美国及英国均放弃这种设计，因为其结构复杂，尤其是齿轮箱部分。在风机机舱这种高集成、高密度的环境下，一旦传动系统出现故障，则维修过程将变得异常困难，因此同轴反转传动系统还需优化设计。

6.噪音大

根据国外查询的资料，同轴反转发动机运行产生的噪音比一般发动机运行时的噪音要高出10-20分贝，而部分型号甚至要高出30分贝。曾经有一个段子，Tu95战略轰炸机飞过，潜航中的潜艇的声呐都能监听到。由此可见，同轴反转风力发电机组的需要注意噪声和震动对风机其他设备及维护人员的损害。

结语

本文讨论了同轴反转叶片风力发电机组的优势及其设计上还存在的问题，希望本文能给众多风力发电机组的设计者们提供一个思考方向，使得各风电厂商能够设计出成本更低、性能更强的风力发电产品。当然，同轴反转叶片风力发电机组将设计变为产品任重而道远。

（作者单位：明阳智慧能源集团股份公司）