严强

上海麟风风能科技有限公司 SAWT Inc. www.sawt.com.cn

【摘要】
本文主要介绍小型垂直风机的类型、各类小型垂直风机的优缺点和应用，以及小型垂直风机的设计思想、小型垂直风机主要设计参数的关联性和未来垂直风机的发展方向，也简要介绍了磁悬浮在垂直风力发电机中的状态。
This thesis describes the type of small vertical wind turbine, advantages and disadvantages of various types and small vertical wind turbine applications, and small vertical wind turbine design ideas, small vertical wind turbine design parameters of relevance and future direction of development of vertical wind turbine, but also brief magnetic vertical wind turbines in the state.

引言
小型垂直轴风机具有无需对风向、无噪音、安全、可靠、外型美观和维护简单等优点，目前已经开始应用于城市中心区域的公共照明、居民家庭、大型户外广告、电信基站、油田、风电大楼、高速公路全程监控系统、游船、乡村电站等领域。由于国内、外各垂直轴风机制造商使用的研发手段、研发工具的差异、研发技术水平参差不齐，导致垂直轴风机外观五花八门，大部分垂直风机的产品性能难以与水平轴风机相提并论，使得主流风机厂商（大型水平轴风机制造商）未进入该行业，也造成用户对垂直轴风机产生很多认识上的误区。但因其具有传统水平轴风机难以比拟的优势，其地位也越来越被更多的人重视，近些年越来越多的人摒弃传统观念，投入到该行业的研究与开发当中。下文首先简要介绍垂直轴风机的类型。

1、 垂直轴风机类型
垂直轴风力发电机可分为两个主要类别，一类是利用空气动力的阻力作功，典型的结构是萨布纽斯型风力发电机(有时也称为S型风力发电机)（图1-1）。它通常由两枚轴线错开的半圆柱形叶片组成，也有用三～四枚的，这种风力发电机往往上下重叠多层。其优点是启动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力更易产生振动，而且效率都很低，通过简化的模型计算，在不在家任何增速结构的前提下，阻力型垂直风机最大理论风能利用率为2/27，实际风机效率还要低于该数值，因此较难以商业化。
          

                图1-1                               图1-2                                  图1-3

另一类是利用翼型的升力作功，叶片具翼型剖面，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。最典型的是达里厄（Darrieus）型垂直风力发电机（图1-2）和衍生出的H型垂直轴风力发电机（图1-3）。
达里厄（Darrieus）型风力发电机的结构型式有Φ型和特殊的Δ型，其叶片多为2—3枚，它装置简单，成本也较低，但起动性能差，因此也有人把这种风力发电机和萨布纽斯风力发电机组合在一起使用。
H型垂直轴风力发电机结构型式较多，叶片和轴的连接形式多样化，不同的连接形式将影响风机的气动性能和力学结构，一种典型的结构如上图1-3。通过对翼型、攻角、叶片数量和实度比等参数较好的选择，以及良好的结构设计后，该型垂直风机具有很好的空气动力学性能和接近水平轴风机的风能利用率。

2、 垂直风机现状
2.1垂直风机的现有类型
目前世界上依然有二大类垂直轴风机在应用，先就他们的特点和应用领域做一些简单分析。
2.1.1 阻力型风机
典型的阻力型风机如下图2-1,2-2,2-3所示，其特点是启动性好、低转速，缺点是风能利用率低、无法实现气动限速功能、抗台风能力弱。该类风机适用场合较少，仅适合常年风速较低、对风能利用率要求不高、无台风的地区使用。

              

          图2-1                                     图2-2                              图2-3           

2.1.2 升力型风机
升力型垂直风机外形差异较多，简单的分类又有如下几种。第一种如下图2-4的经典达里厄型，经典达里厄型风机不仅叶片弦宽较小、叶片数量2-3个，因此启动性能差，需要借助其它手段启动，但最大的缺陷在于由于叶片的连接结构形式，风机无法实现气动限速，因此强风时就无法运转，否则风机极易解体，如果作为并网型风机，应用范围较窄，但优点是无需塔架，风机结构简单、成本低。
  图2-4

第二种升力型为变形的H型垂直风机，即旋翼型垂直风机。对于直叶片H型垂直风机，叶片的数量从2个到5个甚至更多叶片不等，但不同叶片数量是影响启动性能的重要原因之一，叶片数量少，启动时叶片的“死点”位置越多，所谓“死点”既叶片处于该位置时无论风速多高风机都不能自启动。2或3个叶片风轮“死点位置最多，4个叶片较少，5个叶片无”死点“位置。为了消除叶片数量较少风机启动时具有“死点“位置的缺点，衍生出一种变形的H型风机，如下图2-5，2-6，2-7所示，在H型基础上叶片呈扭曲斜向布置，可消除风机的“死点”，并在高转速下可有限降低阻力。但由于该型风机在各个水平方向截面的力矩都很小，因此该类风机如果叶片弦宽又较小时需要很高的启动风速，而且该型风机叶片连接方式使叶片攻角无法改变，因此也就无法实现气动超速控制，一般仅能用卸载电阻做超速控制，只适合百瓦级风机，不利于向大、中型方向发展。

第三种升力型为直叶片H型，如下图2-8,2-9所示，直叶片H型风机如果设计得当，可实现气动限速而达到超速控制的目的，但该类型风机叶片和轴的连接呈多样化，叶片和轴的不同连接方法，风轮将获得不同的力学和气动特性。此外，H型直叶片还衍生出双H型直叶片如下图2-16，
A类是叶片二端和轴连接。这种风轮结构由于叶片二端和轴连接，风轮转动时可最大限度保持风轮中央的空气压力，因此气动性能最优，但轴较长后，轴受到的弯矩最大，不利于风轮的力学结构。
              

               图2-8                                            图2-9                                            图2-10

B类是如图2-9,2-10将轴缩短到最低限度，连接叶片的部件和叶片在叶片的中部连接，由于轴短，因此轴所受弯矩最小，轴载荷就小，有利于轴的设计并降低风机重量和成本，但当风轮转动后，由于风轮内、外以及风轮内部各点的空气压力不同，上、下“敞开”的风轮将造成风轮风压的损失，而压力差正是升力型垂直风机产生转动力矩的最重要因素，该型风机是以牺牲气动效率达到力学结构最优为目的，因此效率较低。
C类是将轴相应的缩短到叶片长度的1/2左右（下图2-11,2-12），这种风轮结构兼顾风轮的气动性能和力学结构，如果再配合其它手段减小风轮转动时风轮内、外和风轮内部空气压力的损失，将基本获得和叶片在二端连接的垂直风机具有相同的气动效率，同时力学性能也较佳, 最适合商业化。
          

                图2-11                                    图2-12

2.1.3混合型风机
混合型风机即将萨布纽斯阻力风轮置于达里厄风轮中央，以达到改善达里厄风机启动性能差的目的，但由于经典萨布纽斯风轮最佳线速度为风轮最大直径切线位置线速度的1/3，因此决定该型风轮效率的主要因素不是达里厄风轮而是萨布纽斯风轮和萨布纽斯风轮直径和达里厄风轮直径的比值，比值约接近1其效率也越接近萨布纽斯风轮的效率，但如果该比值很小，则将失去改善启动性能的功能。对于这种混合型风轮，较好的设计是利用一个超越离合器将二种风轮在一定转速下分离，可适当提高混合型风轮的风能利用率，此时由于萨布纽斯风轮对达里厄风轮的扰流作用，这种混合风轮的效率依然很低，但这种风轮和达里厄风轮一样具有无法对风轮实现气动限速的缺点，可利用风速范围较窄；优点是结构简单、成本低。

                  图2-14                                                     图2-15

上述大多数升力型垂直风机叶片安装费角（叶片弦线和风轮切线之间的夹角）一般为固定式，安装角固定的升力型风机相对结构简单，但难以实现气动超速控制，因此风机工作风速范围一般都较窄，难以和水平轴风机竞争。为了达到超速控制的目的，扩大可利用风速范围，现有绝大部分小型升力型垂直轴风机都采用卸载电阻或短路方式，但通过大量风洞实验证明，利用卸载电阻甚至于短路方式仅适合应用于有限风速条件下和百瓦级垂直风机，高风速下和较大型垂直风机并不适合用卸载电阻或短路用于超速控制。
上图2-12是一款有限可变安装角的小型垂直风机，所谓“有限可变安装角”是指叶片安装角在有限范围内受控变化。有限可变安装角垂直风机如同水平轴风机的变浆距功能，不提高垂直风机的效率，仅实现超速控制，该技术的应用扩大了垂直风机的可利用风速范围，适合于千瓦级垂直风机做超速控制，极大地提高了千瓦级垂直风机的商业应用价值，为千瓦级垂直风机的商业化奠定了基础。

2.2 垂直风机启动性和叶片数量、实度比
直叶片H型垂直风机的叶片数量通常从2个到5个甚至更多不等，但不同叶片数量是影响启动性能的重要原因之一，叶片数量少，启动时叶片的“死点”位置越多，所谓“死点”既叶片处于该位置时无论风速多高风机都不能自启动；2或3个叶片风轮“死点位置最多，4个叶片较少，5个叶片无”死点“位置。但较多的叶片相当于提高了实度比，垂直风机的实度比是叶片宽度之和除以风轮圆周长度，但当实度比较高并达到一定数值后，风轮转动时前面叶片产生的扰流将影响后面叶片，风机风机效率将开始下降；而较低的实度比在空载条件下能获得较高的转速，但带载能力又较差，垂直风机实度比选择和水平风机实度比选择不同，较合适的实度比为0.2-0.25左右。
H型直叶片还衍生出双直翼型如图2-16，双直翼型相当于提高了风机的实度比，可提高启动性能。该类型风机的设计思想来源于双翼飞机，但双翼在做直线运动和回旋运动时的气动特性差异很大，在做直线运动时扰流影响较小，但做回旋运动时扰流较大，内叶片的扰流将影响外层叶片的气动性能而影响高转速时的效率。该类型风机设计时需精确计算内外二层叶片的尖速比以保持内、外二层叶片的角速度相同，否则将将大大影响风机的效率。

         图2-16

2.3 垂直风机启动性、效率和刹车之间的关系
阻力型垂直风机启动性最好，升力型启动性较差。对于固定攻角的垂直风机启动性和效率背离，即不可能即要获得很好的启动性又能获得很高的效率，设计时需综合考虑。

2.4 垂直风机的制动
风机有较低的启动风速意味着风机的转动力矩较大，因此风机刹车时就需要较大的制动力矩，对于采用一级刹车机构的垂直风机，制动力矩应该大于极限风速时风机的静止力矩；对于采用二级刹车机构的垂直风机，第一级刹车考虑在刹车风速下的制动，刹车时间应不大于3分钟，制动力矩以起始刹车风速时风机力矩的1.5倍左右为宜，制动力矩应由小逐步增大到最大力矩以保护风机机械结构，第二级刹车为安全销，用于风机停止后锁定风机。
      

                        图2-17                                                         图2-18

2.5 垂直风机的防雷
无论采用二级或三级防雷标准，绝大多数垂直风机都不适合通过风机顶部加装避雷针达到避雷目的，下图是垂直风机和避雷针结构图，红色区域是不保护区域，白色区域是避雷针保护区域。比较理想的方式是叶片、叶片连接件、轴、发电机外壳、塔架导通性良好，由于通常轴承中含油，轴承并不是良好的导体，因此为了达到很好的避雷效果，轴和发电机外壳应采用集电环连接。
        

2.6 关于磁悬浮
磁悬浮不等于磁悬浮轴承，磁悬浮轴承是非接触式轴承的一种，通常适合用于1万转或更高的转速并用于恒定载荷条件。磁悬浮风机是利用永磁体同级相斥原理承受风轮重量，但由于风机所受风载为交变载荷，因此风机不适合使用非接触式轴承，因此为了克服交变载荷带来的影响，现有磁悬浮风力发电机仍然使用轴承。而对于普通的深沟球轴承，一般其轴向最大载荷也可承受径向载荷的10%，完全可以承载小型风机的轴向载荷，所以现有磁悬浮风机在使用磁悬浮后依然必须使用传统的接触式轴承。而对于风机而言，最大阻力矩第一来源于发电时的磁阻，其次是轴承在风轮运转时由离心力产生的阻力矩，再其次才是叶片重量产生的阻力距；而磁阻是永磁发电机动能转变为电能的本质，离心力产生的阻力距由于轴承的存在依然保持，所以磁悬浮风机不仅不能明显提高风机的启动性，也几乎不提高风机效率。提高启动性较好方法一是尽可能使用较轻便的轴承，二是使用无铁芯的永磁发电机，但是用盘式无铁芯发电机后由于盘式无铁芯发电机效率低于传统发电机，将影响风机的整体效率。

3、垂直风机未来发展方向
现有大多数垂直风机叶片弦线和风轮切线之间的夹角一般为固定式，由于垂直风机风轮在旋转过程中叶片在每个位置的气动特性各不相同，因此理论上固定攻角的垂直风机效率比水平轴风机效率略低，因此实时可变攻角的垂直风机和大型化是未来垂直轴风机的发展方向。
下图3-1为挪威垂直风机的设计思想并由韩国一所大学按其设计思路制作的一款垂直风机样机（图 3-2），该风机的设计思想是利用一个偏心圆控制叶片在转动过程中的安装角，使安装角尽可能适应叶片在不同位置时处于合适的角度，采用这种技术可提高垂直风机的效率；偏心圆的直径可通过一个电机调整，这样叶片安装角可以在有限范围内任意调节变化，在风速、风向仪的配合下，偏心圆还可调整初始位置已达到迎风的目的，这种垂直风机技术较适合几十千瓦的垂直风机应用。
     

                                   图3-1                                                                   图3-2

下图3-3是一款利用液压和步进电机对叶片安装角进行实时调节的垂直风机，在风速、风向仪、编码器的配合下，可根据不同风速、风向，不同风机转速、功率条件下，对叶片安装角进行实时调节，采用这种技术技术的风轮不仅气动特性好、效率高、发电风速范围广、而且风速变化对电网波动的影响也小，适合在几十到兆瓦级垂直风机上应用。
因此，随着人们对垂直轴风力发电机越来越重视，气动特性和安全性好、风能利用率高、发电风速范围宽等具有诸多优势的垂直风机必将得到更广泛的应用。

                     图3-3

4、于无量纲曲线图的讨论
关于如下图4-1无量纲曲线图，该曲线图中的曲线6是在达里厄风轮、NACA0012翼型、特定弦宽和实度比模型条件下通过风洞试验和推论获得。通过大量风洞试验证实，垂直风轮的尖速比由翼型、安装角、叶片弦宽、叶片数量等多项条件决定，任意参数的改变将改变风轮的尖速比和效率，一个风轮仅能获得一个尖速比，同时尖速比和风速无关。H型垂直风轮较佳的尖速比是1.5-2，该数值和水平风机尖速比通常为5-6差异较大。由于H型垂直风轮在旋转一圈过程中将经过2个失速区段，因此在风洞试验中未发现垂直风轮有失速现象，也即不能利用水平风机的失速概念用于垂直风机的超速控制。

5、 垂直轴风机的应用
由于垂直轴风机不仅具有低转速、大扭矩的特性，而且垂直风机叶片连接结构多为箱梁式结构，具有稳定性好的特点，同时由于垂直风机尖速比低于同功率的水平轴风机，风轮重量又远大于同功率的水平轴风机由叶片组成的风轮，因此垂直风轮的转动惯量也远大于相同功率的水平轴风机，所以垂直风机不仅具有无噪音、安全性好等应用性优点，还具有风速变化时转速突变较小，将使得风速变化时电压和功率波动相对较平缓，电压和功率波动对电网的影响也就较水平轴为低，因此不仅可广泛应用于城市、楼顶、通信、户外广告、海岛、乡村电站、油田抽油机等只要风资源较好的各个领域作为离网型应用，更适合并网型应用。

                                                                                                   参考文献
                                                                                                   田海蛟、王铁龙、王颖 垂直轴风力发电机发展概述