CN101029628A - 水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组 - Google Patents

水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，解决现有风力发电机组的风轮旋转不稳定，不同步而对齿轮系统造成磨损等问题，包括塔架，发电机，还包括两个风轮以及差速型增速器，风轮的风轮轴与第一级增速器的低速端连接，第一级增速器的高速端与差速型增速器半轴的输入端连接，差速型增速器半轴上还装有单向器，差速型增速器的输出轴与发电机的输入轴连接。本发明首次将单向器与差速型增速器结合起来并运用到风力发电机组中，同时在差速型增速器两端增设单向蓄能缓冲同步器，使两侧风轮柔性、稳定旋转，发电机转速更平稳，风能利用率高；结构简单、设计合理，能产生良好的经济效益和社会效益。

Description

水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种运行平稳、性价比更高的水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组。
背景技术
风力发电机是将风能转化为机械能，再把机械能转化为电能的机电设备。风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成，其中风轮是风力发电机最基础、最关键的部件，作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，再由风轮轴将能量输送给传动装置，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。目前，国内风力发电机以单风轮居多，即一个风轮、一个轴做功发电，风轮捕捉的风能转变为机械能，然后经多级增速器增速后输送给发电机，该机组的缺点是效率较低，投资高，占地面积较大，控制系统、塔架等设备利用率低。
随着本领域技术的不断发展，人们研制出了双叶轮风力发电机组，比如在专利号为200420041810.3、发明名称为“双风轮机发电机”的专利申请中公开了一项中国专利，其技术内容是将一个顺时针方向旋转的风轮机和一个逆时针方向旋转的风轮机分别安装在发电机的转子轴端和定子轴端，在风力的作用下使转子上的顺时针风轮机旋转，而位于定子轴端的风轮机逆时针旋转，两侧风轮反向旋转，带动齿轮系统工作，最终通过发电机输出电能，这种结构的风力发电机组有效利用了现有塔架、控制系统，节约了设备投资，但是上述结构的风力发电机在运行过程中，由于风轮捕捉的风能转换成机械能后，速度未经增速器放大而直接与发电机的定子或转子连接，转速较低，而发电机在转速达到每分钟750转(注：8极电机转速)以上时才能有效工作，所以上述结构的风力发电机组结构不合理，发电效率较低。此外，还有一些其它结构的双风叶轮风力发电机，但其普遍存在的问题是没有针对性的增速齿轮系与之配套，从而导致两个上、下风向的风轮旋转不稳定，经常出现上、下两侧风轮转速不同步而对齿轮系统造成冲击磨损，对双侧风轮所导致的谐振概率增加的危害估计不足，进而导致风力发电机转速不稳定，并最终导致发电效率较低。
发明内容
本发明为了解决现有双叶轮风力发电机组的两个风轮旋转不稳定，经常出现不同步而对齿轮系统造成冲击磨损，同时也会导致风力发电机转速不稳定等问题，提供一种水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组。
本发明是采用如下技术方案实现的：水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，包括塔架，控制系统，偏航系统、停车机构，塔架上安装有发电机，还包括位于上下风向且同向旋转的两个风轮以及位于两个风轮之间的差速型增速器，风轮的风轮轴轴端分别与第一级增速器的低速端连接，第一级增速器的高速端分别与差速型增速器的两半轴的输入端连接，差速型增速器的两半轴的输入端上还分别装有单向器，差速型增速器的输出轴与发电机的输入轴连接。所述单向器的作用是保证差速型增速器的两个半轴同向旋转，既而使两个风轮同向旋转。本发明首次将单向器与差速型增速器结合起来并运用到风力发电机组中，使位于上下风向的两个风轮同向旋转，将风能通过风轮轴转化为机械能，首先经增速倍比不同的第一级增速器分别增速后，达到相近转速，然后经差速型增速器后将转动量增速并均匀输出，从而减少了齿轮间的磨损，降低了谐振概率，使发电机正常稳定运行。本发明所述的第一级增速器为行星齿轮增速器(NGW)，为现有公知产品。
本发明所述的发电机组还包括与差速型增速器平行设置的单向蓄能缓冲同步器，该装置包括纺锤型蓄能扭力弹簧，该弹簧的两端分别与转动轴固定，转动轴上装有惯性飞轮，惯性飞轮的外侧分别通过传动部件与差速型增速器的两半轴连接，所述的传动部件为链轮或皮带轮或过渡齿轮系结构。该装置主要是协调风力发电机两侧风轮的转速，将旋转机械能量以及异步扭矩势能经过动态均衡、存储、缓冲并稳定的输出，减少差速型增速器啮合齿轮间的刚性冲击、磨损。
上述所说的单向器包括外套，通过平丝挡装在外套内孔内的芯子，外套与芯子之间装有钢珠，外套的内孔面上设有棘齿，芯子上安装有与棘齿啮合的千斤以及与千斤连接的千斤簧，外套外缘上均布有键槽，单向器通过其外套上的键槽与差速型增速器的两半轴的输入端的支撑体连接，上述单向器的工作原理与自行车飞轮的工作原理一致。当风轮轴的驱动功率较小时，单向器可采用单向轴承代替，该单向轴承为现有公知结构。
所述的风轮轴与差速型增速器的输出轴呈水平正交排列，以充分利用现有塔架及控制系统，当差速型增速器的输出轴为单出轴时，风轮轴与其呈“T”形排列；当差速型增速器的输出轴为双出轴时，风轮轴与其呈“+”形排列。
所述的差速型增速器包括增速器，差速器，差速器壳体的两端支承在增速器壳体的座孔中，增速器的主动齿轮固定在差速器壳体的凸缘上，和主动齿轮啮合的从动齿轮与输出轴制成一体，且通过轴承支承于增速器壳体上；差速器壳体内相应的左右座孔内支承有半轴，两半轴齿轮通过花键与半轴连接；差速器两半壳体的端面上相应的凹槽内嵌有行星齿轮轴，行星齿轮轴的每个轴颈上浮套有行星齿轮，行星齿轮与两个半轴齿轮啮合。本发明所述的差速型增速器与汽车上驱动桥的主减速器、差速器的结构相似，只是将其各个部件成比例放大，以增加传动功率。
为了进一步增加传动功率，提高发电效率，本发明所述的差速型增速器的从动齿轮的齿形为非对称结构，以增加齿面的接触面积，提高齿轮间的重叠系数，从动齿轮的齿形以能与主动齿轮齿面充分啮合为准；主动齿轮的主受力面与次受力齿面的交叉处增设凹槽，凹槽在此有三个作用，一是可延长主动齿轮的使用寿命，由于主动齿轮的主受力面在长时间使用过程中极易磨损；二是能减少与主动齿轮主受力面啮合的从动齿轮齿尖的磨损；三是能起到导油作用，使得齿面间的接触更光滑、均匀。
与现有技术相比，本发明首次将单向器与差速型增速器结合起来并运用到风力发电机组中，使位于上下风向的两个风轮同向旋转，既而将风能转换成机械能输出以驱动发电机发电，同时为了使两侧风轮柔性、同向、稳定旋转，风力发电机转速更趋平稳，在差速型增速器两端增设单向蓄能缓冲同步器，风能利用率高，可实现大功率发电；而且采用双风轮发电，可大大减小大型风力发电机组在占地、塔架和控制方面的投资，提高效率40％以上，使得每瓦造价在两元以下，结构简单、设计合理，能产生良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明的工作原理方框图
图2为本发明所述的差速型增速器的结构示意图
图3为本发明所述的单向器的结构示意图
图4为本发明所述的单向蓄能缓冲同步器的结构示意图
图5为图2中差速型增速器主动齿轮的齿形的横截面示意图
图中：1-纺锤型蓄能扭力弹簧  2-转动轴  3-惯性飞轮  4-传动部件  5-半轴  6-外套  8-芯子  9-钢珠  10-棘齿  11-千斤  12-键槽  14-输出轴15-差速器壳体  16-增速器壳体  17-主动齿轮  18-从动齿轮  19-半轴齿轮20-行星齿轮轴  21-行星齿轮  22-支撑体  23-主受力面  24-凹槽  25-次受力面
具体实施方式
水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，包括塔架，控制系统、偏航系统、停车机构，塔架上安装有发电机，还包括位于上下风向且同向旋转的两个风轮以及位于两个风轮之间的差速型增速器，下风轮直径是上风轮直径的1.2倍以上，风轮的风轮轴轴端分别与第一级增速器的低速端连接，第一级增速器的高速端分别与差速型增速器的两半轴的输入端连接，两个风轮轴轴端与差速型增速器的输入端之间还分别设有第一级增速器，增速器的选用和增速倍比可根据发电功率及风况而定，还包括与差速型增速器平行设置的单向蓄能缓冲同步器，差速型增速器的两半轴的输入端上还分别装有单向器，差速型增速器的输出轴与发电机的输入轴连接。所述的风轮轴与差速型增速器的输出轴呈水平正交排列，当差速型增速器的输出轴为单出轴时，风轮轴与其呈“T”形排列；当差速型增速器的输出轴为双出轴时，风轮轴与其呈“+”形排列。在发电过程中，两侧风轮产生的能量经第一级增速器放大转速后，在单向器的作用下保证两侧风轮同向旋转，然后由两半轴的输入端输入差速型增速器内，经二级增速后，由输出轴均匀、稳定的输出，同时与两半轴连接的单向蓄能缓冲同步器使得风轮产生的旋转机械能量以及两半轴产生的异步扭矩势能经存储、缓冲并稳定的输出，保证发电机正常稳定的工作。
如图3所示，所述的单向器包括外套6，通过平丝挡装在外套6内孔内的芯子8，外套6与芯子8之间装有钢珠9，外套6的内孔面上设有棘齿10，芯子8上安装有与棘齿10啮合的千斤11以及与千斤11连接的千斤簧，外套6外缘上均布有键槽12，单向器通过其外套上的键槽与差速型增速器的两半轴的输入端的支撑体22连接。当外套正转时，千斤簧弹起，千斤与外套的棘齿啮合；当外套反转时，外套上的棘齿压下千斤，外套与芯子形成空转，从而使两侧半轴同向旋转。当风轮轴的驱动功率较小时，单向器可采用单向轴承替代；
如图4所示，所述的单向蓄能缓冲同步器包括纺锤型蓄能扭力弹簧1，该弹簧的两端可通过花键或销钉或螺丝分别与转动轴2固定，这是本领域的普通技术人员很容易实现的，转动轴2上装有惯性飞轮3，惯性飞轮3通过其上的键槽与转动轴固定，惯性飞轮3的外侧分别通过传动部件4与差速型增速器的两半轴5连接，所述的惯性飞轮可以为一组或多组，所述的传动部件为链轮或皮带轮或过渡齿轮系结构，当两侧风轮旋转速度经第一级增速后仍有差异而不同步时，经过两侧半轴、传动部件传递至蓄能扭力弹簧，以将旋转机械能、异步扭矩势能存储、缓冲，然后稳定输出；单向蓄能缓冲同步器的转动轴上可安装电子离合装置，便于刹车及特殊工况下运转。
如图2所示，所述的差速型增速器包括增速器，差速器，差速器壳体15的两端支承在增速器壳体16的座孔中，增速器的主动齿轮17固定在差速器壳体15的凸缘上，和主动齿轮17啮合的从动齿轮18与输出轴14制成一体，且通过轴承支承于增速器壳体16上；差速器壳体15内相应的左右座孔内支承有半轴5，两半轴齿轮19通过花键与半轴5连接；差速器两半壳体的端面上相应的凹槽内嵌有行星齿轮轴20，行星齿轮轴20的每个轴颈上浮套有行星齿轮21，行星齿轮21与两个半轴齿轮19啮合，如图5所示，所述的从动齿轮18的齿形为非对称结构，主动齿轮17的主受力面23与次受力面25交叉处增设半圆形凹槽24。为了保证行星齿轮对正中心利于两个半轴齿轮正确地啮合，行星齿轮的背后和差速器壳体相应位置的内表面都做成球面，主动齿轮、从动齿轮系可采用格里森(Gleason)或奥利康(Oerlikon)制螺旋锥齿轮或双曲面齿轮。在风力发电过程中，当两侧风轮将风能转换成机械能后，经风轮轴传递至差速型增速器，差速型增速器内动力的传递路径是：双侧半轴→单向器→半轴齿轮→行星齿轮→行星齿轮轴→差速器壳体→主动齿轮→从动齿轮→输出轴，当双侧半轴以相同转速转动时，行星齿轮绕半轴轴线转动—公转；当两侧半轴转速不同时，则行星齿轮在做上述公转运动的同时，还绕自身轴线转动—自转，这样，两侧半轴传递到主动齿轮上的转动量是二者转动量的均值。当发电功率较大时，为了避免从动齿轮的过度磨损，最好控制从动齿轮与主动齿轮的增速倍比在2-5之间，同时可在差速型增速器的输出轴末端增设单级行星齿轮增速器，以提高整体的增速倍比。

Claims (8)

1、水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，包括塔架，控制系统，偏航系统、停车机构，塔架上安装有发电机，其特征是还包括位于上下风向且同向旋转的两个风轮以及位于两个风轮之间的差速型增速器，风轮的风轮轴轴端分别与第一级增速器的低速端连接，第一级增速器的高速端分别与差速型增速器的两半轴的输入端连接，差速型增速器的两半轴的输入端上还分别装有单向器，差速型增速器的输出轴与发电机的输入轴连接。
2、根据权利要求1所述的水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，其特征是还包括与差速型增速器平行设置的单向蓄能缓冲同步器，该装置包括纺锤型蓄能扭力弹簧(1)，该弹簧的两端分别与转动轴(2)固定，转动轴(2)上装有惯性飞轮(3)，惯性飞轮(3)的外侧分别通过传动部件(4)与差速型增速器的两半轴(5)连接。
3、根据权利要求2所述的水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，其特征是所述的传动部件为链轮或皮带轮或过渡齿轮系结构。
4、根据权利要求1或2所述的水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，其特征是上述所说的单向器包括外套(6)，通过平丝挡装在外套(6)内孔内的芯子(8)，外套(6)与芯子(8)之间装有钢珠(9)，外套(6)的内孔面上设有棘齿(10)，芯子(8)上安装有与棘齿(10)啮合的千斤(11)以及与千斤(11)连接的千斤簧，外套(6)外缘上均布有键槽(12)，单向器通过其外套(6)上的键槽(12)与差速型增速器的两半轴的输入端的支撑体(22)连接。
5、根据权利要求1或2所述的水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，其特征是上述所说的单向器为单向轴承。
6、根据权利要求1或2所述的水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，其特征是风轮轴与差速型增速器的输出轴(14)呈水平正交排列。
7、根据权利要求1或2所述的水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，其特征是所述的差速型增速器包括增速器，差速器，差速器壳体(15)的两端支承在增速器壳体(16)的座孔中，增速器的主动齿轮(17)固定在差速器壳体(15)的凸缘上，和主动齿轮(17)啮合的从动齿轮(18)与输出轴(14)制成一体，且通过轴承支承于增速器壳体(16)上；差速器壳体(15)内相应的左右座孔内支承有半轴(5)，两半轴齿轮(19)通过花键与半轴(5)连接；差速器两半壳体的端面上相应的凹槽内嵌有行星齿轮轴(20)，行星齿轮轴(20)的每个轴颈上浮套有行星齿轮(21)，行星齿轮(21)与两个半轴齿轮(19)啮合。
8、根据权利要求7所述的水平正交差速型同向旋转双侧叶轮风力发电机组，其特征是所述的从动齿轮(18)的齿形为非对称结构，从动齿轮的齿形以能与主动齿轮齿面充分啮合为准，主动齿轮(17)的主受力面(23)与次受力面(25)交叉处增设凹槽(24)。
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