CN102562485B - 用于增强大型风力发电机叶片稳定性的拉索装置 - Google Patents
用于增强大型风力发电机叶片稳定性的拉索装置 Download PDFInfo
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Abstract
用于增强大型风力发电机叶片稳定性的拉索装置，含有叶片、风机轮毂、风机主轴、前置纵向拉索系统、纬向拉索系统及拉索张力调节系统组成，前置纵向拉索系统及纬向拉索系统可以采用拉索进行张拉，纬向拉索系统通过经向传力拉索及转向支架将张力传递到风机的前端，并通过拉索张力调节系统进行张力的调节和控制，使得叶片的沿旋转周向及风向都具有较高的刚度，大大提高叶片的抗振动及抗风载能力，特别适合于具有3片以上数量的大型叶片系统。本发明所提供的拉索装置将使得大型风力发电机采用更轻及超长的叶片具有更好的稳定性，具有现场施工、维护方便、受力状态可控及安全性高的特点，特别适合于大型及超大型叶片的设计和建造。
Description
技术领域
本发明涉及模块化的可充抽气的大型风力发电机叶片结构，属于风力发电设备领域。
背景技术
当今的大部分能源来源是化石燃料：煤、石油以及天然气，以现在的使用速度，已知的剩余煤矿矿藏将在约200年后被用完，而石油和天然气将在不到100年内使用殆尽。化石燃料在使用时会造成大量的环境污染，其中包括导致全球变暖的温室气体。风能是最具商业潜力、最具活力的可再生能源之一，使用清洁，成本较低，而且取用不尽。风力发电具有装机容量增长空间大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等优势。风力发电在为经济增长提供稳定电力供应的同时，可以有效缓解空气污染、水污染和全球变暖问题。在各类新能源开发中，风力发电是技术相对成熟、并具有大规模开发和商业开发条件的发电方式，风力发电可以减少化石燃料发电产生的大量的污染物和碳排放，大规模推广风电可以为节能减排做出积极贡献。在全球能源危机和环境危机日益严重的背景下，风能资源开始受到普遍关注。风力发电规模化发展给风力发电装备制造业提供了广阔的市场空间和前景。据估计，全球潜在风力发电能力超过70万亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。随着未来常规能源成本持续上升，风电优势更为明显，发展会更快，估计未来多年内风电装机容量年均增速将高达20％。根据全球风能委员会的报告，目前德国、西班牙、美国、印度、丹麦、意大利、英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等国的风电装机容量相对较多。国际绿色和平组织和世界风能协会发布的全球产业蓝皮书认为，到2020年全世界风能装机容量将达到12.6亿千瓦，届时风电电量达3.1万亿千瓦时，风电将占世界电力供应的12％(同时，这种清洁能源将减少约110亿吨的二氧化碳排放)。
可以看出，包括太阳能、风能、生物质能等在内的可再生能源的利用进入了一个崭新的发展时期，风能被认为是最有希望与传统能源在发电成本上相抗衡的清洁能源。英国、丹麦等欧洲国家风电机组的平均单机功率已经达到2.5兆瓦，中国平均为1.6兆瓦。海上风机的安装成本较高，因此大型机组更有成本优势，丹麦Vestas的6MW风机即将投入使用，美国Clipper公司开发了10MW样机，下一代海上风电兆瓦级机组将达到6MW至10MW。
近年来中国风电行业呈现爆发性增长，从2005年的年装机容量不到1000MW，到2009年年装机容量超过14000MW，五年时间增长了14倍，“十二五”期间(2011-2015年)中国的新增风电装机容量将达到40000MW，中国已成为全球瞩目的风电大国。
从19世纪末到20世纪初的风力发电，都是小规模的直流发电，直到20世纪前半期，才开始实现风力发电机组的大型化，并通过提高空气动力性能来增大输出功率。到了20世纪90年代末期，已经大规模采用1MW-1.5MW的风力发电机组。进入21世纪，风力发电机组的功率及风轮直径更加趋于大型化，风轮直径达到60-80m、输出功率达2MW的风力发电机组成为主导机组，同时，海上风力发电机组也更加大型化。
当今，风力发电的最新技术及发展趋势呈现出大型化、变速运行、变桨距及无齿轮箱等发展趋势，即
一、在大型化方面，现在兆瓦级的风电机组已具备了商业化价值，其单机容量可达2～3MW，目前最大的风电机组的海上单机容量可达5MW，风轮叶片长度也大于30m，发电机组的重量也较重，必然在运输及安装上带来较大的困难，风电机组在大风时的结构安全性也面临较大的风险。
二、在变速运行方面，即与恒速运行的风力发电机组相比，变速运行的风机具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点，但对于大型风机，由于叶片较长及较重，针对其惯性的控制将是一个难点。
三、在变桨距设计及操作方面，目前定桨距在向变桨距方向发展，变桨距调节的优点是机组起动性能好、输出功率稳定、机组结构受力小、停机方便安全，但变桨距的机构较为复杂，也增加了变桨装置的故障几率，控制程序比较复杂。结合变桨距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并开发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完善和提高
四、在无齿轮箱(直驱式)方面，即采用无齿轮箱的直驱方式，可以有效地提高系统的效率以及运行可靠性，但需要发展低转速的发电机技术。
五、在叶片技术方面，风力发电机组叶片的翼型从当初采用飞机机翼的翼型，发展为最近使用的专门针对风力发电机的翼型，并且在低雷诺兹数范围内得到更高的升阻比，与飞机使用的翼型相比，翼型变厚，叶片的强度及刚度也大大地提高。
仅就叶片而言，当今的大型风力发电装备存在以下的不足：大型叶片的尺寸越来越长，这对叶片材料重量、强度及刚度提出越来越高的要求；大型叶片虽然可以提高风能的利用率，由于仅有叶片的一端固接在风机的轮毂上，为典型的悬臂结构，在叶片的旋转方向，其刚度比较弱，必然带来因风载引起的剧烈振动，同样，叶片还承受沿着风向的较大载荷，在遇到特大风力作用下，将带来安全上的隐患，总之，较大型的叶片，其整体结构的在周向及沿风向上的稳定性都较差，如何大幅度提高叶片结构的整体稳定性是当今发展大型及超大型叶片结构的关键问题。
发明内容
本发明的目的旨在提出用于增强大型风力发电机叶片稳定性的拉索装置，主要采用前置纵向拉索系统及纬向拉索系统来提高叶片的沿旋转周向及风向的刚度，可以大幅度提高叶片的抗振动及抗风载能力，特别适合于具有3片以上的大型叶片系统。
本发明的技术方案如下：
一种用于增强大型风力发电机叶片稳定性的拉索装置，所述大型风力发电机含有三个以上的叶片、风机轮毂和风机主轴，叶片与风机轮毂连接，风机轮毂安装在风机主轴上，其特征在于：所述拉索装置包含前置纵向拉索系统、纬向拉索系统、拉索张力调节系统以及设置在每个叶片上的第一连接装置；所述前置纵向拉索系统含有前置纵向第一层拉索及纵向拉索连接盘；所述的纬向拉索系统包括纬向第一层拉索及经向拉索连接盘；所述的拉索张力调节系统含有纵向张力螺旋调节器、纬向张力螺旋调节器、自动控制器以及固定在风机主轴上的前置张拉承力轴，自动控制器通过控制线与纵向张力螺旋调节器及纬向张力螺旋调节器连接；前置纵向第一层拉索的一端连接在第一连接装置的前端，另一端连接在纵向拉索连接盘上；纵向张力螺旋调节器的内部通过螺纹与前置张拉承力轴连接，外部采用轴承与纵向拉索连接盘连接；纬向第一层拉索将每个叶片上的第一连接装置的后端依次连接；经向传力拉索将每两个叶片之间第一层的中点相连，并通过拉索转向支架上的定滑轮转向后与经向拉索连接盘相连，纬向张力螺旋调节器的内部通过螺纹与前置张拉承力轴连接，外部采用轴承与经向拉索连接盘(15)连接。
本发明的技术特征还在于：所述拉索装置还包括第二连接装置、前置纵向第二层拉索和纬向第二层拉索，纬向第二层拉索将每个叶片上的第二连接装置的后端依次连接；经向传力拉索将每两个叶片之间第一层及第二层纬向拉索的中点相连，并通过拉索转向支架上的定滑轮转向后与经向拉索连接盘相连；前置纵向第二层拉索的一端连接在第二连接装置的前端，另一端连接在纵向拉索连接盘上。
本发明与现有的技术相比，对于具有3片以上的大型叶片发动机系统，具有以下特点及突出性效果：①通过一层或多层纬向拉索系统可以大幅度提高叶片的周向刚度，增加叶片的抗振动的力学性能，②通过前置的一层或多层纵向拉索系统可以增加叶片系统的抗风载能力；③对前置纵向拉力与纬向拉索系统所产生的拉力将形成一个平衡力系，可以根据叶片的张拉状态进行实时的拉力调整，④可以保持整个叶片系统的整体性及可靠性，为大型叶片或超大型叶片的安全运行提供一种新的拉索加固方式。
附图说明
图1为本发明提供的具有一层前置拉索及一层纬向拉索装置的实施例示意图。
图2为图1的拉索装置的后视图。
图3为本发明提供的具有双层前置拉索及双层纬向拉索装置的实施例示意图。
图4为图3的拉索装置的后视图。
图中：1-叶片；2-风机轮毂；3-风机主轴；4-前置纵向第一层拉索；5-前置纵向第二层拉索；6-纬向第一层拉索；7-纬向第二层拉索；8-经向传力拉索；9-拉索转向支架；10-前置张拉承力轴；11-第一连接装置；12-第二连接装置；13-纵向拉索连接盘；14-纵向张力螺旋调节器；15-经向拉索连接盘；16-纬向张力螺旋调节器；17-纵向张力螺旋调节器运动方向；18-纬向张力螺旋调节器运动方向；19-自动控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及具体实施方式作进一步的说明：
图1和图2为本发明提供的具有一层前置拉索及一层纬向拉索装置的实施例的结构示意图，所述大型风力发电机含有三个以上的叶片1、风机轮毂2和风机主轴3，叶片1与风机轮毂2连接，风机轮毂2安装在风机主轴3上；该拉索装置包含前置纵向拉索系统、纬向拉索系统、拉索张力调节系统以及设置在每个叶片上的第一连接装置11；所述前置纵向拉索系统含有前置纵向第一层拉索4及纵向拉索连接盘13，每个叶片的前置纵向第一层拉索4的一端连接在第一连接装置11的前端，另一端连接在纵向拉索连接盘13上，纵向拉索连接盘13通过轴承以及纵向张力螺旋调节器14与固定在风机主轴3上的前置张拉承力轴10连接；所述的纬向拉索系统包括纬向第一层拉索6及经向拉索连接盘15，纬向第一层拉索6将每个叶片上的第一连接装置11的后端依次连接，经向传力拉索8将每两个叶片之间各层纬向拉索的中点相连，并通过拉索转向支架9上的定滑轮转向后与经向拉索连接盘15相连，经向拉索连接盘15通过轴承以及纬向张力螺旋调节器16与固定在风机主轴3上的前置张拉承力轴10连接，自动控制器19通过控制线与纵向张力螺旋调节器14及纬向张力螺旋调节器16连接。
图3和如4为本发明提供的具有双层前置拉索及双层纬向拉索装置的实施例示意图，包含前置纵向拉索系统、纬向拉索系统、拉索张力调节系统以及设置在每个叶片上的第一连接装置11和第二连接装置12；所述前置纵向拉索系统含有前置纵向第一层拉索4、前置纵向第二层拉索5及纵向拉索连接盘13，每个叶片的前置纵向第一层拉索4的一端连接在第一连接装置11的前端，另一端连接在纵向拉索连接盘13上，前置纵向第二层拉索5的一端连接在第二连接装置12的前端，另一端也连接在纵向拉索连接盘13上，纵向拉索连接盘13通过轴承以及纵向张力螺旋调节器14与固定在风机主轴3上的前置张拉承力轴10连接；所述的纬向拉索系统包括纬向第一层拉索6、纬向第二层拉索7及经向拉索连接盘15，纬向第一层拉索6将每个叶片上的第一连接装置11的后端依次连接，纬向第二层拉索7将每个叶片上的第二连接装置12的后端依次连接，经向传力拉索8将每两个叶片之间各层纬向拉索的中点相连，并通过拉索转向支架9上的定滑轮转向后与经向拉索连接盘15相连，经向拉索连接盘15通过轴承以及纬向张力螺旋调节器16与固定在风机主轴3上的前置张拉承力轴10连接，自动控制器19通过控制线与纵向张力螺旋调节器14及纬向张力螺旋调节器16连接。
下面以图3所示的具有双层前置拉索及双层纬向拉索装置的实施例，给出拉索系统安装及调试的说明。在安装阶段，首先按照设计要求，将第一连接装置11及第二连接装置12安装在叶片上，将经向拉索连接盘15通过轴承以及纬向张力螺旋调节器16与固定在风机主轴3上的前置张拉承力轴10连接，将纵向拉索连接盘13通过轴承以及纵向张力螺旋调节器14与固定在风机主轴3上的前置张拉承力轴10连接，将自动控制器19安装在风机轮毂2中，这样就由纵向张力螺旋调节器14、纬向张力螺旋调节器16、自动控制器19以及前置张拉承力轴10构成了拉索张力调节系统。然后，就是安装前置纵向拉索系统，对于每个叶片，将拉索的一端连接在第一连接装置11的前端，另一端连接在纵向拉索连接盘13上，这样就形成了前置纵向第一层拉索，安照同样的方式，完成前置纵向第二层拉索。最后，安装纬向拉索系统，将每个叶片上的第一连接装置11的后端依次连接，形成纬向第一层拉索6，安照同样的方式，完成纬向第二层拉索，采用经向传力拉索8将每两个叶片之间第一层及第二层纬向拉索的中点相连，并通过拉索转向支架9上的定滑轮转向后与经向拉索连接盘15相连。
在完成拉索的安装后，进行拉索张力的预置和调试，可以通过纬向张力螺旋调节器16在前置张拉承力轴10上的旋转，并受自动控制器19的控制，再由安装在其中部的轴承带动经向拉索连接盘15沿着纬向张力螺旋调节器运动方向18进行移动，当向外侧移动时，则完成纬向拉索系统的拉紧，向外侧移动得愈多，拉紧程度愈大；同样，通过纵向张力螺旋调节器14在前置张拉承力轴10上的旋转，并受自动控制器19的控制，再由安装在其中部的轴承带动纵向拉索连接盘13沿着纵向张力螺旋调节器运动方向17进行移动，当向外侧移动时，则完成前置纵向拉索系统的拉紧，向外侧移动得愈多，拉紧程度愈大；这时，纬向拉索系统在叶片的旋转面内将形成一个针对叶片的压缩张力平衡力系，而前置纵向拉索系统与纬向拉索系统沿风机主轴3的方向上也形成一个张力平衡力系，使得风机的叶片系统具有较好的整体性及稳定性。
在风机的运行过程中，会出现张力松弛的状况，这时，可以通过张力传感器感应后，对纬向张力螺旋调节器16在前置张拉承力轴10上的进行旋转来调节纬向拉索系统的张力；同样，通过纵向张力螺旋调节器14在前置张拉承力轴10上的旋转来调节前置纵向拉索系统的张力，使得叶片在旋转面内的张力以及沿风机主轴方向上的张力达到一个合理的设定值，所有的调节过程都可以通过安装在风机轮毂中的自动控制器19进行控制、并自动完成。
Claims (2)
1.一种用于增强大型风力发电机叶片稳定性的拉索装置，所述大型风力发电机含有三个以上的叶片(1)、风机轮毂(2)和风机主轴(3),叶片(1)与风机轮毂(2)连接，风机轮毂(2)安装在风机主轴(3)上，其特征在于：所述拉索装置包含前置纵向拉索系统、纬向拉索系统、拉索张力调节系统以及设置在每个叶片上的第一连接装置(11)；所述前置纵向拉索系统含有前置纵向第一层拉索(4)及纵向拉索连接盘(13)；所述的纬向拉索系统包括纬向第一层拉索(6)及经向拉索连接盘(15)；所述的拉索张力调节系统含有纵向张力螺旋调节器(14)、纬向张力螺旋调节器(16)、自动控制器(19)以及固定在风机主轴(3)上的前置张拉承力轴(10)，自动控制器(19)通过控制线与纵向张力螺旋调节器(14)及纬向张力螺旋调节器(16)连接；
前置纵向第一层拉索(4)的一端连接在第一连接装置(11)的前端，另一端连接在纵向拉索连接盘(13)上；纵向张力螺旋调节器(14)的内部通过螺纹与前置张拉承力轴(10)连接，外部采用轴承与纵向拉索连接盘(13)连接；
纬向第一层拉索(6)将每个叶片上的第一连接装置(11)的后端依次连接；经向传力拉索(8)的一端将每两个叶片之间纬向第一层拉索的中点相连，另一端通过拉索转向支架(9)上的定滑轮转向后与经向拉索连接盘(15)相连，纬向张力螺旋调节器(16)的内部通过螺纹与前置张拉承力轴(10)连接，外部采用轴承与经向拉索连接盘(15)连接。
2.按照权利要求1所述的一种用于增强大型风力发电机叶片稳定性的拉索装置，其特征在于：所述拉索装置还包括第二连接装置(12)、前置纵向第二层拉索(5)和纬向第二层拉索(7)，纬向第二层拉索(7)将每个叶片上的第二连接装置(12)的后端依次连接；经向传力拉索(8)将每两个叶片之间第一层及第二层纬向拉索的中点相连，并通过拉索转向支架(9)上的定滑轮转向后与经向拉索连接盘(15)相连；前置纵向第二层拉索(5)的一端连接在第二连接装置(12)的前端，另一端连接在纵向拉索连接盘(13)上。
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