CN103122828B - 一种风电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于风力发电属于水平轴风力发电机的一种风电机组，包括塔架，拉索，机舱总装部件和风轮，其特征是其拉索中最上边的一层拉索与塔架之间的连接点在塔架上部，并且与风轮处于同一侧的上层拉索有两种工作状态，第一种工作状态是在发电过程中该拉索处于躲开叶片的扫风范围的位置上；第二种工作状态是因风速超限停机的时候该拉索处于叶片的扫风范围内，穿过两个叶片之间拉紧塔架。这样可以大大减小塔架受到的力，所以该风电机组的塔架重量轻，便于运输，可以降低风力发电机组的成本，从而降低每度电的成本。

Description

一种风电机组

技术领域

本发明涉及一种用风力发电的水平轴风力发电机组。风力发电机组按输出方式可以分为所发电力可并入电网的并网发电机组和所发电能就地使用的分散风力发电机，在一般情况下，前者是选用大型和中型风力发电机组，后者常选用小型风力发电机。本发明一种风力发电机组属于大型和中型风力发电机组。按结构风力发电机组又可分为水平轴和垂直轴风力发电机组两种，本发明属于水平轴风力发电机组。按塔架结构又分为有拉索和无拉索两种，本发明属于有拉索的风电机组。

背景技术

水平轴大中型风力发电机组包括由传动装置、发电装置、偏航系统、主机架和机舱壳组成的机舱，支撑机舱的高达几十米甚至上百米的塔架，有些塔架装有一端与塔架连接，另一端与拉索基础连接的拉索，由叶片及轮毂组成的风轮，有一种风轮中还装有变桨距装置。

水平轴风电机组的风轮围绕水平的轴线旋转，风轮旋转平面大致与风的流入方向垂直。风轮的各叶片在旋转中扫过的范围叫扫风范围。

水平轴风电机组的塔架不仅要承受风压，还要同时承受风电机组运行过程中的全部动静载荷。塔架的结构有钢筒、混凝土和桁架等形式，目前大型风电机组多采用钢筒塔架。随着风电机组容量的增大钢筒直径可达到几米甚至十几米，运输十分困难，在陆地上有些简直是不可运输。为了运输方便，有些钢筒塔架需要将塔筒分段甚至分片制造，到现场再组装，这样解决了可运输的问题，但是却降低了钢筒的强度和刚度，从而增加了重量和成本，此外现场安装的工作量也太大。为了减小水平轴和主机架的弯矩，风轮不能探出塔架过长的距离。为了叶片不碰塔架，塔架应尽量做成上下等直径的圆柱形。可是因为塔架的下部受到的弯矩最大，确实有必要加大下部直径，所以实际采用的塔架的纵断面的形状一般都是两个腰接近平行的梯形。这样形状的塔架的优点是可以使用长叶片而不碰塔架，有利于提高发电量。但是它的缺点是为了增加塔架的根部的强度，需要增加整个塔架的直径，这样也就增大了成本。如果不增加塔架直径，会有压杆失稳的问题。为了避免失稳和被大风刮倒，可以采用拉索加固，为了风叶不碰拉索，需要一方面减短风叶，另一方面需要降低拉索与塔架之间的连接点，即只能在塔架中段固定拉索，显然这样的结构会使塔架大大增高，所以适合用在小型风力发电机上。虽然采用了上述各种措施，但是塔架被大风刮倒的事故仍时有发生。由于存在上述的问题，目前大型的风力发电机组上，不得不越来越多地采用混凝土塔架。这种塔架无疑使工程量、运输量增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以使用长叶片从而增大风电机组的容量，可以克服塔架在大风中倾倒的问题，可以使整个风力发电机组重量轻、强度高的一种风电机组。为了解决上述问题，本发明一种风电机组包括塔架，拉索，机舱总装部件和风轮，其特征是其拉索中最上边的一层拉索连接在塔架的上部，并且风轮装在下风向，在风电机组中还安装了偏航限位机构，在发电过程中处于上风向的上层拉索为拉紧状态，其余的上层拉索处于躲开叶片扫风范围的位置，用偏航限位机构限制风轮偏航的方位，防止叶片与该处于拉紧状态的拉索碰撞，并且与风轮处于同一侧的上层拉索有两种工作状态，第一种工作状态是在发电过程中该拉索处于躲开叶片的扫风范围的位置上；第二种工作状态是因风速超限停机时该拉索进入叶片的扫风范围，穿过两个叶片之间拉紧塔架，当风速将要超限时再停止发电、锁定风轮、张紧其余上层拉索。

如上所述的一种风电机组，其特征是在所述拉索上设有拉索快速张紧装置。

如上所述的一种风电机组，其特征是在拉索上设有拉力可调的拉索横拉器，拉索横拉器由拉索和油缸组成，拉索横拉器的拉索一端与上层拉索连接，另一端与油缸的一端连接，油缸的另一端与塔架连接。

采用这样的结构后就可以从以下两个方面取得有益的效果。

1.可以使用长叶片增加发电量。

2.可以采用固定在塔架上部的拉索，在发电过程中上风向的拉索可以以大角度横向拉住塔架，防止被大风刮倒，甚至拉索与铅垂线成60度角仍可轻易做到，所以增加了抵御狂风的能力。显然还

可以有效地减轻塔架重量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是背景技术中一种风电机组的一种实施方式的主视图。

图2是本发明一种风电机组的第一种实施方式的主视图。

图3是本发明一种风电机组的第二种实施方式的主视图。

图4是图1中I处的放大图。

图5是装有拉索横拉器的风电机组的主视图。

具体实施方式

结合图1，如果不安装防倒前拉索4和防倒后拉索8，那么图1所示结构就是目前使用范围最广的一种上风向风电机组。其中包括把叶片7安装在轮毂上而组成的风轮1，机舱组件2，由三节钢筒组装而成塔架3。塔架3的下端固定在基础上，使塔架形成了一个悬臂梁的结构。发电过程中，风力作用在几十米甚至上百米高的风轮1上，显然风力加在塔架根部和加在基础上的弯矩都是很大的。为了承受这个弯矩，人们已经采取了很多措施，例如把塔架做成下粗上细的形状，尤其是当采用桁架结构的塔架时，塔架下部可以做得更粗，但是这个措施却受到了塔架下部做得太粗会碰到叶片这个因素的限制。另外人们也采用过用拉索来降低塔架根部弯矩的措施，但是为了叶片不碰拉索，拉索与塔架的连接点只能设在塔架中部以下，如果连接点设在塔架上部，就必须把叶片向外偏斜，这样就缩短了叶片在垂直于风轮轴线的平面上的投影长度，也就相当于缩短了叶片，减少了发电量。另外拉索的下端与地基的锚固点必须离得较近，所以能起到的作用有限。正因为上述原因，目前的风电机组只能保证在不太大的风速下正常发电，而在风速较大时不得不停止发电并用偏航和变浆距的方法躲风。虽然采用了上述各种措施，但是当狂风大作时，人们还是只能眼睁睁地看着昂贵的塔架和发电设施被大风刮倒，束手无策。近几年出现了一种可展索-塔型风力发电机，正常发电的时候，防倒拉索4是处在沿塔架垂向下方的位置，目的是防止叶片碰到防倒拉索。当风速超限时，首先风机停止运转，并且调节变浆距装置和偏航装置躲风，然后把防倒拉索透过叶片的扫风范围，即从两个叶片之间穿过，张紧在塔架和拉索基础之间。由于防倒拉索基础到塔架基础之间的距离远，所以防倒力矩大，即大风作用在风轮上的力直接被防倒拉索平衡，所以可以有效地防止塔架被大风刮得从塔架根部折断，但是却不能使正常发电的风速范围增大。

结合图2，本发明一种风电机组的第一种实施方式是一种下风向式风电机组，这一点它与图一不同。从图一可知，防倒前拉索4处于来风方向，只有风轮停转时才能张紧，并起到平衡风力的作用，所以图一可发电的风速范围与目前已有技术相同。第一种实施方式与此相反，处于来风方向的是防倒后拉索8，它处于风轮1的背面，它张紧后并不影响风轮1的旋转，当然要设有偏航限位装置22，偏航限位装置22是限制风轮转到有被张紧的防倒拉索的一侧的装置，防止叶片碰到防倒后拉索8。这样风速较大时仍可以继续发电，即第一种实施方式的第一个有益效果是增加了正常发电的风速范围，可以多发电，并且可在已有风电机组停止发电后继续发电，可提高电网质量。既然防倒前拉索4和防倒后拉索8可以大大减小塔架3根部的弯矩，那么当然也就允许大大减小塔架的抗弯截面系数，从而减轻重量，降低成本。还可以通过减小塔架直径的办法解决运输超高的问题。这些也是这种实施方式的有益效果。为了避免塔架3失稳和增大塔架强度，这种实施方式中增加了下层拉索5、上拉索12、上防失稳拉索13和下防失稳拉索14，为了叶片7不碰上拉索12，叶片7采用了向外侧倾斜的结构，这些结构也可以用在图一所示的结构中。

结合图3，第二种实施方式与第一种大同小异。塔架3和塔架基础9都需有足够的强度和刚度。这种实施方式中增加了加强拉索22和防止塔架失稳的下层拉索5，并且塔架基础9加深了。既然基础较深，那么为了采用顶升法安装塔架时增大塔架短节的长度，塔架基础9上做了一个可以容纳一部分塔架的深孔，所以可使塔架短节加长，减少塔架的接口数。这样也就可以减少塔架3的维修工作量。

结合图4和图2，在前述实施方式中防倒前拉索4和防倒后拉索8的张紧方法有多种，它的两端都可以采用铰接结构，为了操作迅速也可以采用绞车牵引、吊链拉紧和油缸张紧等张紧方法。图4是一种用凸轮机构张紧的示意图。其中包括与基础6相连接的导轨15和弯导轨16，还包括与防倒前拉索4下端连接的滑块17，滑块17可沿导轨15和弯导轨16滑动。风电机组发电时，为了叶片7不碰到防倒前拉索4，防倒前拉索4处于松弛状态，其上段是沿塔架3下垂的，下端的滑块17在导轨15中，并在离塔架较近的地方。当发现风速将要超限的时候，风轮1停止转动。随着滑块17向左移动，防倒前拉索4较快地被拉直，当滑块17移动到弯导轨16中的时候，因滑块压力角增大，被拉直的速度减慢，但此时已接近成为一条直线，且有一定的自锁能力。然后固定滑块。这是防倒前拉索4的工作状态。当然此凸轮机构也可以用在防倒前拉索4的上端，还可以用于防倒后拉索8以及其它拉索中。此凸轮机构的控制方式也有多种，可以人工手动控制，也可以把风向传感器采集到的信号传给偏航限位装置22和推动滑块17移动的动力装置，自动控制拉索的张紧。

结合图5，在前述实施方式中为了减小塔架因被风吹而摆动的量，在防倒前拉索4、防倒后拉索8、以及其它拉索中都可以安装拉索横拉器。图5中拉索横拉器包括一端与防倒前拉索4连接的拉索18、为拉索18导向的滑轮19、一端与拉索18连接，另一端与塔架3连接的油缸20。油缸20上还可以安装阻尼元件。当油缸20收缩时，防倒前拉索4会被略微拉弯。当塔架3向右摆动时防倒前拉索4会被塔架拉直，此时油缸20的受压腔中的油会被挤出，吸收能量，减小塔架的摆动幅度。当然拉索18也可以用连杆代替，此时如果把连杆与油缸20安装在同一条直线上，还可以省去滑轮19，油缸20也可以通过拉索与塔架3连接。

Claims (3)

1.用于风力发电的属于水平轴风力发电机的一种风电机组，包括塔架，拉索，机舱总装部件和风轮，其特征是其拉索中最上边的一层拉索连接在塔架的上部，并且风轮装在下风向，在风电机组中还安装了偏航限位机构，在发电过程中处于上风向的上层拉索为拉紧状态，其余的上层拉索处于躲开叶片扫风范围的位置，用偏航限位机构限制风轮偏航的方位，防止叶片与该处于拉紧状态的拉索碰撞，并且与风轮处于同一侧的上层拉索有两种工作状态，第一种工作状态是在发电过程中该拉索处于躲开叶片的扫风范围的位置上；第二种工作状态是因风速超限停机时该拉索进入叶片的扫风范围，穿过两个叶片之间拉紧塔架，当风速将要超限时再停止发电、锁定风轮、张紧其余上层拉索。

2.如权利要求1所述的一种风电机组，其特征是在所述拉索上设有拉索快速张紧装置。

3.如权利要求1所述的一种风电机组，其特征是在拉索上设有拉力可调的拉索横拉器，拉索横拉器由拉索和油缸组成，拉索横拉器的拉索一端与上层拉索连接，另一端与油缸的一端连接，油缸的另一端与塔架连接。