CN103306901A

CN103306901A - 水平轴无扭缆风力发电机

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Publication number: CN103306901A
Application number: CN2012100605310A
Authority: CN
Inventors: 齐同庆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: CN103306901B

Abstract

水平轴无扭缆风力发电机，属动力工业风力机械技术。水平轴风力发电机偏航时机舱塔架间的线缆随动，两端有相对角位移-扭缆。这使线缆呈螺旋状扭结、轴向缩短并产生剪应力。若同向不断偏航，电缆会被剪、拉断裂；故须适时反向偏航-解缆。扭缆，解缆引起许多安全问题，导致成本增加。本发明(见图)使发电机(件8)轴向上固定于机舱(件5)下，塔(件10)顶上不动的发电机舱中，不扭缆。偏航轴承(件6)与发电机转子同轴，用相交轴传动齿轮副(件4)，将风轮的水平轴功率传到垂直的发电机轴(件7)上。用‘无扭缆电力、信号传导系统’(件9)，实现机舱、塔架间的线缆无扭电连接，消除扭缆弊病。本发明最适于下风向机组。

Description

水平轴无扭缆风力发电机

技术领域

本发明属于动力工业风力机械技术范围，是一种新型的水平轴风力发电机。

技术背景

当前世界上大型并网风力发电机主要是水平轴风力发电机。它自风轮至发电机的主驱动链都安装在机舱的底盘上。为了有效地捕获风能，需要机舱(主动或被动)偏航(即绕塔架轴线旋转)使风轮对风。当风向变化时，机舱自动偏航使风轮对准风向。偏航时，机舱与塔架间的电缆(含信号缆)随着转动，但电缆的另一端固定，故电缆有相对角位移；因此，原来按一定距离排列的电缆，像麻绳一样呈螺旋状绞在一起，并引起轴向缩短，称扭缆。扭缆会引起很多不良后果：其一，电缆须在机舱端悬挂点(图5件501)以下留出足够长的自由段(图5件502)，其长度要比悬挂点到固定点间的距离长很多(如图5双实线示)；避免电缆因扭缩短时拉断。这增加了电缆的消耗量，也增加电缆的电损耗。其二，电缆绞在一起后，电缆的散热面积大大减小，使电缆，尤其是发电机的输出电缆温度升高，甚至引起火灾。因此要采用更大截面的电缆，降低载流量使用，造成浪费。其三，电缆产生与相对位移成比例的扭剪应力。随着剪应力增大，电缆自由段长出的部分，会折叠、缠绕像麻花一样紧紧地抱在一起。占据了全部多余的长度(图5代号505点划线示)，增加了电缆束的扭转刚度。使其余部分的剪应力随扭转迅速增大，不采取措施很容易造成电缆断裂。

因此，电缆必须适时解扭(或称解缆)。而解扭带来的问题是：

对于主动偏航的上风向机组，可驱动机舱反向旋转直至角位移为0；但必须设置偏航驱动的软、硬件以及相应的传感器、记录器等。这不但增加成本，还增加了系统复杂性。

对于被动对风的下风向机组(如Model，100)，因无法反向偏航，一般在电缆中部，置插接件，到时由值守人员爬上塔架将插接件分离，手动解扭后再连接上。这不但有人身安全隐患，而且不能实现无人值守、完全自动运行。故很少应用。

无论是主动还是被动偏航机组，解扭时，必须停止发电运行，影响发电量。

发明内容

本发明是通过采取技术措施，使电缆不同截面间不产生相对角位移而根除扭缆。具体内容是：

1.将发电机移出作偏航运动的机舱，装在机舱之下上端与偏航轴承连接，下端固定于塔顶法兰之上的发电机舱中，机舱、发电机整体都固定，电缆不产生扭缆。

2.对于尺寸、体积较大的发电机，可将发电机舱与塔架和偏航轴承连接的法兰，直接在发电机壳体上制出，以电机的壳体代替发电机舱。

3.使发电机(的转子输入)轴垂直向上，并与发动机舱同轴安装。

4.发电机组齿轮箱的末级齿轮副，或单级齿轮箱采用相交轴齿轮传动，使风轮的水平轴功率转变为垂直轴功率，向下输送到发电机舱中驱动发电机发电。图1，图2所示的是一级相交轴转向传动齿轮箱。

5.齿轮箱安装位置保证从动齿轮与发电机轴顺利地连接。

6.偏航轴承与发电机舱的连接必须保证与发电机转子同轴。使偏航运动与发电机转子转动都绕同一几何轴线。偏航速度与发电机转子的转速相比很小，偏航对发电机的转速影响极微。

7.对于连接机舱上、下传递动力和信号的其它电缆，设置一个‘无扭缆供电、信号传导系统’(见图3，含图1的件7，9，10)。包括：置于发电机转子轴(件7)中心孔中的一个扭转筒(件901)，其上端用法兰(件904)固定在齿轮箱(图1的件4)壳体(图2，401)上，下端通过扭转筒上的中心轴(件903)与连接在塔架平台地板(件10)上的带轴承的复合支座(件905)配合形成对扭转筒下端的有效约束，即中心轴相对复合支座可自由转动，但平移自由度被限制，以增加扭转筒的弯曲刚度。中心轴上部装有一个实现静、动电连接的过孔型滑环(件902)。滑环转子固定于扭转筒的中心轴上。转子上引出的线缆固定于扭转筒中，偏航时它们和扭转筒一起，随机舱转动，线缆无相对运动，不产生扭缆；滑环定子通过连接件(件906)与复合支座相连，使它与它上面引出的线缆，相对塔架都保持静止也无扭缆。对于光缆，首先通过适当的光电信号转换器件，将光信号转变成电信号，通过滑环后，再用光电信号转换器件，将电信号还原为光信号解决扭缆问题。因通过滑环传递的功率很小，滑环体积不大；偏航时滑环的转子定子间的相对运动速度非常低，传导非常可靠。或者将约束扭转筒的复合支座(905)改为简单支座(图6，3a)，固定于发电机后端壳体上，如图6(1a中心轴，2a滑环，3a支座，4a连接件)。

由于本发明采取的措施，完全根除了扭缆，排出了扭缆、解缆带来的诸多问题：

·缩短了电力电缆的长度。这既节约了电缆本身的材料消耗，也减少了电缆中的能量耗损。

·电力电缆不扭缆，不纠结保证了散热条件；可减小电缆截面积，降低电缆规格，提高了机组的安全性。

·由于电力电缆不扭缆，除自身重力外原则上没有其它载荷，这可大大降低对电缆绝缘层的机械及电绝缘性能要求，这对处于低温地区的机组意义更大，可大大降低电缆成本。

·本发明对于下风向被动偏航(对风)风力发电机组更重要。采用本发明除了以上的好处外，可以充分发挥下风向被动偏航机组的独特优点：

A.依靠风轮产生的气动力自动对风，不需要偏航驱动系统；

B.控制系统相应比较简单；

C.下风向机组的风轮叶片，承力后叶尖位移是远离塔架，不存在叶片-塔架干涉，叶片可做得柔度更大，重量更轻，因而成本更低；

也能消除因不能自动解扭，无法做到无人值守、自动运行的缺点。

可大大提高下风向被动偏航机组的可靠性。将具有很好的发展前景。

附图说明

图1本发明‘水平轴无扭缆风力发电机组’的总体示意图。

图2图1件4‘转向传动齿轮箱的’示意图。

图3图1件9‘无扭缆电力、信号传导系统’的结构示意图。

图4发电机安装方向示意图。

图5水平轴传统发电机电缆自由段示意图。

图6小尺寸发电机‘无扭缆电力、信号传导系统’下端结构示意图。

具体实施方式

本发明在总体设计上的方法和步骤并无不同。只是机组的载荷计算和结构分析必须与采用的具体布局一致。

1.机舱底盘上只留风轮和齿轮箱等主驱动链部分，及有关装置。

2.将发电机固定在机舱之下塔架之上另设的发电机舱(图1，件8)中。机舱下与塔架固连，上通过偏航轴承与机舱连接。最好选择低、中速(即直驱、半直驱)发电机，因直径较大可在外壳上制出直接与塔架和偏航轴承连接的法兰，即以发电机机壳作机舱。因发电机(舱)固定不动，不产生扭缆。图1中的件8，是一个低速(直驱)发电机。无独立发电机机舱。

3.使发电机转子轴(图4，件801)向上(如图4)安装并保持与发电机舱同轴。转子轴，必须有中心孔，以便扭转筒(图3，件901)从中通过。

4.齿轮箱的最后一级齿轮副，由平行轴齿轮传动改为相交轴齿轮传动(即圆锥齿轮副)，或采用单级相交轴齿轮箱，将风轮水平轴功率转为垂直轴功率，下传至发电机舱驱动发电机发电。从动齿轮与发电机转子轴，用花键连接以利机组吊装时联接方便(图2所示的齿轮箱(图1，件4)，为单级相交轴齿轮箱)。根据需要选择齿轮副的主、从齿轮齿数。最好使主动齿轮的齿数大于从动齿轮，这样可减少发电机的极数及降低发电机的体积、重量和成本。

5.相交轴传动齿轮箱也可用液压传动代替。即将齿轮箱换成液压泵，使风轮的机械能转换成液压油(工质)的压力能，再用垂直安装的液压马达将液压油的压力能转换成马达输出轴的机械能，通过轴上的圆柱齿轮与发电机转子轴上的齿轮啮合，驱动发电机。

6.偏航轴承(图4，件601)的安装位置，必须保证与发电机转子同轴，其误差必须在允许范围内，以保证在偏航时，相交轴齿轮副的从动齿轮和发电机转子绕同一几何轴线转动，不出现干涉。偏航系统需要偏航制动器(图4件602)，以避免传递功率过程中，因反力矩作用产生不利的偏航运动。

7.‘无扭缆供电、信号传导系统’具体可按发明内容7实施。

Claims

1.水平轴无扭缆风力发电机，是一种不同于传统水平轴风力发电机的新机型，其特征是通过采取一系列技术措施，消除了传统机型因偏航运动产生的扭缆，以及因扭缆、解缆产生的弊病。

2.根据权利1要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：发电机不安装在传统机舱内，而是安装在偏航轴承之下，和塔架之间的发电机舱中。

3.根据权利1要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：发电机舱下端与塔架顶法兰固定连结，上端与偏航轴承连接；发电机舱不做偏航运动。发电机的电缆不产生扭缆。

4.根据权利1要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：使发电机转子轴垂直向上安装，并与发电机舱同轴。

5.根据权利1要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：对于尺寸、体积大的(如直驱)发电机，可不采用独立的发电机舱，以发电机外壳代替，即直接在发电机外壳上制作出与塔架和偏航轴承连接的法兰。

6.根据权利1要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：发电机转子轴是空心的，轴頚前端为外花键。

7.根据权利1要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：所用齿轮箱是单级相交轴齿轮传动齿轮箱或者是末级为相交轴齿轮传动的多级齿轮箱。使风轮绕水平轴的转动，通过齿轮箱转变成绕垂直轴的转动，再经花键连接驱动垂直安装的发电机。

8.根据权利1要求和权利7要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：将风轮绕水平轴的转动，转变成绕垂直轴的转动的轮齿轮箱，也可用液压系统代替；即将绕水平轴转动的风轮机械能，通过液压泵转换成液压油(工质)的压力能，再通过垂直安装的液压马达，将液压油的压力能转换成液压马达垂直转轴的机械能并通过平行传动齿轮副驱动垂直安装的发电机。

9.根据权利1要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：偏航轴承的安装位置与发电机转子同轴。

使机舱偏航与发电机转子绕同一条几何轴线转动，保证机舱偏航运动与发电机转子转动协调。

10.根据权利1要求所述的水平轴无扭缆风力发电机，其特征是：通过发电机转子轴中心孔的‘无扭缆供电、信号传导系统’(说明书附图3)，消除机舱塔架间电缆及信号缆(含光缆)的扭缆。此系统由固定于齿轮箱壳体上的扭转筒，和转子固定在扭转筒下端中心轴上的滑环，及固定于塔架平台上的复合支座构成，滑环定子通过连接件与复合支座连接止动。或者将约束扭转筒的复合支座(905)改为简单支座(图6，3a)，固定于发电机后端壳体上，如图6(1a中心轴，2a滑环，3a支座，4a连接件)。