CN103541865B - 双转子风力或水力涡轮机 - Google Patents

双转子风力或水力涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力或水力涡轮机，其中用于所述风力或水力涡轮机的双转子结构(100)包含具有两个输入端和输出端的行星齿轮箱。一个转子(1)连接到一个输入端(3)且另一转子(8)连接到另一输入端(6)。发电机连接到高速轴(11)。所述输出端的转速通过所述转子的相对转速确定，从而所述发电机产生具有期望频率的电力。该结构使得能够在风或水的速度变化的情况下产生具有恒定频率的电力。

Description

双转子风力或水力涡轮机
技术领域
本发明涉及风力和水力涡轮机，尤其涉及具有双转子的风力和水力涡轮机。
背景技术
风力或水力涡轮发是将风力或水力转化为电力的装置，其通常包括转子、齿轮箱以及发电机。在操作时，风力使转子转动从而对齿轮箱提供高转矩、相对低的频率的输入。齿轮箱使该输入得以转化，以便为发电机提供高的、优选恒定的速度，从而产生具有期望频率的交流电流。
在双转子涡轮机中，将每个转子的旋转能量组合起来从而采用单个发电机已经通过采用锥齿轮实现。同样地，它还通过将每个涡轮转子与发电机的不旋转的定子和转子部件连接或者将第一涡轮转子与第一发电机磁场转子连接、将第二涡轮转子与第二发电机磁场转子连接来实现。该设置下，两个转子以相反方向转动，在第一种方法中，两个转子之间的相对速度无法调整。
在现有的风力/水力涡轮机组件中存在的一个问题是，输出到发电机的速度维持恒速是困难的。另一个缺陷是，风力/水力涡轮机的齿轮箱相对复杂，通常用到多级行星齿轮系统。
US2006/0093482A1公开了一种具有反向旋转螺旋的风车。两个螺旋都位于行星齿轮箱的上风侧，并且用于增强涡轮机位置处供应的电力。转子的速度可以通过阻断机构控制，但是该风车不能产生恒定的输出速度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种风力或水力涡轮机的双转子结构，包含：行星齿轮箱，其具有第一输入端、第二输入端和输出端；连接到第一输入端的第一转子；连接到第二输入端的第二转子；连接到输出端的发电机。输出端的转速通过所述第一转子和所述第二转子的相对转速确定，从而发电机产生具有期望频率的电力。该结构使得能够在风或水的速度变化的情况下产生具有恒定频率的电力。
所述双转子结构进一步包含叶片，其具有可变节距，且连接到第一转子，从而在使用时，第一转子的速度能够改变。这使得第一转子相对于第二转子的相对速度能够根据风或水的速度而改变。
所述双转子结构进一步包含叶片，其具有可变节距，且连接到第二转子，从而在使用时，第二转子的速度能够改变。这使得第二转子相对于第一转子的相对速度能够根据风或水的速度而改变。
所述双转子结构可进一步设置为使所述第一转子位于所述第二转子的上游。
所述双转子结构进一步设置为使上游的所述第一转子具有比下游的所述第二转子小的直径。这种结构使得所述第二转子至少部分地远离所述第一转子操作引起的涡流定位。
所述双转子结构可进一步设置为使第一转子和第二转子以相同方向旋转。
所述双转子结构可进一步设置为使第一转子和第二转子以不同方向旋转。
所述双转子结构可进一步设置为所述第一输入端连接到所述行星齿轮箱的环形齿轮。
所述双转子结构可进一步设置为所述第二输入端连接到所述行星齿轮箱的行星齿轮架。
所述双转子结构进一步设置为所述输出端连接到所述行星齿轮箱的恒星齿轮。
所述第一转子和所述第二转子的相对转速能够在使所述第一转子和所述第二转子以相同方向旋转的范围和使所述第一转子和所述第二转子以不同方向旋转的范围之间变化。
附图说明
本发明将会仅以例子的方式来进行描述，并且参考以下附图：
为了更完整地说明本发明及其技术优点，现在将通过以下描述和附图进行参考，附图中：
图1为本发明的齿轮箱布置的剖视图；
图2为转子叶片的配置的平面图；
图3为本发明的齿轮箱布置的示意图；
图4为本发明的齿轮箱在A-A位置的剖视图；以及
图5为本发明风力涡轮机安装的侧视图。
具体实施方式
图1和3示出了双转子风力或水力涡轮机100，其能够在风速或水速变化的情况下操作而产生具有接近恒定频率的电力。该结构包括行星齿轮箱200，其包括第一输入端3、第二输入端6和输出端9。第一转子1连接到第一输入端3，第二转子8连接到第二输入端6；发电机(未示出)连接到输出端9。输出端9的转速通过第一转子1和第二转子8的相对转速确定，从而使发电机产生具有期望频率的电力。在如图1和图3所示的示例性实施例中，第一输入端3是环形齿轮，第二输入端6是行星齿轮架，而输出端9是恒星齿轮。因此涡轮机100具有位于第一转子1上的叶片101，第一转子1连接到轴套2，而轴套2又连接到环形齿轮3。环形齿轮3与行星齿轮4啮合。行星齿轮4通过销5上的轴承支承。销5固定在嵌置在轴7上的行星齿轮架6上。
轴7连接到具有叶片108的第二转子8。行星齿轮4同样与轴9上的恒星齿轮啮合，轴9继而连接到高速中间轴10并与高速输出轴11接合。输出轴11连接到发电机(未图示)。
在该齿轮箱中，有两个转矩来源，即转子1和8。
首先，从转子1产生的转矩通过轴套2和环形齿轮3传递到行星齿轮4。
其次，来自转子8的转矩通过轴7、行星齿轮架6和销5传递到行星齿轮4。
转矩在环形齿轮3和行星齿轮4的啮合处合并，并且通过轴9上的恒星齿轮传送到输出端。高速中间轴10连接到轴9上的恒星齿轮，且合并后的转矩作为至发电机的输出转矩被传送到高速输出轴11。
图2示出了叶片101和/或1088在两个转子上的角度位置，且该角度位置能够被调整从而改变两个转子的相对速度。可变角度的叶片可以形成一个或者两个转子的部分。输出轴11的速度取决于叶片1和/或8的角度位置，其中叶片可以增加或减少。
在操作中，传感器测量高速轴11的转速，且该信息被传递至控制箱。如果速度例如高于设计的速度，则来自控制箱的信号被发送到节距控制装置，例如通过滑环或者无线电操控，从而调整叶片101、108的角度位置来改变转子1、8的相对速度。上风侧转子叶片101的节距角可以采用0到180度的值。对于180度，上风侧转子将反方向旋转。因此，上风侧转子1可以相对于下风侧转子8以任意方向旋转。旋转的相对方向取决于上风侧叶片101的节距，该节距能够被改变从而使上风侧转子1与下风侧转子8以相反方向旋转。输出端9以及输出轴11的转速由第一转子1和第二转子8的相对转速确定，从而发电机产生具有期望频率的电力。该设置使得在风或水的速度变化的情况下也能够产生具有恒定频率的电力。
图3为双转子风力或水力涡轮机系统的一种结构的示意图，图4为具有三个行星齿轮的齿轮箱的剖视图。输出轴10的输出速度n3通过以下关系得出：
(2n2(r2+r3)+n1r1)/r3
其中n1为转子1的转速，n2为转子8的转速，r2为行星齿轮4的半径，r3为恒星轴9的半径，且r1＝2r2+r3。
要注意的是，该例子中转子为相互反向旋转。
本发明提供一种仅涉及单级行星轮系统的简单结构。它是一种采用控制系统改变一个或者两个涡轮机转子叶片的节距来控制输出速度的方法。
图5示出本发明风力涡轮机的安装，其中涡轮机装置100容纳在支撑在塔座502上的机舱501内。示出了固定其上的上风侧转子1和叶片101以及固定其上的下风侧转子8和叶片108。
虽然以上描述的双转子系统100中，上风侧转子1定位在机舱501的上风端而下风侧转子8定位在机舱501的下风端，但是上风侧转子1和下风侧转子8可以位于机舱501的上风端。根据该设置，轴7在上风方向上延伸，且转子8在涡轮机装置100的上风侧附接其上。

Claims (9)

1.一种用于风力或水力涡轮机的双转子结构，包含：
行星齿轮箱，其具有连接到第一转子的第一输入端、连接到第二转子的第二输入端、连接到发电机的输出端，且第一转子和第二转子中的一个或者两个包括具有可变节距的叶片；
其中，在使用时，输出端的转速通过所述第一转子和所述第二转子的相对转速确定，且通过所述叶片的角度位置控制，从而所述发电机在风或水的速度变化的情况下产生具有期望频率的电力；
其中，所述第一转子和所述第二转子的相对转速能够在使所述第一转子和所述第二转子以相同方向旋转的范围和使所述第一转子和所述第二转子以不同方向旋转的范围之间变化。
2.如权利要求1所述的双转子结构，其中，所述第一输入端连接到所述行星齿轮箱的环形齿轮，所述第二输入端连接到所述行星齿轮箱的行星齿轮架，且所述输出端连接到所述行星齿轮箱的恒星齿轮。
3.如权利要求1所述的双转子结构，其中，所述第一转子位于所述第二转子的上游。
4.如权利要求3所述的双转子结构，其中，所述第一转子定位在所述第二转子的上风侧，且所述第一转子具有比所述第二转子小的直径，在使用时所述第二转子至少部分地远离所述第一转子操作引起的涡流定位。
5.如权利要求2所述的双转子结构，其中，所述第一转子位于所述第二转子的上游。
6.如权利要求5所述的双转子结构，其中，所述第一转子定位在所述第二转子的上风侧，且所述第一转子具有比所述第二转子小的直径，在使用时所述第二转子至少部分地远离所述第一转子操作引起的涡流定位。
7.如权利要求1所述的双转子结构，其中，所述输出端经由高速中间轴和高速输出轴连接到发电机。
8.如上述任一项权利要求所述的双转子结构，其中，所述第一转子和所述第二转子定位在所述双转子结构的上风侧。
9.一种风力或水力涡轮机，包含如权利要求1到8中任一项所述的双转子结构。
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