CN103967706A - 10mw级座台式复合风轮发电机系统 - Google Patents

Abstract

10MW级座台式复合风轮发电机系统，是在原有座台式水平涡轮机组的基础上，利用导流体的遮蔽作用，为所增加的垂直轴风轮机创造更好的发电条件，从而产生更大的电力输出的改进型系统，可截获更多风能，增加发电量；同时作为槽体承载物的座台结构又省略了塔筒和变桨装置，扩展了发电风速区间范围，座台所执行的偏航功能扩展到偏航、调风和辅助制动，并将执行地点从高空移到平地操控，新设计解决了大型化带来的许多技术难点，有望降低单位功率装机成本。

Description

10MW级座台式复合风轮发电机系统

发明领域

本发明属于机械电气技术领域，具体地说，是提出一种用座台式结构承载导风体水平轴涡轮机和垂直轴风轮机组成的复合式风力涡轮发电系统装置。

背景技术

风力涡轮机是将风的动能转变为适合发电机轴旋转的机械能，带动发电机旋转发电的新能源装置，产业实践证明，在目前广泛使用的水平轴涡轮机中，单机功率的增大，有利于降低单位功率装机容量的成本和风力发电的度电成本，因此，单机额定功率容量不断增大，水平轴涡轮机的单机功率已普遍从上世纪末的兆瓦级升高到目前的3～6兆瓦级，并正向10～20兆瓦的目标迈进，这是风电技术发展的总趋势。为增加截风面积，叶片的长度也在材料技术和制造工艺技术进步的基础上不断增长，但由于叶片的悬臂梁结构强度低，难以承受强剪切力，有资料表明，在特大型涡轮机中，叶片长度的提高，可使额定功率成平方函数增加，而制造成本却成立方关系增长，所以单机功率的提高受到叶片经济性技术性的双重制约，现有传统技术都已很难满足单机功率大幅提升的需求，此外，大型化同样会受制于其他风电配套部件，例如发电机体积和重量也随之增大，包括塔筒、变桨和对风偏航等系统性问题也日益突出，都有待涡轮机技术方案的突破。

发明内容

本发明的目的是对中国发明专利申请201310006369.9，《10MW级座台式导风体涡轮发电机系统》的改进，即在原有水平轴涡轮发电机的基础上，增加至少二个系列的垂直轴风轮机复合结构组成的座台式风力发电系统装置，以提高系统的发电量。

本发明的措施是借助水平轴蜗轮机的导流槽，用来遮挡垂直轴风轮机逆向旋转的半边风轮，以增加垂直轴风轮机发电量的系统装置，本发明的系统是这样构建的，一种以导风体涡轮发电机系统为基础的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，水平轴涡轮发电机组(1)中的涡轮机叶片处于由导流槽体构成的导风体(2)的中间最窄风道位置；机组(1)和导风体(2)都安装在座台(3)上；座台(3)可以在水平面内转动对风，执行偏航、调风和辅助制动停机的功能；在导风体(2)的左右二边座台上，还对称分布有二组垂直轴风轮机(4)，二组垂直轴风轮机(4)的转向相反。

本发明的座台式复合风轮发电机系统的优点是明显的，首先，垂直轴风轮机可以在原有座台式导风体水平轴涡轮发电机的基础上进一步增加垂直轴风轮机的发电量，使系统比原有单一的水平轴涡轮发电机具有更大的发电容量；其次，利用导风体的阻拦功能，减少了垂直轴风轮机，特别是阻力型风轮机的反向风阻力，有利于提高垂直轴风轮机的发电效率和发电量；第三，两种不同机组的结构件可以相互连接增加系统刚度，有利于降低强风造成的损毁风险，并增加强风速下的发电量。

附图说明

图1、本发明的座台式复合风轮发电机系统的平视结构简图。

图2、座台式复合风轮发电机系统的俯视结构简图。

图3、二段式垂直轴风机的座台式复合风轮发电机系统的侧视结构简图。

图4、座台的侧视结构简要示意图。

图5、荷重仅作用在地基平台的座台剖面侧视简要示意图。

图6、带有防倾倒钩的轨道式座台轮系。

具体实施方式

图1所示为本发明的座台式复合风轮发电机系统的平视结构简图。在图1中，涡轮机(1)的叶片处于由导流槽体构成的导风体(2)的中间最窄风道位置，涡轮机后端为发电机，二者直接连接，构成一个整体，整个机组的重力作用在导风体(2)上，然后通过导风体传递到座台(3)上，或者通过轴承作用在中心轴(32)上；中心轴固定于基础地平(5)中，因此，座台(3)可以围绕中心轴在水平面内转动对风，执行偏航、调风和辅助制动停机的功能。

涡轮机(1)的叶片处于由导风体(2)构成的导流槽体的中间最窄风道位置，进入导风体中的全部风流都受到导流作用流向槽体的中央，形成比原来风速高、密度大的集中动能吹向涡轮机，所以涡轮机的叶片就不需要像原来那么长、那么少的三叶片，就可以参照蒸气轮机或燃气轮机中的短叶片和多叶片形态，而采用中速涡轮叶片，以及单级或多级涡轮叶片。图中作为示意，画出的六叶片，只是一种示意方案，包括导风体设计在内的涡轮机具体叶片的数量、形状和级数，应根据空气动力学原理，区别低速和高速下涡轮机参数的悬殊差异，构成一种新的中速涡轮机。因此，本发明系统涡轮机(1)应根据涡轮机叶片处风速范围，按中速涡轮叶片线形、叶片数量和叶轮级数设计制造。

导风体(2)相当于一段中间细，两端粗的管槽，涡轮发电机组刚好位于管槽中部最窄的位置。导风体(2)是按空气动力学原理设计的、能将一个大面积内的风流浓缩、增压、加速后集中在导流体合适位置，在该位置上安置的涡轮机就能产生比无导风体的机组强得多的风能量，使涡轮机的转速和输出功率有较大提升，上海理工大学能源与动力工程学院有关导流型垂直轴风力机的研究资料表明，在相同来流条件下，加导流型风力机的总转矩要比无导叶的风力机的扭矩大了近9倍。

在导风体(2)的左右二边，各有一组垂直轴风轮机(4)，从进风方向看，左边风轮机的右半部分刚好被导风体的左半部分阻挡，所以当正方向的风吹来时，左风轮机顺时针转动；同理，右边风轮机的左半部分刚好被导风体的右半部分阻挡，所以当正方向的风吹来时，右风轮机将作逆时针转动，可见，二组垂直轴风轮机(4)的转向相反。二风轮机轴的顶端有水平构件连接以防止风轮机转动时轴上部的晃动，增加刚度和稳性。风轮机的发电机安装在座台平台上。

图2为座台式复合风轮发电机系统的俯视结构简图。该图可看作一幅将导风体(2)的上半部分切割后，从上往下俯视所能看到的结构示意图。涡轮机(1)的后面是于其连轴的发电机。

导风体(2)有二大类型——刚体构造和柔性构造，刚体构造通常由薄壁金属材料、塑料、玻璃钢、木板材料及其支撑物构成。如采用刚性薄壁金属材料或玻璃钢的导风体结构，其前后缘通过诸多桩位固定在座台平台上，示意图中用6块桩位表示，实际桩位的数量和位置根据需要确定，以保证导风体有足够的抗风强度。而图1中的导风体(2)前后缘采用整体与座台平台连接的安装方案，安装结构与图2略有不同。

近来，采用膜结构的柔性构造物在建筑业中得到可观应用，所以，膜结构也很适合建造导风体。膜结构、或称索膜结构，包括充气式膜结构、张拉式膜结构、骨架式膜结构、组合式膜结构等新建筑结构形式，可以按系统设计要求，在导风体中得到广泛应用。

为便于安装维修保养，在座台平台上有舱口可以通到座台轮系部分，所以图2可以看到轮系的位置。

图3为二段式垂直轴风机的座台式复合风轮发电机系统的侧视结构简图。在垂直轴风轮机中，转轴非常长，即使轴的顶端有水平构件连接增加刚性，中部还可能在转动时产生晃动，为此可以采用带轴承的刚性构件(41)，加上轴承，抱住长轴，刚性构件可让轴转动，但不让其晃动，该种结构，称为二段式同轴结构垂直轴风轮机，此时，垂直轴风轮机的叶片必须在中间留出空档，以避免与刚性构件(41)碰撞，如果将长轴分成三(多)段，也就是说有二个以上刚性构件(41)，就是三(多)段式，刚性构件(41)的个数并有限制，可根据轴的需要任意设置。另一方案称为多段式异轴结构，是将垂直轴风轮机分成上下两部或多部，使一台垂直轴风轮机拆分成为二台或多台风轮机，各台风轮机的系统都通过各自的轴承围绕共同的立轴转动，转速可以不同，二台或多部风轮机通过各自的转轴带动各自的发电机独立发电，然后共同向汇流排供电，异轴结构中的刚性构件(41)本身不需要轴承。图3即为带刚性构件(41)的同轴结构二段式垂直风轮机的座台式复合风轮发电机系统的侧视结构简图。

本发明中的水平轴涡轮机的发电机与涡轮机直接联轴，发电机可以是直驱型同步交流发电机，包括励磁式或永磁式同步机，可以是半直驱型同步交流发电机或半直驱型双馈异步交流发电机，如果涡轮机的转速足够高，也可采用直驱型双馈异步交流发电机，如认为涡轮机转速还不够高，也可在涡轮机和交流发电机之间增加齿轮箱增速，以提高同步发电机或异步双馈发电机的转速。总的说来，由于本系统中水平轴涡轮机的转速明显高于传统风电机组，所以本系统的发电机转速有显著提高，从而对齿轮箱的依赖减弱，利于风电机组的直驱化。也可以采用同步/异步二次发电机，其优点表现在细长的机体直径对风流阻力小，且绝对无刷化，详见中国专利ZL200420091099.2《低速无齿轮箱直接驱动的瘦长型风力发电机》。

垂直轴风轮机中的发电机的转速比水平轴涡轮机的发电机的转速低得多，原因之一是直轴机的转速本来就比平轴机低，原因之二是本发明的平轴机采用中速涡轮机，转速更比传统平轴机高，所以发电机的功率利用率高，但直轴机中的发电机必须采用低速发电机，例如永磁或励磁型同步直驱机，或同步/异步二次发电机；也可以是半直驱型交流发电机；采用增速齿轮箱以提高转速，再连接双馈异步发电机或高速同步发电机。直轴机增加的齿轮箱可以直接加在轴上，比较方便，尤其是异轴二段式或多三段式直轴机，可以将齿轮箱和发电机安装在刚性构件(41)上。

图4为座台的侧视结构简要示意图。座台(3)作为所有直轴机组和平轴机组共同的承载体，是本发明中的重要大部件。座台(3)中的附件主要有座台中轴(32)、座台轴承(33)、座架(34)和座台轮系(31)。在图4中，平轴机组的荷重作用在座台中轴(32)上，图中所表示的上下二个座台轴承(33)，上面的一个为轴向轴承，下面的一个为径向轴承，说明平轴机组的重量分布在轴上。轴承可以是滑动轴承，也可以是滚珠或滚柱轴承。

座台中轴(32)可以用中空结构，上面可以加装滑环，电刷则安装在座台上对应滑环的位置，便于让系统与地面装置互送电力，电缆则穿过中轴外接电网。当然也可像传统机组一样采用电缆直接传递电力并增加电缆解缆功能而省略滑环电刷。

图5为平轴机组的荷重仅作用在地基平台的座台剖面侧视简要示意图。在该图中，座台(3)是用于安装和支承平轴机组的荷重的平面，图中的两个座台轴承(33)主要采用径向轴承，意味着座台中轴(32)只起定位防侧移作用，基本上不再承担机组的重量。图4和图5中的座台轴承(33)可能不至二组，也可能有多组，包括径向轴承和轴向轴承。

座台上有足够空间安装系统的变流、控制、保护等设备，变压器和变电站也可设置在平台上。平台外的地面设置短梯，以方便人员上平台操作和维护保养。

在座台下面是座架(34)，座架(34)是连接座台(3)和座台轮系(31)的结构物。

座台轮系(31)是机组全部或部分重量落地的支承体，同时又要使整个系统能在水平面内自由转动，所以是系统的重要结构物。轮系是一组处于相对于中轴等距离的、且均匀分布的轮组，为了增加有效载重，可以在不同半径上设置多组轮组。

座台轮系可以采用重载实心胶轮或充气胶轮，也可采用钢轮或轨道轮。钢轮通常与工字钢配用，工字钢铺在地基平台上并固定，当采用轨道轮时，轨道轮下可以采用重型钢轨铺在地基平台上并固定，供轨道轮在其上部滚动。轮系的部分或全部轮子上有驱动电机和制动器，称为轮系分散驱动/制动。

除了上节所述轮系驱动方案外，另一种驱动座台转动，达到偏航对风目标的方案称为座台中轴集中驱动/制动，就是在座台中轴(32)处设置驱动电机，通过中轴与驱动电机齿轮对的啮合，整个座台就可以偏转，制动器同时设置在该驱动电机中。对系统来说，要么采用分散的轮系驱动/制动，要么是集中的中轴驱动/制动。

座台(3)为机组的承载体，可以在水平面内转动对风，即在中低风速时，座台偏转执行偏航的功能，正对来风方向，以得到最多的风能多发电；在很高风速时，也可以执行调风功能，即在超过原有传统风机切出风速的强风时，使机组偏离正风向一个角度继续发电，实际上达到了调节风量的目的，可见导风体可以使低风速变成高风速，降低切入风速，提前发电；而在强风下，座台偏转又可使系统偏离正风向，起着调风的功能，又能提高系统的切出风速，使超出原有的切出风速必须弃风停机的状态改变为继续能借风产电，扩大了发电风速的范围，所以说本发明系统的发电能力高于现有传统水平轴风机。

由于系统功率的提高，以及发电风速范围的扩大，特别是高风速下能比传统风电机组多发电，所以制动成为保护机组安全的重要功能，本系统是通过座台转动避风，逐步降低涡轮机或风轮机转速；当涡轮机或风轮机转速降到适合制动的安全值下时，制动器才启动实现制动，达到辅助制动的目的。

图6为一种带有防倾倒钩的轨道式座台轮系(31)，图6中，轮系与座台平台的连接体(312)称为“T”字架，其下端到达轮系的轴承以下，驱动电机和制动器(314)驱动或制动轨道轮(313)转动，实现多电机分散驱动。“A”字架(311)上端和下端固定在“T”字架上，其两个下端有倒钩突出物(3111)，突出物嵌入轨道垂直部分但不能与轨道接触，既能防止轨道轮出轨，又可防止强风掀翻系统，增加系统的安全性。另一种与偏转制动和防倾倒相结合的结构称为抱轨制动机构，驱动电机(314’)中不设制动器，在平时，抱轨机构总是抱住轨道两边，使系统锁紧在轨道上；当座台平台需偏转前，先使抱轨机构脱抱，然后再启动驱动电机运转，使座台平台在轨道上行走，驱动电机运转结束，抱轨机构再次抱轨。

从以上的叙述中可以发现，本发明靠导风体将风能浓缩到涡轮机，所以即使在相同的截风面积下，其捕获的风能都可能比传统三叶涡轮机多，可以得到更多风电，同时也解决了涡轮机叶片长度的制造和成本问题。由于涡轮机转速升高，发电机的体积重量可以相应降低，同时效率也得到提升，对齿轮箱的依赖也不像现有大型风机这么严重，更易实现直驱化。

本发明的第二大特点是采用了座台结构，如果从采用导风体来说，座台结构似乎是应对导流槽体安装的被动之举。但是，从积极面考虑，座台可以在水平面内转动对风，执行偏航、调风和辅助停机制动的功能，其安装和检修基本上在地面执行，更利于降低维护保养的成本。

虽然增加导风体和座台会增加系统的额外重量和成本，但是风叶和发电机的重量可以减轻，加上塔筒取消，齿轮箱可能取消所带来的重量消减，有可能使系统单位功率重量指标超越传统机组。

本发明的第三大特点是采用了平轴机和直轴机相结合的方式，是对中国发明专利申请201310006369.9，《10MW级座台式导风体涡轮发电机系统》的改进，即在原有水平轴涡轮发电机的基础上，增加二个系列的垂直轴风轮机组成的复合结构风力发电系统装置，以提高系统的发电容量。两种不同机组的结构件可以相互连接增加系统刚度，还有利于降低强风造成的损毁风险，同时还增加了强风速下的发电量。

本发明取名10MW级，虽仅指当前的超大型级别的风电机组，但并不意味着本发明仅限于该等级的机组系统，在取得实际运行经验后也可以用于高功率级别和低功率级别的其他功率级别机组，所以本发明的保护范围应该包括采用本发明结构的各种功率等级的风电系统。

Claims (9)

1.一种座台式复合风轮发电机系统，系统由风力涡轮机、导风体和发电机为主件组成的，其特征为，水平轴涡轮发电机组(1)中的涡轮机叶片处于由导流槽体构成的导风体(2)的中间最窄风道位置；机组(1)和导风体(2)都安装在座台(3)上；座台(3)可以在水平面内转动对风，执行偏航、调风和辅助制动停机的功能；在导风体(2)的左右二边座台上，还对称分布有二组垂直轴风轮机(4)，二组垂直轴风轮机(4)的转向相反。

2.权利要求1所述的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，垂直轴风轮机(4)的左边风轮机的右半部分刚好被导风体的左半部分阻挡，所以当正方向的风吹来时，左风轮机顺时针转动；其右边风轮机的左半部分刚好被导风体的右半部分阻挡，所以当正方向的风吹来时，右风轮机将作逆时针转动；二风轮机轴的顶端有水平构件连接以防止风轮机转动时轴上部的晃动，以增加刚度和稳性。

3.权利要求1或权利要求2所述的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，垂直轴风轮机(4)采用带刚性构件(41)的多段式同轴结构或独立发电的多段式异轴结构。

4.权利要求1或/和权利要求2所述的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，水平轴涡轮机的发电机为直驱型励磁式或永磁式同步机、半直驱型交流发电机、带齿轮箱增速的同步发电机或异步双馈发电机或同步/异步二次发电机中的一种；垂直轴风轮机的发电机为永磁或励磁型同步直驱机，或同步/异步二次发电机，或半直驱型交流发电机，或带增速齿轮箱的双馈异步发电机或高速同步发电机。

5.权利要求1所述的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，座台(3)为平轴机组的荷重作用在座台中轴(32)的结构或者平轴机组的荷重作用在地基平台的结构。

6.权利要求1和权利要求5所述的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，座台轮系(31)为重载实心胶轮，或充气胶轮，或钢轮，或轨道轮的一种。

7.权利要求1和权利要求5所述的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，座台转动采用座台轮系分散驱动/制动，或座台中轴集中驱动/制动中的一种。

8.权利要求1所述的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，座台轮系(31)为带有防倾倒钩的轨道式座台轮系，或者带有抱轨制动机构的轨道式座台轮系。

9.权利要求1或权利要求2所述的座台式复合风轮发电机系统，其特征为，系统的功率等级为高于10MW级别或低于10MW级别的各种功率级别风电系统。