CN103967707A - 10mw级座台式感应子风力发电机系统 - Google Patents

Abstract

10MW级座台式感应子风力发电机系统。采用座台式新结构的风力发电机系统，不单可以省略变桨系统，而且可以实现对风偏航和调风，提高切出风速，提高挥系统在大风中的发电量，同时也为采用更经济的感应子风力发电机创造了条件，本发明设计的感应子的转子放在二段风叶的连接环上，电机为开启式结构，绕组和磁体同处定子上，同时利用定转子的磁拉力实现准磁悬浮结构，主轴承的受力状况改善，有利于减摩降噪。

Description

10MW级座台式感应子风力发电机系统

发明领域

本发明属于机械电气技术领域，具体地说，是提出一种采用座台式承载体结构的水平轴感应子风力发电机系统装置。

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发电机中，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10～20兆瓦级的目标迈进，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，受剪切力影响难以继续增加长度，有资料表明，在特大型涡轮机中，随着叶片长度的提高，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限制，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

本发明的目的是解决大型化所带来的超长叶片、超重机舱，以及偏航装置、机械制动等多种技术挑战，有必要采用新的涡轮叶片结构和发电机结构相结合的方法来解决大型化所产生的问题，那就是采用带环的二段叶片，而环上安装的发电机转子又使发电机大直径化和轻量化，而所有这些改进，必须采用大型风电系统的新结构——座台才能实现。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》提出的座台式构造为风电系统的大型化开创了新思路，本发明是对不采用上述发明的导风体而创新的另一种大型化风电系统的技术方案。

本发明的大型水平轴风力发电机系统主要由涡轮机、轴系、制动器、发电机、塔架和座台组成，其特征为，涡轮机由长短二段叶片组成，短叶片(2)一端连接在涡轮机主轴(1)的轮毂上，另一端通过连接圆环(4)与长叶片(3)相连；发电机为感应子发电机，发电机的定子(5)固定在塔筒(6)上，感应子转子(41)安装在连接圆环(4)上；主轴(1)上只安装制动器(7)；塔筒承载着整个涡轮发电机组的重量并固定在座台(9)上；座台(9)可以水平旋转对风，执行偏航、调风和辅助制动的功能。

本发明的技术效果是多方面的，首先叶片通过连接圆环分为二段，一是减少了长叶片的弯矩，改善受力状况，也降低了制造和运输的成本；二是采用开放式的大直径的感应子交流发电机增加磁力线切割速度，有利于降低发电机重量，更有利于通过自然风解决电机散热问题；采用座台结构，既可以偏航对风，又可以执行偏航、调风和辅助制动的功能，从而既省略变桨装置，降低成本，同时又可提高切出风速，增加发电量。

附图说明

图1、本发明的座台式感应子风力发电机系统的上部结构简图。

图2、感应子发电机原理示意图。

图3、双边定子感应子发电机示意图。

图4、本发明系统的座台结构示意图。

图5、单边感应子发电机的磁悬浮结构原理图。

图6、一种带有防倾倒钩的轨道式座台轮系结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明系统的上部结构图。从图中可以看出，在主轴(1)的轮毂上，安装有短叶片(2)，然后短叶片(2)又与连接圆环(4)连接，所以短叶片(2)不再是单端悬臂梁，强度得到提高，此时再将长叶片(3)连接在连接圆环(4)上，相当于将叶片缩短，或相当于将传统涡轮机叶片分成二截，中间的连接得到加强，叶片的刚度和强度都得到提高。短叶片(2)可以采用三叶片，也可采用三个以上的多叶片，如图中即为五叶片，短叶片与长叶片可以交叉配置，以减少塔筒对风力的塔影效应，风轮机旋转更平稳。对于10MW级风力涡轮机来说，叶片总长度约在80～100米之间，其中一种方案是，可以分配短叶片(2)约在20～45米而长叶片(3)约在50～60米之间，当然具体分配应兼顾涡轮机和发电机的空气动力学仿真、样机实验、性能优化和经济性具体确定。

感应子发电机是利用感应子(带齿槽的转子)的齿部和槽部磁导的不同(齿上气隙磁通密度较高，槽上磁通密度较低)，在感应子转动时，使定子电枢绕组的磁链周期性脉动，从而在绕组中产生感应电动势的交流发电机。其电枢绕组和磁体都嵌在定子铁心上，转动的感应子上没有绕组，只是一个表面均匀开槽的转子。因此，感应子发电机结构简单，可以有较高转速。感应子发电机曾在铁路客车中广泛采用，是一项成熟技术。

从图1中可以看出，本发明所采用的为非整圆形体的、开放式的单边定子感应子发电机，包括多种感应子发电机结构，单极式或多极式，倍齿距式或等齿距式，图示仅以单极等齿距式一例加以说明。

图2所示感应子发电机由定子和转子组成，为方便作图，将曲面以平面表示。发电机的绕组和磁场都在定子上，转子结构也很简单，这是感应子发电机的结构上的优点所在。发电机定子(5)固定在塔筒(6)上，定子上有感应绕组(51)与定子磁路(52)耦合，在感应绕组之间交错安置磁极(53)，相邻磁极的极性相反，磁极可以采用永磁体，例如普通的氧化铁磁体，也可以是钕铁硼等超强磁体；也可以采用励磁型电磁铁，由于感应子发电机的磁极在定子上，所以励磁电流可以直接从系统的电源上流入，不必采用滑环电刷等有刷传输。与普通发电机不同的结构，本发明发电机的感应绕组和转子呈开放式结构，处于空间开阔位置，适合于空气冷却散热，随着风速的提高，发电机输出功率增大，一方面绕组铜损发热增加，定子、转子铁损增加，但是另一方面随着风速的增加，散热能力也同时增强，二者恰好形成自适应的良好配合，有利于解决大型发电机的散热问题，所以，困扰工程设计的发电机热容量问题，在本发明的发电机中，远比现有传统电机容易解决。

感应子(41)则安装在连接圆环(4)上。当风力涡轮机转动时，由于感应绕组所耦合的定子磁轭中的磁力线不断变化，感应绕组中产生感应电压，即可向外部提供交流输出功率。

图中所列为发电机的其中一组定子，所发电能为单相电，按不同角度安装二组或多组即可使发电机成为二相或多相发电机，二相或多相发电机间的磁极分布可以错开一定距离，以减少发电机的“齿槽效应(coggingeffect)”，既能减少发电机的齿槽阻力，更能降低齿槽谐波损失。

本发明结构的感应子发电机采用非整圆形体，定子仅为电机的一部分而不是整台电机，其转子则是整体无缺的，由于转子直径远比普通风力发电机的转子直径大，所以切割磁力线的线速度也很大，意味着定子绕组有较大的感应电压和功率输出能力，这就可以用部分定子的电机发出以往需要整台电机的功率水平，可以较大幅度地降低发电机重量和制造成本。此外，发电机采用开放式结构，利用自然风解决发电机的冷却问题，风力增大时，电机发热增加，风的冷却能力同样提高，刚好能带走更多的热量而形成发热和散热的平衡。发电机定子和转子间有定位滚轮，以控制电机气隙。

图3所式为双边定子感应子发电机示意图。与图1的区别是，单边定子感应子发电机只在转子的一侧布置定子体，而双边定子感应子发电机可在转子的两侧都布置定子体，二边定子体结构基本相同，只是转子内边的定子电磁面为凸面而转子外边的定子电磁面为凹面，如果涡轮机能提供足够的驱动功率，则双边定子感应子发电机可以使系统输出功率加倍。

图4所示为本发明系统的座台结构示意图。在图4中，塔筒(6)通过连接法兰盘安装在座台平台上，连接法兰盘可以放在塔筒内缘，也可以放在塔筒外缘，图中显示的是放在塔筒外缘。从上往下看，座台(9)包括座台平台(10)、座台座架(11)和座台轮系(12)。座台平台(10)用于安装本发明的机电系统，座台座架(11)是座台平台(10)和座台轮系(12)之间的结构物，座台轮系可以在地基平台(13)上滚动，座台平台(10)通过平台轴承(8)围绕平台中心轴(7)旋转，平台中心轴则固定在地基上。座台平台(10)与地基平台(13)保持平行关系并可在水平面内自由转动。座台轮系可以由多个轮组均布在某半径的座架下，也可以均布在多个半径的座架下。有了坚固的座台依托，系统中所有的部件都可以抵御强风的影响，并能在强风中继续发电。

图5所示为单边感应子发电机的磁悬浮结构原理图。系统中，借助于本发明特殊的电机结构，利用发电机磁体的磁力，特别是利用永磁体的磁吸力，可以构筑一种准磁悬浮结构，如图5所示。

适当配制磁体的强度、定转子间隙和转子轴向长度，使定转子之间的磁拉力Fm与整个转子的重力Fg相平衡或接近平衡，即可达到准磁悬浮的效果。增加磁悬浮结构后，涡轮机主轴轴承将不承载或少承载转子重量，达到减少摩损和噪声，提高可靠性和寿命的目标。

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。轮系的各个轮子上有驱动电机和制动器，称为座台轮系分散驱动/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。

图6为一种带有防倾倒钩的轨道式座台轮系结构示意。图6中，轮系与座台平台的连接体(122)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(124)驱动或制动轨道轮(123)转动，实现多电机分散驱动。“A”字架(121)上端和下端固定在“T”字架上，其两个下端有倒钩突出物(1211)，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，轨道轮(123)在轨道(131)上滚动，圆环形轨道(131)则铺设并强固在地基平台上。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(124’)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，系统在轨道上行走，驱动电机运转结束，抱轨机构再次抱轨。

关于座台式结构的详细内容，可以参考中国发明专利申请《10MW级座台式导风体涡轮发电机系统》和《10MW级座台式复合风轮发电机系统》的有关说明。

座台式风力涡轮机系统的对风，或者称偏航，是靠整个座台旋转对风的，在小于额定风速时，系统正对风向，以从风中获得最多的能量，当超过原有普通风轮机的额定风速时，可以采用调风的方法，使系统偏离风向一定角度继续发电，以防止发电机过载，由于系统结构强度的提高，且可通过偏转座台调节扫风面积，所以座台式风力涡轮机系统的切出风速较普通风力涡轮机系统为高，也就增加了可供发电的风速范围，可以增加产电量。

如果系统出现异常需要强制制动涡轮机时，可以使系统偏离风向，直至涡轮机转速非常低甚至停转时进行制动。这是系统在制动方面的一个优点。

本发明系统的变桨装置只设置在短叶片(2)或长叶片(3)上，也可采用固定桨距的叶片而省略变桨装置。由于有二段风叶，所以变桨装置可以设置在短叶片(2)上，也可以设置在长叶片(3)上，不必在两种叶片上都设置变桨装置，通常将变桨装置放在长叶片上；考虑到本发明可以利用座台对风、调风，所以也可采用固定桨距的叶片而省略变桨装置，以降低系统成本和运行费用。

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 (10)

1.一种座台式感应子风力发电机系统，系统主要由涡轮机、轴系、制动器、发电机、塔架和座台组成，其特征为，涡轮机由长短二段叶片组成，短叶片(2)一端连接在涡轮机主轴(1)的轮毂上，另一端通过连接圆环(4)与长叶片(3)相连；发电机为感应子发电机，发电机的定子(5)固定在塔筒(6)上，感应子转子(41)安装在连接圆环(4)上；主轴(1)上只安装制动器(7)；塔筒承载着整个涡轮发电机组的重量并固定在座台(9)上；座台(9)可以水平旋转对风，执行偏航、调风和辅助制动的功能。

2.权利要求1所述的座台式感应子风力发电机系统，其特征为，发电机定子为非整圆形体的、开放式的单边定子感应子发电机或双边定子感应子发电机。

3.权利要求1或权利要求2所述的座台式感应子风力发电机系统，其特征为，发电机为单极式或多极式，倍齿距式或等齿距式结构；磁极为永磁体或励磁型电磁铁。

4.权利要求1或权利要求2所述的座台式感应子风力发电机系统，其特征为，发电机定子磁场采用钕铁硼超强磁体。

5.权利要求1所述的座台式感应子风力发电机系统，其特征为，发电机为具有准磁悬浮结构的单边定子感应子发电机。

6.权利要求1所述的座台式感应子风力发电机系统，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。

7.权利要求1所述的座台式感应子风力发电机系统，其特征为，座台轮系(12)为重载实心胶轮，或充气胶轮，或钢轮，或轨道轮的一种。

8.权利要求1或权利要求6所述的座台式感应子风力发电机系统，其特征为，座台轮系(12)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所述的座台式感应子风力发电机系统，其特征为，变桨装置只设置在短叶片(2)或长叶片(3)上，也可采用固定桨距的叶片而省略变桨装置。

10.权利要求1所述的座台式感应子风力发电机系统，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。