CN108708820A - 一种风力发电机及其安装施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了风力发电机及其安装施工方法，包括轮毂、机舱和叶片组件，轮毂固定在机舱的转轴上，叶片组件包括一个固定设置在轮毂上的固定叶片，固定叶片与轮毂具有一连接点，叶片组件还包括活动叶片，轮毂内设有驱动件，轮毂上设有转动轨道，驱动件连接活动叶片并驱动活动叶片沿转动轨道移动；转动轨道的终点与连接点之间的连线平行于转轴设置，转动轨道的起点与连接点位于同一圆周上。减小受风面积，在极端天气情况下，风荷载将大大降低；活动叶片收拢时，降低了风力发电机整体重心，让风力发电机更稳定；降低叶片高度，减小弯矩荷载和疲劳损坏；极大程度上提高了风力发电机的安全性。

Description

一种风力发电机及其安装施工方法
技术领域
本发明涉及风力发电设备，尤其涉及一种风力发电机及其安装施工方法。
背景技术
当今世界，常规能源供需紧张、对环境污染严重，世界各国已形成大力发展成熟清洁能源、降低环境持续恶化的压力的共识。风能相对其他可再生能源来说，具有分布范围广、安全可靠、技术成熟、用之不尽的天然优势，作为新能源的发展受到了越来越多的关注。
随着内陆剩余可开发风资源越来越少，风场建设选址也越来越向沿海倾斜，尤其是海上风电受到了前所未有的关注。截至2017年底，全球累计海上风电容量达到17.5吉瓦，在新增容量的增长方面，中国市场份额达到22％。预计2018年全球共计将新增3.9吉瓦海上风电并网容量，2017～2026年间，全球海上风电产业将稳健发展，复合平均增长率将达到16％。
而沿海或海上风电面临着较严重的极端气候问题，特别是国内东南等地区的台风天气频发，对风力发电机的安全问题造成了较大的威胁。注意到，近些年有相关文献提出折叠式风力发电机叶片来提高风机的抗台风性能，这种方式的缺点主要是破坏了叶片的结构完整性，降低了叶片整体结构强度，改变了风机叶片动力学特征，影响了单位扫风面积下的发电效率。另外，海上环境恶劣，折叠式叶片的防腐问题将变成新的挑战。
目前，国内风机安装主要分为整体式吊装和分体式吊装两种形式。整体吊装一方面需要配套特制的大型吊装运输设备，施工过程精度要求较为严格，尤其对海上风电来说，大型吊机、专用运输船舶等，提高了前期投入；另一方面，整体吊装一般在岸上将风机组装完毕，通过特制的运输设备，把组装好的风机运输到安装地点，整个运输安装过程中对海洋水文气象，波浪涌流等有着严格的要求，施工窗口期受限。分体吊装主要是通过大型浮吊，风机安装船等设备分步把风机塔筒、机舱、轮毂和叶片吊装拼装，针对海上风电来说，造成海上施工时间较长，工序繁多，难以合理有效地利用有限的施工窗口期，且对组织协调要求高，存在较大的安全风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种安全性能好能够应对台风等极端天气的风力发电机以及安装该风力发电机的施工方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种风力发电机，包括轮毂、机舱和叶片组件，轮毂固定在机舱的转轴上，叶片组件包括一个固定设置在所述轮毂上的固定叶片，所述固定叶片与轮毂具有一连接点，所述叶片组件还包括活动叶片，所述轮毂内设有驱动件，所述轮毂上设有转动轨道，所述驱动件连接所述活动叶片并驱动所述活动叶片沿所述转动轨道移动；所述转动轨道的终点与所述连接点之间的连线平行于所述转轴设置，所述转动轨道的起点与所述连接点位于同一圆周上。
为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：风力发电机的安装施工方法，包括如下步骤：
步骤1，叶轮组装，将叶片组件与轮毂拼装，得到叶轮，其中，活动叶片位于转动轨道的终点；
步骤2，叶轮和机舱拼装，将步骤1组装好的叶轮与机舱拼装在一起，得到半成品，其中，所述轮毂与所述机舱的转轴固定连接；
步骤3，吊装塔筒，使用风机安装船吊装风力发电机的塔筒；
步骤4，整体吊装，使用风机安装船整体吊装步骤2所得半成品，将步骤2所得半成品安装到塔筒的顶部；
步骤5，调整叶片位置，通过驱动件驱动活动叶片移动到所述转动轨道的起点；
其中，步骤1在陆地或风机安装船上进行；步骤2在陆地或风机安装船上进行。
本发明的有益效果在于：当台风等极端天气来临时，活动叶片可以与固定叶片收拢在一起，从而减少受风面积使风载荷大幅度降低，进而减少叶片疲劳应力，利于提高风力发电机的安全性，同时，降低了风力发电机整体的重心，让风力发电机更稳定；另外，活动叶片位于转动轨道的终点时，可以竖直向下，便于更换维修。本发明的施工方法综合了整体施工法和分体施工法两者的优点，可以在陆地上进行风力发电机部分结构的装配，施工单位可以充分利用海上施工的窗口期，加快项目进程。
附图说明
图1为本发明实施例一的风力发电机的右视图(活动叶片张开时)；
图2为本发明实施例一的风力发电机的正视图(活动叶片张开时)；
图3为本发明实施例一的风力发电机的右视图(活动叶片收拢时)；
图4为本发明实施例一的风力发电机的正视图(活动叶片收拢时)；
图5为本发明实施例一的风力发电机的安装施工示意图。
标号说明：
1、机舱；
2、转轴；
3、轮毂；
4、固定叶片；
5、第一可转动叶片；
6、第二可转动叶片；
7、第一轨道；
8、第二轨道；
9、连接点；
10、塔筒；
11、基座；
12、风机安装船；
13、缆风绳。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：将叶片组件分为固定叶片和活动叶片，活动叶片沿轮毂上的转动轨道可移动设置，在极端天气中，活动叶片可以与固定叶片收拢在一起。提出了一种分部整体吊装方法，兼具整体式吊装和分体式吊装的优点，不需要大型专用运输设备，海上施工时间少且安全高效。
请参照图1至图5，一种风力发电机，包括轮毂3、机舱1和叶片组件，轮毂3固定在机舱1的转轴2上，叶片组件包括一个固定设置在所述轮毂3上的固定叶片4，所述固定叶片4与轮毂3具有一连接点9，所述叶片组件还包括活动叶片，所述轮毂3内设有驱动件，所述轮毂3上设有转动轨道，所述驱动件连接所述活动叶片并驱动所述活动叶片沿所述转动轨道移动；所述转动轨道的终点与所述连接点9之间的连线平行于所述转轴2设置，所述转动轨道的起点与所述连接点9位于同一圆周上。
本发明的结构/工作原理简述如下：在极端天气情况下，驱动件可以驱动活动叶片，使活动叶片与固定叶片4收拢在一起，从而使风力发电机的风荷载大大降低，进而提高风力发电机的安全性。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：当台风等极端天气来临时，活动叶片可以与固定叶片收拢在一起，从而减少受风面积使风载荷大幅度降低，进而减少叶片疲劳应力，利于提高风力发电机的安全性，同时，降低了风力发电机整体的重心，让风力发电机更稳定；另外，活动叶片位于转动轨道的终点时，可以竖直向下，便于更换维修。
进一步的，所述活动叶片的数量和所述转动轨道的数量分别为N个，且活动叶片与转动轨道一一对应设置，N为大于或等于2的整数。
进一步的，所述驱动件的数量为N个，驱动件与活动叶片一一对应设置。
由上述描述可知，活动叶片的数量可以为两个、三个、四个、五个或者更多，驱动件的数量可以为一个或多个，当驱动件的数量为多个时，优选驱动件与活动叶片的数量一致且一一对应设置；当驱动件的数量为一个时，驱动件可以同时驱动所有的活动叶片移动。
进一步的，所述活动叶片的数量为两个，所述连接点9和两个所述转动轨道的起点环绕所述转轴2均布设置。
由上述描述可知，活动叶片与固定叶片绕转轴间隔120°且两个活动叶片之间也是绕转轴间隔120°。当然，活动叶片的数量还可以三个，此时，活动叶片与固定叶片绕转轴间隔90°且相邻两个活动叶片之间也是绕转轴间隔90°。
进一步的，还包括控制器，所述控制器设于所述轮毂3上、所述机舱1上或风力发电机的塔筒10上，所述控制器与所述驱动件电连接。
由上述描述可知，控制器用于控制驱动件的工作。
进一步的，还包括集中控制服务器，所述集中控制服务器与所述控制器电连接。
由上述描述可知，集中控制服务器包括电脑，集中控制服务器通过有线或无线的通讯方式向控制器发出指令，控制器接收到指令后根据该指令控制驱动件的启停。集中控制服务器可以同时与多台风力发电机电连接，即集中控制服务器是一个风力发电场的控制中枢。
进一步的，还包括风速采集装置，所述风速采集装置设于所述轮毂3上、所述机舱1上或风力发电机的塔筒10上，所述风速采集装置与所述控制器电连接。
由上述描述可知，控制器依据风速采集装置采集到的风速、风向等数据控制驱动件的启停(即控制活动叶片张开或收拢)。
风力发电机的安装施工方法，包括如下步骤：
步骤1，叶轮组装，将叶片组件与轮毂3拼装，得到叶轮，其中，活动叶片位于转动轨道的终点；
步骤2，叶轮和机舱1拼装，将步骤1组装好的叶轮与机舱1拼装在一起，得到半成品，其中，所述轮毂3与所述机舱1的转轴2固定连接；
步骤3，吊装塔筒10，使用风机安装船12吊装风力发电机的塔筒10；
步骤4，整体吊装，使用风机安装船12整体吊装步骤2所得半成品，将步骤2所得半成品安装到塔筒10的顶部；
步骤5，调整叶片位置，通过驱动件驱动活动叶片移动到所述转动轨道的起点；
其中，步骤1在陆地或风机安装船12上进行；步骤2在陆地或风机安装船12上进行。
进一步的，安装风力发电机的塔筒10包括上段塔筒、中段塔筒和下段塔筒；步骤3之前还包括将上段塔筒、中段塔筒和下段塔筒进行拼装的步骤，此步骤在陆地或者风机安装船12上进行。
进一步的，固定叶片4上设有缆风绳13，步骤4还包括利用缆风绳13调整步骤2所得半成品与塔筒10之间的相对位置的步骤。
由上述描述可知，当安装人员调整好步骤2所得半成品与塔筒之间的相对位置后可以将缆风绳拆掉。
实施例一
请参照图1至图5，本发明的实施例一为：如图1至图4所示，一种风力发电机，包括轮毂3、机舱1和叶片组件，轮毂3固定在机舱1的转轴2上，叶片组件包括一个固定设置在所述轮毂3上的固定叶片4，所述固定叶片4与轮毂3具有一连接点9，所述叶片组件还包括活动叶片，所述轮毂3内设有驱动件(图未示)，所述轮毂3上设有转动轨道，所述驱动件连接所述活动叶片并驱动所述活动叶片沿所述转动轨道移动；所述转动轨道的终点与所述连接点9之间的连线平行于所述转轴2设置，所述转动轨道的起点与所述连接点9位于同一圆周上。优选的，所述连接点9位于所述轮毂3的下端。
所述活动叶片的数量和所述转动轨道的数量分别为N个，且活动叶片与转动轨道一一对应设置，N为大于或等于2的整数。
所述驱动件的数量为N个，驱动件与活动叶片一一对应设置。
本实施例中，所述活动叶片的数量为两个，所述连接点9和两个所述转动轨道的起点环绕所述转轴2均布设置。为便于描述，将两个活动叶片分别称为第一可转动叶片5和第二可转动叶片6，将两个转动轨道分别称为第一轨道7和第二轨道8，第一可转动叶片5设于第一轨道7中，第二可转动叶片6设于第二轨道8中，第一轨道7的终点位于所述连接点9的前方(图3中连接点9的左侧)，第二轨道8的终点位于所述连接点9的后方(图3中连接点9的右侧)。
可选的，所述转动轨道的终点和起点分别设有用于固定活动叶片位置的固定机构，从而使得活动叶片能够稳定的固定在转动轨道的终点处或起点处，减少驱动件所承受的应力，进而提高风力发电机结构的稳定性。
优选的，所述转动轨道内设有导向机构，所述导向机构包括但不限于齿轮机构。
安装风力发电机的还包括塔筒10，所述机舱1设于所述塔筒10的顶部，本实施例中，所述塔筒10包括上段塔筒、中段塔筒和下段塔筒。
进一步的，还包括控制器(图未示)，所述控制器设于所述轮毂3上、所述机舱1上或塔筒10上，所述控制器与所述驱动件电连接。还包括风速采集装置(图未示)，所述风速采集装置设于所述轮毂3上、所述机舱1上或塔筒10上，所述风速采集装置与所述控制器电连接。控制器根据风速采集装置采集的现场数据，自动分析并控制驱动件的工作。
可选的，还包括集中控制服务器(图未示)，所述集中控制服务器与所述控制器电连接。所述控制器接收集中控制服务器的指令并按照集中控制服务器发出的指令进行工作。
本发明的风力发电机既可以安装在陆地上也可以安装在海上，请结合图3和图5，现就海上风力发电机的安装施工方法进行说明，具体的，包括如下步骤：
步骤1，叶轮组装，将叶片组件与轮毂3拼装，得到叶轮，其中，活动叶片位于转动轨道的终点；
步骤2，叶轮和机舱1拼装，将步骤1组装好的叶轮与机舱1拼装在一起，得到半成品，其中，所述轮毂3与所述机舱1的转轴2固定连接；
步骤3，吊装塔筒10，使用风机安装船12吊装风力发电机的塔筒10，将塔筒10安装在预先设置在海上的基座11上；
步骤4，整体吊装，使用风机安装船12整体吊装步骤2所得半成品，将步骤2所得半成品安装到塔筒10的顶部；
步骤5，调整叶片位置，通过驱动件驱动活动叶片移动到所述转动轨道的起点；
其中，步骤1在陆地或风机安装船12上进行；步骤2在陆地或风机安装船12上进行。
进一步的，步骤3之前还包括将上段塔筒、中段塔筒和下段塔筒进行拼装的步骤，此步骤在陆地或者风机安装船12上进行。
进一步的，固定叶片4上设有缆风绳13，步骤4还包括利用缆风绳13调整步骤2所得半成品与塔筒10之间的相对位置的步骤(即调整风机姿态的步骤)。将所得半成品与塔筒10之间的相对位置调整好后，需要将缆风绳13拆下。
综上所述，本发明提供的风力发电机及其安装施工方法，减小了风力发电机生产耗材，降低工程造价；保证了风力发电机叶片的整体性，叶片强度得到保证；减小受风面积，在极端天气情况下，风荷载将大大降低；活动叶片收拢时，降低了风力发电机整体重心，让风力发电机更稳定；降低叶片高度，减小弯矩荷载和疲劳损坏；极大程度上提高了风力发电机的安全性；活动叶片位于转动轨道的终点时，可以竖直向下，便于更换维修；减少了海上作业时间，提高了施工效率；不需要专用的大型运输船舶，节省了前提投入。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机，包括轮毂、机舱和叶片组件，轮毂固定在机舱的转轴上，叶片组件包括一个固定设置在所述轮毂上的固定叶片，所述固定叶片与轮毂具有一连接点，其特征在于：所述叶片组件还包括活动叶片，所述轮毂内设有驱动件，所述轮毂上设有转动轨道，所述驱动件连接所述活动叶片并驱动所述活动叶片沿所述转动轨道移动；所述转动轨道的终点与所述连接点之间的连线平行于所述转轴设置，所述转动轨道的起点与所述连接点位于同一圆周上。
2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述活动叶片的数量和所述转动轨道的数量分别为N个，且活动叶片与转动轨道一一对应设置，N为大于或等于2的整数。
3.根据权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述驱动件的数量为N个，驱动件与活动叶片一一对应设置。
4.根据权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述活动叶片的数量为两个，所述连接点和两个所述转动轨道的起点环绕所述转轴均布设置。
5.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：还包括控制器，所述控制器设于所述轮毂上、所述机舱上或风力发电机的塔筒上，所述控制器与所述驱动件电连接。
6.根据权利要求5所述的风力发电机，其特征在于：还包括集中控制服务器，所述集中控制服务器与所述控制器电连接。
7.根据权利要求5所述的风力发电机，其特征在于：还包括风速采集装置，所述风速采集装置设于所述轮毂上、所述机舱上或风力发电机的塔筒上，所述风速采集装置与所述控制器电连接。
8.权利要求1-7中任意一项所述的风力发电机的安装施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，叶轮组装，将叶片组件与轮毂拼装，得到叶轮，其中，活动叶片位于转动轨道的终点；
步骤2，叶轮和机舱拼装，将步骤1组装好的叶轮与机舱拼装在一起，得到半成品，其中，所述轮毂与所述机舱的转轴固定连接；
步骤3，吊装塔筒，使用风机安装船吊装风力发电机的塔筒；
步骤4，整体吊装，使用风机安装船整体吊装步骤2所得半成品，将步骤2所得半成品安装到塔筒的顶部；
步骤5，调整叶片位置，通过驱动件驱动活动叶片移动到所述转动轨道的起点；
其中，步骤1在陆地或风机安装船上进行；步骤2在陆地或风机安装船上进行。
9.根据权利要求8所述的风力发电机的安装施工方法，其特征在于：安装风力发电机的塔筒包括上段塔筒、中段塔筒和下段塔筒；步骤3之前还包括将上段塔筒、中段塔筒和下段塔筒进行拼装的步骤，此步骤在陆地或者风机安装船上进行。
10.根据权利要求8所述的风力发电机的安装施工方法，其特征在于：固定叶片上设有缆风绳，步骤4还包括利用缆风绳调整步骤2所得半成品与塔筒之间的相对位置的步骤。
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