CN109630360B - 一种风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，公开了一种风力发电设备。该设备包括发电机组和两组风叶片(1)，所述发电机组上设有主轴连接杆(30)，两组风叶片(1)通过多根横撑(40)与所述主轴连接杆(30)固定连接，形成垂直螺旋型结构，其中，每根横撑(40)与所述主轴连接杆(30)相互垂直，从上到下任意相邻两根横撑(40)交错设置，且任意相邻两根横撑(40)在竖直方向上投影的夹角为20‑60°，所述横撑(40)的根数为4‑10。本发明中通过巧妙地设计风叶片的结构以及风叶片与主轴连接杆之间的连接方式，使得任意方向的风以及较小风速的风均能吹动风叶片，也即所述风力发电设备的起动风速低；而且，该风力发电设备在工作过程中不会达到共振状态。

Description

一种风力发电设备
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电设备。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风力发电是指把风的动能转为电能。风是一种没有公害的能源，利用风力发电非常环保，且能够产生的电能非常巨大，因此越来越多的国家更加重视风力发电。
现代社会的进步和发展离不开电，然而人们每天都在大量消耗着地球上的石油、煤炭等不可再生资源用以发电，因此为节约这些不可再生资源，利用新能源进行发电的装置层出不穷。
现有的风力发电机的起动风速较高，在风速较大的环境下运行振动幅度较大，而且现有的风力发电机的抗腐蚀性能较差，因而不太适合在沿海地区(风速较高、高温高湿高盐)使用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种风力发电设备。
本发明提供了一种风力发电设备，该设备包括发电机组和两组风叶片，所述发电机组上设有主轴连接杆，两组风叶片通过多根横撑与所述主轴连接杆固定连接，形成垂直螺旋型结构，其中，每根横撑与所述主轴连接杆相互垂直，从上到下任意相邻两根横撑交错设置，且任意相邻两根横撑在竖直方向上投影的夹角为20-60°，所述横撑的根数为4-10，且最上端的横撑与最下端的横撑在竖直方向上投影相互重叠；每根横撑与每组风叶片均具有两个连接点，在同一根横撑上，一组风叶片与该横撑的连接点与另一组分风叶片与该横撑的连接点交错排布，且以所述主轴连接杆为中心，每根横撑与两组风叶片内侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离相同，每根横撑与两组风叶片外侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离相同。
可选地，任意相邻两根横撑在竖直方向上投影的夹角为36°，所述横撑的根数为6。
可选地，每组风叶片从上端到下端的高度与横撑的长度之比为1.8-2.5：1，横撑与风叶片内侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离占所述横撑总长度的3-6％。
可选地，每组风叶片各自包含若干片弧形的叶片，叶片在竖直方向上依次连接形成一组风叶片，每组风叶片中，相邻两块叶片在竖直方向和水平方向上均错位设置。
可选地，两组风叶片具有相同的叶片数量，截面形成S形结构，且每组风叶片的表面固定设有加强筋。
可选地，风叶片与横撑的材质均为具有以下化学组成的不锈钢：C≤0.03重量％，Si≤1重量％，Mn≤2重量％，P≤0.045重量％，S≤0.03重量％，Ni 10-14重量％，Cr 16-18重量％，Mo 2-3重量％。
可选地，所述风叶片表面经过喷塑或氧化处理。
可选地，所述发电机组包括电机壳体、端盖和法兰底座，所述法兰底座上端设有第一转子轴承，所述第一转子轴承与法兰底座之间设置第一轴承挡圈；所述法兰底座上还设有多个装配孔；所述电机壳体内设有第一磁钢，所述第一磁钢上安装定子线圈，所述定子线圈上方设有第二磁钢，所述第二磁钢与定子线圈之间设置第二转子轴承，所述第二转子轴承与定子线圈之间设置第二轴承挡圈，所述端盖设置在第二磁钢上方。
可选地，所述端盖与电机壳体边缘设有螺栓孔，所述螺栓孔内穿设固定螺栓，所述固定螺栓上套有平垫圈和弹性垫圈，还包括螺帽，所述固定螺栓穿过螺栓孔与螺帽连接。
可选地，所述定子线圈中心固定安装有平键。
按照本发明所述的风力发电设备，通过巧妙地设计风叶片的结构以及风叶片与主轴连接杆之间的连接方式，使得任意方向的风以及较小风速的风均能吹动风叶片，也即所述风力发电设备的起动风速低；而且，通过模拟测试得出，所述风力发电设备的共振频率在390Hz附近，其对应的风速约为119m/s，远大于其额定风速45m/s，因此该风力发电设备在工作过程中不会达到共振状态。
而且，在较优选的实施方式中，当所述风叶片使用具有特定化学组成的不锈钢材质，且风叶片表面经过喷塑或氧化处理时，所述风叶片具有优异的抗腐蚀性能。
附图说明
图1是本发明所述的风力发电设备的结构示意图。
图2是本发明所述的风力发电设备中风叶片的结构图。
图3是本发明所述的风力发电设备中风叶片的三维模型图片。
图4是本发明所述的风力发电设备中风叶片的有限元模型图片。
图5是本发明所述的风力发电设备中风叶片在不同加速度下风叶片应力分布云图，其中，(a)是加速度载荷为g时的风叶片应力分布云图，(b)是加速度载荷为2g时的风叶片应力分布云图，(c)是加速度载荷为5g时的风叶片应力分布云图，(d)是加速度载荷为10g时的风叶片应力分布云图。
图6是周期性风载荷下风机的结构强度图表。
图7是恒定风载荷下风机的结构强度图表。
图8周期性风载荷下风力发电机风叶片结构应力分布云图，其中，(a)为周期性风载荷下风叶片应力分布云图，(b)为叶片螺钉孔处局部放大图。
图9为本发明所述的风叶片左侧边界路径示意图。
图10为本发明所述的风叶片左侧路径上的应力变化关系曲线图。
图11为恒定风载荷时风叶片的应力分布云图。
图12为恒定风载荷时风叶片左侧路径上的应力变化关系曲线图。
图13为周期载荷与恒定载荷下的应力变化关系曲线对照图。
图14为风机应变能随时间的变化关系图。
图15为风机的第1、10、20、40、60、80、90、100阶模态图。
图16为风机振幅随振动频率的变化关系曲线图。
图17为风机振幅随风速的变化关系曲线图。
附图标记说明
1 风叶片 2 电机壳体
3 端盖 4 法兰底座
5 第一转子轴承 6 第一轴承挡圈
7 装配孔 8 第一磁钢
9 定子线圈 10 第二磁钢
11 第二转子轴承 12 第二轴承挡圈
13 螺栓孔 14 固定螺栓
15 平垫圈 16 弹性垫圈
17 螺帽 18 平键
30 主轴连接杆 40 横撑
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1和2所示，本发明所述的风力发电设备包括发电机组和两组风叶片1，所述发电机组上设有主轴连接杆30，两组风叶片1通过多根横撑40与所述主轴连接杆30固定连接，形成垂直螺旋型结构，其中，每根横撑40与所述主轴连接杆30相互垂直，从上到下任意相邻两根横撑40交错设置，且任意相邻两根横撑40在竖直方向上投影的夹角为20-60°，所述横撑40的根数为4-10，且最上端的横撑与最下端的横撑在竖直方向上投影相互重叠；每根横撑40与每组风叶片1均具有两个连接点，在同一根横撑40上，一组风叶片与该横撑的连接点与另一组分风叶片与该横撑的连接点交错排布，且以所述主轴连接杆30为中心，每根横撑40与两组风叶片内侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离相同，每根横撑40与两组风叶片外侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离相同。
在本发明所述的风力发电设备中，任意相邻两根横撑40在竖直方向上投影的夹角为20-60°，具体地，例如可以为20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°或60°。
在本发明所述的风力发电设备中，所述横撑40的根数为4-10，具体地，例如可以为4、5、6、7、8、9或10。
在最优选的实施方式中，任意相邻两根横撑40在竖直方向上投影的夹角为36°，所述横撑40的根数为6。
在本发明所述的风力发电设备中，两组风叶片1的侧部与横撑40相连接，一组风叶片与该横撑的连接点与另一组分风叶片与该横撑的连接点交错排布，并且多个横撑从上到下沿着一个方向交错设置，从最上端的横撑到最下端的横撑形成180°螺旋。通过这样设计所述风叶片，使得任意方向的风以及较小风速的风均能吹动风叶片，而且使得风力发电设备能够承受较大的风速。
在具体的实施方式中，每组风叶片从上端到下端的高度与横撑的长度之比可以为1.8-2.5：1，横撑与风叶片内侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离可以占所述横撑总长度的3-6％。在一种具体实施方式中，相邻上下两根横撑的距离可以为15-20cm，横撑的长度可以为40-50cm，横撑与风叶片内侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离1.5-4cm。
在本发明所述的风力发电设备中，优选地，每组风叶片1各自包含若干片弧形的叶片，叶片在竖直方向上依次连接形成一组风叶片，每组风叶片1中，相邻两块叶片在竖直方向和水平方向上均错位设置。
在本发明所述的风力发电设备中，优选地，两组风叶片具有相同的叶片数量，截面形成S形结构，且每组风叶片1的表面固定设有加强筋。
在本发明所述的风力发电设备中，优选地，风叶片与横撑的材质均为具有以下化学组成的不锈钢：C≤0.03重量％，Si≤1重量％，Mn≤2重量％，P≤0.045重量％，S≤0.03重量％，Ni 10-14重量％，Cr 16-18重量％，Mo 2-3重量％。采用上述不锈钢材料制成的风叶片和横撑具有优异的抗腐蚀性能，适合在高温高湿高盐的沿海地区使用，具有较长的使用寿命。
在本发明所述的风力发电设备中，优选地，所述风叶片表面经过喷塑或氧化处理，从而进一步提高风叶片的防腐蚀性能。
在本发明所述的风力发电设备中，如图1和2所示，所述发电机组包括电机壳体2、端盖3和法兰底座4，所述法兰底座4上端设有第一转子轴承5，所述第一转子轴承5与法兰底座4之间设置第一轴承挡圈6；所述法兰底座4上还设有多个装配孔7；所述电机壳体2内设有第一磁钢8，所述第一磁钢8上安装定子线圈9，所述定子线圈9上方设有第二磁钢10，所述第二磁钢10与定子线圈9之间设置第二转子轴承11，所述第二转子轴承11与定子线圈9之间设置第二轴承挡圈12，所述端盖3设置在第二磁钢10上方。
在优选情况下，所述端盖3与电机壳体2边缘设有螺栓孔13，所述螺栓孔13内穿设固定螺栓14，所述固定螺栓14上套有平垫圈15和弹性垫圈16，还包括螺帽17，所述固定螺栓14穿过螺栓孔13与螺帽17连接。进一步优选地，所述定子线圈9中心固定安装有平键18。
在本发明所述的风力发电设备中，配以特殊的无铁芯设计，有效地降低发电机的阻转矩，同时使风轮与发电机具有更为良好的匹配特性，机组运行的可靠性。
风叶片是风力发电设备最主要的部件，决定着风力发电设备的发电效率，因此对风叶片设计完后，需要通过有限元模拟来测试其结构强度，保证生产出来的风力发电设备具有较高的质量。以下通过模拟分析的方式对本发明所述的风力发电设备的结构强度进行分析。
1.风力机结构强度分析
1.1叶片静强度分析
风力发电机在生产出厂后，需要经历储存、运输等过程，在存储过程中要经历重力的作用，在运输过程中又会遇到颠簸、落地等冲击，因此对风力发电机进行静强度分析是很有必要的。而对风力发电机而言，在以往的工程经验中，风叶片的强度是最弱的，因此采取分析风叶片的静强度来反映风力发电机的强度。
风力发电机三维模型如图2所示，在风的作用下风叶片旋转进行工作，其风叶片三维模型如图3所示，是一种新型的叶片类型，由于与风接触的面积大，因而可以利用更大的风能。风力发电机采用不锈钢制成，材料参数如表1所示。
表1
材料 密度kg/m<sup>3</sup> 模量MPa 泊松比 最大抗拉强度MPa
不锈钢 7.8×10<sup>3</sup> 210000 0.3 1078
1.1.1叶片有限元模型
为模拟风叶片在存储、运输过程中的意外载荷，对叶片施加g、2g、5g、10g的重力加速度。风叶片有限元模型如图4所示，模型网格单元均采用缩减积分单元C3D10R，单个网格尺寸设置为2mm，网格数约99288个。
1.1.2边界条件及接触
模拟受载时风叶片上各螺钉孔中心处建立参考点，并将参考点与对应的内孔表面耦合在一起，对参考点施加固定约束，对整个叶片施加g、2g、5g、10g的加速度载荷。
1.1.3计算结果及分析
计算得到叶片的应力分布如图5所示，由图可见，螺钉孔周围的应力分布最为集中，计算得到的最大应力值见表2，随着载荷的不断增大，应力值也逐渐增大，但均远小于钢材料的最大抗拉载荷1078MPa，因此结构的静强度是满足要求的。
表2
加速度(m/s<sup>2</sup>) g 2g 5g 10g
最大应力/MPa 2.4e-3 4.8e-3 1.2e-2 2.4e-2
1.2叶片工作强度分析
风力发电机在工作过程中受到风载荷的作用，以风速为45m/s时的工况为模拟对象来分析风机的结构强度，此时风载荷最大压强：
在0s～5s内分别以周期性风载荷与恒定风载荷的方式加载，其中周期性风载荷周期为0.5s，幅值为0.10124MPa，如图6和图7所示。
图8为周期性风载荷下风力发电机风叶片结构应力分布云图，可见风叶片上面的应力分布较为明显，且叶片螺钉孔处的应力值最大，分析原因是因为螺钉孔处为叶片传递风载荷的部位，所承受的力较大，因此应力比较集中。以叶片左侧边界为路径，如图9，测得路径上各点的应力值，画出相应的应力变化关系曲线，如图10所示，由图可见，应力值随路径变化出现6个波峰，各个波峰对应的位置即是螺钉孔所在的位置，说明了应力在螺钉孔处应力分布比较集中，同时，叶片上远离螺钉孔位置的应力值较小，越靠近螺钉孔处应力值越大，当接近螺钉孔处时应力值急剧增大，最大达到350MPa，但仍然小于钢材料的最大抗拉强度1078MPa，因而叶片的结构是满足要求的。
图11为恒定风载荷时风叶片的应力分布云图，可见，螺钉孔周围仍然是应力最大的地方，同样取叶片左侧路径上的应力值，绘得应力变化关系如图12，与周期性风载荷类似，应力变化共出现6个波峰，在各波峰处应力达到最大值，波峰代表着叶片上的6各螺钉孔，越靠近螺钉孔，相应的应力值越大，且在螺钉孔周围应力值急剧增加，它们的不同之处在于在靠近根部的过程中，恒定风载荷下应力值增加的较快，且周期性风载荷下的最大应力值较恒定风载荷下的偏小，周期载荷与恒定载荷下的应力变化关系对照曲线如图13所示。
图14为风机应变能随时间的变化关系图，应变能为风载荷作用在风机上风机发生弹性变形而存储的能量，由图可见，周期性风载荷加载时应变能同样呈现周期性变化，而恒定风载荷加载时近似呈现线性增加，且周期性风载荷所产生的应变能要大于恒定风载荷，因此周期性风载荷对叶片的破坏效果更大。
1.3风机模态分析
模态分析可以得到模型在某一受影响的频率范围内各种振源作用下产生的实际振动响应，可有效的避免因共振带来结构的损伤和破坏。
图15为该风机的第1、10、20、40、60、80、90、100阶模态图。从图中可以看出，随着振动频率的不断增加，风机的振动幅值呈现波动变化，低频率的振动下，振幅最大的位置主要位于与叶片相连的杆上，而在搞频率的针对下，振幅最大位置主要集中在叶片上。
画出风机振幅随振动频率的变化关系曲线，如图16所示。由图可见，振幅存在许多峰值，其中当振动频率在390Hz左右时，振幅达到最大的1.42mm，其对应的风速大约在119m/s，远大于风机的额定风速45m/s，说明风机工作时不可能达到共振状态。
根据风机的转动速度与风速的变化关系可得振幅随风速变化关系，如图17所示，当风速小于38m/s时，随着风速的增加振幅呈现下降趋势，这对风机而言是较为理想的状态，而当风速增加到40m/s时，振幅呈现波动状态，此时的风机处于不稳定状态，但仍未达到共振状态，结构处于安全状态，当风速再继续增加时，振幅也逐渐增加，但增幅较小，在风速为45m/s时振幅值约1.22mm。
通过以上的分析研究，可得到如下结论：
(1)本发明所述的风力发电机在受到重力的作用下及10g加速度载荷的冲击下强度满足要求；
(2)本发明所述的风力发电机在工作过程中受周期性风载荷及恒定风载荷的作用下结构强度满足要求；
(3)本发明所述的风力发电机的共振频率在390Hz附近，其对应的风速约为119m/s，远大于该风机的额定风速45m/s，因此该风机在工作过程中不会达到共振状态，且在工作过程中风速在40m/s附近振幅波动较大，风速在45m/s时达到最大振幅，最大振幅约为1.22mm。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种风力发电设备，其特征在于，该设备包括发电机组和两组风叶片(1)，所述发电机组上设有主轴连接杆(30)，两组风叶片(1)通过多根横撑(40)与所述主轴连接杆(30)固定连接，形成垂直螺旋型结构，其中，每根横撑(40)与所述主轴连接杆(30)相互垂直，从上到下任意相邻两根横撑(40)交错设置，且任意相邻两根横撑(40)在竖直方向上投影的夹角为36°，所述横撑(40)的根数为6，且最上端的横撑与最下端的横撑在竖直方向上投影相互重叠；每根横撑(40)与每组风叶片(1)均具有两个连接点，在同一根横撑(40)上，一组风叶片与该横撑的连接点与另一组分风叶片与该横撑的连接点交错排布，且以所述主轴连接杆(30)为中心，每根横撑(40)与两组风叶片内侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离相同，每根横撑(40)与两组风叶片外侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离相同；其中，每组风叶片从上端到下端的高度与横撑的长度之比为1.8-2.5：1，横撑与风叶片内侧的两个连接点到所述主轴连接杆的距离占所述横撑总长度的3-6％；
风叶片与横撑的材质均为具有以下化学组成的不锈钢：C≤0.03重量％，Si≤1重量％，Mn≤2重量％，P≤0.045重量％，S≤0.03重量％，Ni 10-14重量％，Cr 16-18重量％，Mo 2-3重量％；所述风叶片表面经过喷塑或氧化处理；
通过有限元模拟来确定所述风力发电设备满足结构强度要求，具体过程如下：
(1)叶片静强度分析
采取分析风叶片的静强度来反映风力发电机的强度，在风的作用下风叶片旋转进行工作；
1.1、叶片有限元模型
模拟风叶片在存储、运输过程中的意外载荷，对叶片施加g、2g、5g、10g的重力加速度；
1.2、边界条件及接触
模拟受载时风叶片上各螺钉孔中心处建立参考点，并将参考点与对应的内孔表面耦合在一起，对参考点施加固定约束，对整个叶片施加g、2g、5g、10g的加速度载荷；
1.3、计算结果及分析
计算得到叶片的应力分布；
(2)叶片工作强度分析
风力发电机在工作过程中受到风载荷的作用，以风速为45m/s时的工况为模拟对象来分析风机的结构强度，在0s～5s内分别以周期性风载荷与恒定风载荷的方式加载；
(3)风机模态分析
模态分析得到模型在某一受影响的频率范围内各种振源作用下产生的实际振动响应，画出风机振幅随振动频率的变化关系曲线，并根据风机的转动速度与风速的变化关系得到振幅随风速变化关系。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每组风叶片(1)各自包含若干片弧形的叶片，叶片在竖直方向上依次连接形成一组风叶片，每组风叶片(1)中，相邻两块叶片在竖直方向和水平方向上均错位设置。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，两组风叶片具有相同的叶片数量，截面形成S形结构，且每组风叶片(1)的表面固定设有加强筋。
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