CN111425357A - 一种多叶轮风力发电系统 - Google Patents

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崔逸南
崔新维
王志奎
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Abstract

本发明公开了一种多叶轮风力发电系统，多叶轮风力发电系统是将多行小机组安装在同一个支撑结构中实现风能到电能转换的系统。多叶轮风力发电系统由小机组（1）、支撑结构（2）、偏航回转支承（3）和塔架（4）构成。支撑结构（2）为空间立体的桁架结构，所有小机组（1）通过机械方式联接在支撑结构（2）的同一侧。支撑结构（2）的底部与偏航回转支承（3）联接，每个小机组（1）都随着整个支撑结构（2）实现偏航运行。塔架（4）包含四根支柱（5），每根支柱（5）上端与偏航回转支承（3）联接，下端与风力发电系统的基础连接，塔架（4）与偏航回转支承（3）和风力发电系统的基础构成正四棱台或近似正四棱台形结构。支撑结构（2）既起到了支撑小机组（1）的作用，也代替了传统单叶轮机组方案或已有多叶轮方案中部分塔架的功能，减少了塔架材料的使用量。

Description

一种多叶轮风力发电系统
技术领域
本发明专利涉及一种多叶轮风力发电系统，属于风力发电技术领域。
背景技术
当前风机的规模越来越大，对传统多兆瓦机组而言，整机采取一个叶轮的方案使用的超长、超重叶片和超大扭矩给机组中的各个部件（如变桨执行机构，支撑结构等等）的设计、生产制造和安装等带来了很多难题。机组成本增加较多，经济性变差。多叶轮风力发电系统避免了使用超长、超重的叶片，且运输、安装便捷，能够降低整机的制造成本。因此，采用多个叶轮来实现机组容量的升级成为了研究热点。
在当前可查询专利中，CN 108700023 A主要针对转子承载支撑结构以及平台进行介绍，未涉及转子安装方式。
CN 110691905 A主要涉及一种拉索结构，主要设计是塔底支撑结构为一个钢筒，依靠拉索实现支撑结构的增强。
CN 109219701 A介绍了转子的连接，主要采用支撑架的方式进行转子连接，未对转子安装方式进行介绍。
CN 205533018 U，CN 109219701 A，CN 107407259 A，CN 102322399 A，CN102305186 A，CN 102269113 A，CN 102269111 A和CN 107429661 A都提出了多叶轮风力发电机的形式。这些专利中使用的是传统单一叶轮风电机组采用的塔架结构再加上简单的悬臂梁结构作为主支撑结构。
CN 210049986 U提出了一种多叶轮结构来实现多级风能利用。这种多叶轮结构是在塔架部分添加小型的叶轮，由于捕风能力有限，商业价值不高。
当前传统单叶轮机组在单机容量升级过程中使用了超长、超重叶片和超大扭矩，这些不但增加了机组设计及制造的难度，也带来的成本高的问题。多叶轮风力发电系统可以在保证发电能力相当的条件下降低制造成本。已公开的方案未涉及到采用支撑结构替代部分塔架功能的说明。
发明内容
一种多叶轮风力发电系统，其特征在于：
本发明公开了一种多叶轮风力发电系统，该多叶轮系统由小机组（1）、支撑结构（2）、偏航回转支承（3）和塔架（4）构成。
系统的支撑结构（2）为空间立体的桁架结构。多个小机组（1）按行排列，在支撑结构（2）的同一侧与支撑结构（2）通过机械方式联接。
支撑结构（2）的底部与偏航回转支承（3）联接。塔架（4）采用四根支柱（5）作为固定支撑，每根支柱（5）上端与偏航回转支承（3）联接，下端与风力发电系统的基础连接。当系统有偏航需求时，每个小机组（1）都随着整个支撑结构（2）和偏航回转支承（3）的转动部分进行偏航运动，塔架（4）和偏航回转支承（3）的非转动部分保持固定。
塔架（4）的每根支柱（5）的截面可以为方形、圆形或其他形状。塔架（4）与偏航回转支承（3）和风力发电系统的基础构成正四棱台或近似正四棱台形结构。
基于现有专利特点，本专利的主要优势在于：
1)支撑结构（2）既起到了支撑小机组（1）的作用，也代替了传统单叶轮机组方案或已有多叶轮方案中部分塔架的功能，减少了塔架材料的使用量。在满足支撑结构（2）与叶轮进行整体偏航的条件下，缩短偏航回转支承（3）与支撑结构（2）底部叶轮间距，可以降低支撑系统（2）的高度，从而减少了支撑系统（2）底部承受的载荷，降低制造成本。
2) 塔架（4）与偏航回转支承（3）和风力发电系统的基础构成的正四棱台或近似正四棱台形结构，使得系统在风载作用下受力良好。由于塔架（4）不需要延伸至最高处叶轮的位置，塔架（4）的成本可以得到有效的控制。
附图说明
图1为多叶轮风力发电系统正视图
图2为多叶轮风力发电系统侧视图
图3为多叶轮风力发电系统塔架结构示意图
附图说明：1-小机组，2-支撑结构，3-偏航回转支承，4-塔架，5-支柱
值得注意的是上述附图是用于说明本发明的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本发明的原理，并且为了避免不必要的细节使本发明的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域（风力发电）的技术人员在理解本发明时不会带来不便，而实际的多叶轮风力发电系统中可以包括更多的部件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例的相关附图，对本发明实施例进行完整的描述。本专利描述的实施例是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，多叶轮风力发电系统拥有多行小机组（1），每个小机组（1）都与支撑结构（2）通过一定的机械方式相连。支撑结构（2）为空间立体的桁架结构，小机组（1）与支撑结构（2）的联接都发生在支撑结构（2）的同一侧。每个小机组（1）的叶轮在保证与支撑结构（2）或其他小机组的叶轮不发生机械干涉的前提下按一定规律在支撑结构（2）上排布。
支撑结构（2）的底部与偏航回转支承（3）联接。当系统出现偏航需求时，支撑结构（2）以及所有的小机组（1）一同随着偏航回转支承（3）的转动部分进行偏航运动，偏航回转支承（3）的非转动部分与塔架（4）保持固定。实现偏航的方式可以是滚动偏航，滑动偏航或其他偏航方式。
因为所有的小机组（1）会跟随整个支撑结构（2）一起偏航，偏航回转支承（3）在布置时可以保证与支撑结构（2）底部距离最短，从而降低支撑系统的高度。这样可以减少支撑结构（2）底部/偏航回转支承（3）承受的载荷，从而降低制造成本。
图1，2所示的塔架（4）包含了四根支柱（5），每根支柱（5）的截面可以是圆形，方形或其他形状。每根支柱（5）的上端与偏航回转支承（3）联接，支柱（5）的下端直接与多叶轮风力发电系统的基础联接。如图3所示，偏航回转支承（3）与塔架（4）和风力发电系统的基础构成正四棱台或近似正四棱台形结构。
当系统承受不同方向的风载时，采用四棱台结构可以保证塔架（4）受力良好。特别是支撑结构（2）与塔架（4）后部，两者结构布局上中性线方向一致，可以使得支撑结构（2）所受推力载荷转换为塔架（4）的拉、压载荷，且塔架（4）后部不承受附加的弯矩载荷。
例如，当支撑结构（2）承受迎风方向的载荷时（风向与叶轮（1）中性线方向一致，此时风向规定为0°），此时塔架（4）前部和后部均受力。塔架（4）前部主要载荷类型为拉力（或压力）和弯矩载荷，而塔架（4）后部为压力（或拉力）载荷，不承受附加的弯矩载荷。 当风向变为180°，塔架前部和后部受力与风向为0°状态正好相反。
当塔架（4）承受横向风载时（风向与叶轮中性线成90°夹角），此时塔架（4）前部和后部仍然同时受力，塔架（4）前部主要载荷类型为拉力（或压力）和弯矩载荷，而塔架后部为压力（或拉力）载荷，不承受附加的弯矩载荷。当风向变为270°，塔架（4）前部和后部受力与风向为90°状态正好相反。
在风向多变区，偏航系统（3）动作频繁，该结构可以保证塔架（4）承载方式上发生的概率趋于均匀，有利于增强塔架（4）的疲劳寿命。

Claims (3)

1.多叶轮风力发电系统由小机组（1）、支撑结构（2）、偏航回转支承（3）和塔架（4）构成，多叶轮风力发电系统拥有多个小机组（1）, 支撑结构（2）为空间立体的桁架结构，小机组（1）按行排列，在支撑系统（2）的同一侧与支撑结构（2）通过机械方式联接。
2.根据权利要求1的描述，支撑结构（2）的底部与偏航回转支承（3）联接，每个小机组（1）都随着整个支撑结构（2）实现偏航运动。
3.根据权利要求2的描述，塔架（4）包含四根支柱（5），每根支柱（5）上端与偏航回转支承（3）联接，下端与风力发电系统的基础联接，支柱（5）的截面可以为方形、圆形或其他形状，塔架（4）与偏航回转支承（3）和风力发电系统的基础构成正四棱台或近似正四棱台形结构。
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