CN113738585B - 双机头风电机组及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双机头风电机组及其运行方法，其包括有机组和塔架，所述机组的数量为两个，所述塔架上安装有支撑所述机组的支撑梁，所述机组分别安装在所述支撑梁的两端，两个所述机组的叶片之间相互错开，两个所述机组的中心距离大于所述机组的叶轮半径且小于所述机组的叶轮直径。通过设置机组在支撑梁上的位置更接近支撑梁和塔架的连接点，使机组的叶片扫风面积在空间上有部分重叠区域，从而减小机组在支撑梁上产生的力矩，提高支撑梁的支撑效果，同时，双机头可以共用部分设备，减少设备和机位点的数量，节约成本。

Description

双机头风电机组及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种双机头风电机组及其运行方法。

背景技术

单机大容量机型是风电技术发展的主要趋势，大容量机组可以减少设备和机位点的数量，减少占地面积，降低征地难度，在有限的空间和资源下，大容量机组也可以降低设备、运输和施工的投资建议成本，大容量机组发展也面临很多挑战，大容量机组匹配的大部件庞大，在陆上运输与吊装难度大，如叶片、机舱、轮毂和轴承等开发设计、制造和运维都有很大困难，目前现有的试制叶片长度已达107米，叶轮直径达220米，陆上运输几乎不可能。第一，叶片直径大，上下位置叶尖气动力差值也大，叶片不平衡比较严重；第二，大叶片厚度及重量增加，也导致气动效率降低，从而影响发电效率；第三，大容量机组的支撑结构和轴承承载力要求越来越高，成本急剧上升，机组单体容量越大，工件体积越大，螺栓螺母等紧固件也相应变大，使得传统的装配工艺受到了挑战，加大了运维难度和劳动强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中双机头风电机组支撑不佳的缺陷，提供一种双机头风电机组及其运行方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：一种双机头风电机组，其包括有机组和塔架，所述机组的数量为两个，所述塔架上安装有支撑所述机组的支撑梁，所述机组分别安装在所述支撑梁的两端，两个所述机组的叶片之间相互错开，两个所述机组的中心距离大于所述机组的叶轮半径且小于所述机组的叶轮直径。

在本方案中，通过设置机组在支撑梁上的位置更接近支撑梁和塔架的连接点，使机组的叶片扫风面积在空间上有部分重叠区域，从而减小机组在支撑梁上产生的力矩，提高支撑梁的支撑效果，同时，双机头可以共用部分设备，减少设备和机位点的数量，节约成本。

较佳地，两个所述机组的叶片分别分布在所述支撑梁的前后两侧。

在本方案中，将两个机组叶片一个设置在支撑梁前侧，另一个设置在支撑梁的后侧，便于叶片扫风，避免两个机组之间的叶片碰撞，由于两个机组之间的叶片有一定的距离，可以提高风能利用率。

较佳地，其还包括控制所述叶轮的转速的控制系统，所述支撑梁可以绕所述塔架的轴转动。

一般偏航的动力设备设置在中心处，由于桁架梁长度大，偏航时中心扭矩较大，对偏航的动力要求较高，在本方案中，通过控制系统使两机组的叶轮转速不同，由于转速差，使机组在支撑梁上的力矩不相同，进而支撑梁可以绕塔架的轴转动，而且偏航运动不需要设置专门动力设备，节约成本。

较佳地，所述塔架上连接有过渡法兰，所述支撑梁上连接有与所述过渡法兰嵌套的滑套，所述滑套和所述过渡法兰为圆形轴套结构，所述滑套可以相对所述过渡法兰转动。

在本方案中，过渡法兰固定在塔架上，滑套和连接的支撑梁相对过渡法兰转动，圆形轴套结构简单，便于加工，而且安装后精度容易保证。

较佳地，所述双机头风电机组还包括刹车块，所述刹车块与所述滑套连接，并与所述过渡法兰摩擦接触；或者所述刹车块与所述过渡法兰连接，并与所述滑套摩擦接触。

在本方案中，在没有刹车块的情况下，滑套和过渡法兰之间的自由度过高，滑套和过渡法兰之间会随意转动，不利于机组的位置固定和偏航对风的准确度，设置刹车块后，他们之间的转动具有一定的摩擦力，限制其转动的自由度，而且在需要偏航时，也易于控制转动后支撑梁的位置。

较佳地，所述滑套的顶部具有径向伸出的上凸缘，所述过渡法兰的顶部具有径向伸出的上端缘，所述刹车块连接在所述滑套上，且所述刹车块和所述上凸缘分别夹设于所述上端缘的上下两侧。

在本方案中，过渡法兰的上端缘夹设在刹车块和滑套的上凸缘之间，限制过渡法兰和滑套之间沿轴向发生位移，同时可以保证两者转动时的摩擦效果，而且结构简单，安装方便。

较佳地，所述刹车块连接于所述上凸缘的下表面，且所述刹车块与所述上端缘的下表面摩擦接触。

在本方案中，刹车块连接在上凸缘的下表面，充分利用空间，便于对刹车块安装。

较佳地，所述刹车块的截面为L形的形状，所述刹车块分别与所述上端缘的下表面和侧面摩擦接触；或者所述刹车块分别与所述上端缘的上表面和侧面摩擦接触。

在本方案中，通过设置刹车块L形的两个面分别与上端缘的侧面和上表面或者上端缘的侧面和下表面摩擦接触，增大了摩擦接触面积，提高刹车块的使用寿命。

较佳地，所述滑套的底部设置有下凸缘，所述下凸缘通过多个支撑杆与所述支撑梁连接。

在本方案中，在机组运行过程中，滑套会受到较大径向的力，通过滑套底部的下凸缘上设置多个支撑杆与支撑梁连接，提高滑套的稳定性。

较佳地，所述滑套的底部设置有下凸缘，所述过渡法兰的底部设置有下端缘，所述下端缘与所述塔架的上表面连接，所述下凸缘搁置在所述下端缘上。

在本方案中，滑套的下凸缘搁置在过渡法兰的下端缘上，使机组和支撑梁的载荷通过下凸缘和下端缘结构传递到塔架上，而且结构更紧凑，稳定性好。

本发明还公开了一种双机头风电机组的运行方法，其使用上述的双机头风电机组实现。

较佳地，控制叶轮的转速，使得所述叶轮的转速不同，从而控制支撑梁相对塔架的轴转动。

在本方案中，通过控制叶轮转速，使叶轮之间有转速差，进而使两机组在支撑梁上产生不同大小的力矩，支撑梁相对塔架转动，从而实现偏航，而且不需要专门的动力设备，节约成本。

本发明的积极进步效果在于：通过设置机组在支撑梁上的位置更接近支撑梁和塔架的连接点，使机组的叶片扫风面积在空间上有部分重叠区域，从而减小机组在支撑梁上产生的力矩，提高支撑梁的支撑效果，同时，双机头可以共用部分设备，减少设备和机位点的数量，节约成本。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的双机头风电机组结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的支撑梁结构示意图。

图3为本发明较佳实施例的双机头风电机组内部结构示意图。

图4为本发明较佳实施例的图3中A部分局部结构示意图。

图5为本发明较佳实施例的机组位置和叶轮示意图。

图6为本发明较佳实施例的刹车块、上凸缘和上端缘局部结构示意图。

图7为本发明较佳实施例的下凸缘和下端缘局部结构示意图。

附图标记说明：

机组1

叶片11

塔架2

过渡法兰21

上端缘210

下端缘211

基础22

支撑梁3

滑套31

上凸缘310

下凸缘311

固定环32

加强板33

盖板34

支撑杆35

主受力钢管36

钢绞线360

预应力系统37

刹车块4

锚具5

预应索6

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

在本实施例中，如图1-5所示，一种双机头风电机组1，其包括有机组1和塔架2，机组1的数量为两个，塔架2上安装有支撑机组1的支撑梁3，机组1分别安装在支撑梁3的两端，两个机组1的叶片11之间相互错开，两个机组1的中心距离大于机组1的叶轮半径且小于机组1的叶轮直径。通过设置机组1在支撑梁3上的位置更接近支撑梁3和塔架2的连接点，使机组1的叶片11扫风面积在空间上有部分重叠区域，从而减小机组1在支撑梁3上产生的力矩，提高支撑梁3的支撑效果，同时，双机头可以共用部分设备，减少设备和机位点的数量，节约成本。

本实施例可使用目前成熟机型，快速实现陆上一个机位点容量8-10MW以上或海上15-20MW以上机组1，本实施例中两个叶轮为双叶片11，采用双叶片叶片11机组1，其转速高，风能转换率高，每个叶片11扫风面积在0.32D²—0.39D²之间，而普通3叶片11风机扫风面积为0.26D²，相对来说普通大叶片11机组1叶尖速度很高，转速低，叶根附近很大区域风能转换率很低，采用2×2叶片11的部分重叠主要考虑桁架梁结构和强度设计，使机组1总体成本效率最优，其中，支撑梁3上焊接两个固定环32，两个机组1分别通过螺栓与固定环32连接，机组1和支撑梁3之间没有相对运动，机组1的安装位置如图5所示，机组1中心距离L小于叶轮直径D，且大于叶轮半径D/2。

如图1所示，在本实施例中，两个机组1的叶片11分别分布在支撑梁3的前后两侧，将两个机组1叶片11一个设置在支撑梁3前侧，另一个设置在支撑梁3的后侧，便于叶片11扫风，避免两个机组1之间的叶片11碰撞，由于两个机组1之间的叶片11有一定的距离，可以提高风能利用率。在其他实施例中，也可以将两个机组1设置在支撑梁3的同侧，将两个机组1的叶片11相互错开。

在本实施例中，还包括控制叶轮的转速的控制系统(图中未示出)，支撑梁3可以绕塔架2的轴转动，一般偏航的动力设备设置在中心处，由于桁架梁长度大，偏航时中心处扭矩较大，对偏航的动力要求较高，在本方案中通过控制系统使两机组1的叶轮转速不同，由于转速差，使机组1在支撑梁3上的力矩不相同，进而支撑梁3可以绕塔架2的轴转动，而且偏航运动不需要设置专门动力设备，如偏航电机、偏航齿轮等零件，节约成本。在其他实施例中，也可以不设置控制叶轮转速的控制系统，通过设置机组1能够绕支撑梁3转动，调整机组1的位置来实现偏航。

如图4所示，在本实施例中，塔架2上连接有过渡法兰21，支撑梁3上连接有与过渡法兰21嵌套的滑套31，滑套31和过渡法兰21为圆形轴套结构，滑套31可以相对过渡法兰21转动，过渡法兰21固定在塔架2上，滑套31和连接的支撑梁3相对过渡法兰21转动，圆形轴套结构简单，便于加工，而且安装后精度容易保证，其中，支撑梁3上连接的滑套31相当于大型滑动轴承的外套，安装在塔架2上部的钢结构过渡法兰21相当于大型滑动轴承内轴，其中偏航油脂和摩擦片细节省略，在其他实施例中，也可不设置滑套31和过渡法兰21，采用现有技术中其他便于转动的结构实现偏航。

双机头风电机组1还包括刹车块4，刹车块4与滑套31连接，并与过渡法兰21摩擦接触；或者刹车块4与过渡法兰21连接，并与滑套31摩擦接触。在没有刹车块4的情况下，滑套31和过渡法兰21之间的自由度过高，滑套31和过渡法兰21之间会随意转动，不利于机组1的位置固定和偏航对风的准确度，设置刹车块4后，他们之间的转动具有一定的摩擦力，限制其转动的自由度，而且在需要偏航时，也易于控制转动后支撑梁3的位置，如图4和图6所示，本实施例中的刹车块4是设置在滑套31上，并与过渡法兰21摩擦接触，在其他实施例中也可以将刹车块4设置在过渡法兰21上，并与滑套31摩擦接触，本实施例中安装了多个刹车块4，多个刹车块4共同摩擦接触，可以减小单个刹车块4的摩擦力，延长刹车块4的寿命，在其他实施例中，也可以根据需要设置单个摩擦块。

如图4和图6所示，在本实施例中，滑套31的顶部具有径向伸出的上凸缘310，过渡法兰21的顶部具有径向伸出的上端缘210，刹车块4连接在滑套31上，且刹车块4和上凸缘310分别夹设于上端缘210的上下两侧，过渡法兰21的上端缘210夹设在刹车块4和滑套31的上凸缘310之间，限制过渡法兰21和滑套31之间沿轴向发生位移，同时可以保证两者转动时的摩擦效果，而且结构简单，安装方便。

如图4和图6所示，在本实施例中，刹车块4连接于上凸缘310的下表面，且刹车块4与上端缘210的下表面摩擦接触，刹车块4连接在上凸缘310的下表面，充分利用空间，便于对刹车块4安装。

刹车块4的截面为L形的形状，刹车块4分别与上端缘210的下表面和侧面摩擦接触；或者刹车块4分别与上端缘210的上表面和侧面摩擦接触。如图4所示，在本实施例中，过渡法兰21嵌套在滑套31内，刹车块4分别与上端缘210的下表面和侧面摩擦接触，在其他实施例中，可以设置滑套31嵌套在过渡法兰21内，刹车块4分别与上端缘210的上表面和侧面摩擦接触，通过设置刹车块4L形的两个面分别与上端缘210的侧面和上表面或者上端缘210的侧面和下表面摩擦接触，增大了摩擦接触面积，提高刹车块4的使用寿命。

在本实施例中，如图4和图7所示，滑套31的底部设置有下凸缘311，下凸缘311通过多个支撑杆35与支撑梁3连接，在机组1运行过程中，滑套31会受到较大径向的力，通过滑套31底部的下凸缘311上设置多个支撑杆35与支撑梁3连接，提高滑套31的稳定性。

在本实施例中，如图4和图7所示，滑套31的底部设置有下凸缘311，过渡法兰21的底部设置有下端缘211，下端缘211与塔架2的上表面连接，下凸缘311搁置在下端缘211上，滑套31的下凸缘311搁置在过渡法兰21的下端缘211上，使机组1和支撑梁3的载荷通过下凸缘311和下端缘211结构传递到塔架2上，而且结构更紧凑，稳定性好。

具体地，本实施例中支撑梁3采用的是预应力桁架梁，主要考虑结构用钢材料最少，预应力钢管抗疲劳和承载力高，桁架梁由不同规格钢管焊接而成，两个固定环32焊接在桁架梁上，用于螺栓连接机组1，滑套31通过加强板33和支撑杆35焊接在桁架梁上，主受力钢管36中间施加预应力系统37，细部结构主要为钢绞线360、锚具5、端板，滑套31安装在过渡法兰21上可以相对滑动，刹车块4可以增加其相对滑动阻力，盖板34安装在加强板33上。塔架2采用混凝土浇筑而成，混凝土下部为基础22，本实施例中混凝土塔架2为体外预应力结构，如图1、图3和图4所示，上部过渡法兰21通过锚具5与预应索6和混凝土塔架2连接为一个整体。

使用混凝土塔架2主要解决双机头风机巨大承载能力，而且混凝土塔架2可以解决双机头风机的频率要求，在风资源优良地区8-10MW双机头风机不需要很高的塔架2，常规80-90米即可，如果安装普通的8-10MW大功率机组1，因为叶片11很长，塔架2需要加高到120米以上，这会给运输和吊装带来很大问题，本实施例优化了机组1叶片11和结构型式，采用桁架梁和混凝土塔架2结合，实现了大功率最低的成本。

本实施例还公开了一种双机头风电机组1的运行方法，其使用上述的双机头风电机组1实现。

在本实施例中，控制叶轮的转速，使得叶轮的转速不同，从而控制支撑梁3相对塔架2的轴转动，通过控制叶轮转速，使叶轮之间有转速差，进而使两机组1在支撑梁3上产生不同大小的力矩，支撑梁3相对塔架2转动，从而实现偏航，而且不需要专门的动力设备，节约成本。在其他实施例中，也可以不控制叶轮的转速，可以手动驱动支撑梁3转动来实现偏航，也可以通过设置能够驱动支撑梁3转动的偏航电机实现偏航。

本实施例双机头风电机组的运行状态如下：

机组1正常运行状态：两机组1的叶轮转速相同，一个逆时针转动，另一个顺时针转动，两机组1的叶轮产生的力矩在支撑梁3中心抵消，此时桁架梁不动，无偏航状态。

机组1偏航状态：当风向发生变化需要偏航时，使用控制系统控制双叶轮的转速，叶轮产生转速差，此时力矩不能完全抵消，力矩可以使桁架梁转动一个角度，对风到位后，控制叶轮恢复相同的转速，力矩抵消，在刹车块4的摩擦下，偏航停止。

机组1停机状态：无风时，机组1不做控制，叶轮处于自由状态；有风时，也可以自由偏航，即被动对风，由风吹动到受力最小位；有风时也可以主动控制的转速，使得支撑梁3转动对风。

本实施例中的双机头风电机组1安装过程如下：首先，完成混凝土塔架2预支单元浇筑和过渡法兰21的加工制作，安装混凝土塔架2预制单元，最后安装过渡法兰21，安装预应力系统37的上下锚具5和张拉预应力索；其次，进行桁架梁焊接，准备各种规格的钢管、滑套31和固定环32，进行工厂焊接和表面防腐处理，主钢管预应力系统37张拉，运输至现场吊装到塔架2顶部，然后安装刹车块4，桁架梁整体运输，拆分成几大块，在现场进行焊接；最后，安装机组1和叶轮。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种双机头风电机组，其包括有机组和塔架，所述机组的数量为两个，所述塔架上安装有支撑所述机组的支撑梁，其特征在于，所述机组分别安装在所述支撑梁的两端，两个所述机组的叶片沿所述支撑梁的长度方向延伸，两个所述机组的叶片之间沿所述支撑梁的长度方向相互错开，两个所述机组的中心距离大于所述机组的叶轮半径且小于所述机组的叶轮直径。

2.如权利要求1所述的双机头风电机组，其特征在于，两个所述机组的叶片分别分布在所述支撑梁的前后两侧。

3.如权利要求1所述的双机头风电机组，其特征在于，其还包括控制所述叶轮的转速的控制系统，所述支撑梁可以绕所述塔架的轴转动。

4.如权利要求1或3所述的双机头风电机组，其特征在于，所述塔架上连接有过渡法兰，所述支撑梁上连接有与所述过渡法兰嵌套的滑套，所述滑套和所述过渡法兰为圆形轴套结构，所述滑套可以相对所述过渡法兰转动。

5.如权利要求4所述的双机头风电机组，其特征在于，所述双机头风电机组还包括刹车块，所述刹车块与所述滑套连接，并与所述过渡法兰摩擦接触；或者所述刹车块与所述过渡法兰连接，并与所述滑套摩擦接触。

6.如权利要求5所述的双机头风电机组，其特征在于，所述滑套的顶部具有径向伸出的上凸缘，所述过渡法兰的顶部具有径向伸出的上端缘，所述刹车块连接在所述滑套上，且所述刹车块和所述上凸缘分别夹设于所述上端缘的上下两侧。

7.如权利要求6所述的双机头风电机组，其特征在于，所述刹车块连接于所述上凸缘的下表面，且所述刹车块与所述上端缘的下表面摩擦接触。

8.如权利要求6所述的双机头风电机组，其特征在于，所述刹车块的截面为L形的形状，所述刹车块分别与所述上端缘的下表面和侧面摩擦接触；或者所述刹车块分别与所述上端缘的上表面和侧面摩擦接触。

9.如权利要求4所述的双机头风电机组，其特征在于，所述滑套的底部设置有下凸缘，所述下凸缘通过多个支撑杆与所述支撑梁连接。

10.如权利要求4所述的双机头风电机组，其特征在于，所述滑套的底部设置有下凸缘，所述过渡法兰的底部设置有下端缘，所述下端缘与所述塔架的上表面连接，所述下凸缘搁置在所述下端缘上。

11.一种双机头风电机组的运行方法，其使用如权利要求1-10任意一项所述的双机头风电机组实现。

12.如权利要求11所述的双机头风电机组的运行方法，其特征在于，控制叶轮的转速，使得所述叶轮的转速不同，从而控制支撑梁相对塔架的轴转动。

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