CN114109710A - 一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组 - Google Patents

一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，包括：塔架、轮毂、前叶轮、后叶轮、传动系统、机舱；其中，前叶轮、后叶轮在轮毂上呈前、后布置，前叶轮直径不超过后叶轮直径；前后叶轮独立旋转，旋转方向相反；前叶轮主轴和后叶轮主轴为同轴心布局，前叶轮主轴穿过机组轮毂并套在后叶轮主轴中间，轮毂前、后端各有一个轴承安装孔，前叶轮轴承安装在轮毂内部；后叶轮轴承通过轴承座安装在机舱内部；前、后叶轮主轴与双输入行星轮系进行连接，该行星轮系中行星架部件和内齿圈轴部件为动力输入部件；前叶轮主轴与行星架部件进行连接，后叶轮主轴与内齿圈部件进行连接，双输入行星轮系后面通过传动系统连接到发电机。

Description

一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组
技术领域
本发明涉及风电机组领域，尤其是一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组。
背景技术
风电已成为现阶段发展最快的可再生能源之一，预计到2030年，全球风电累计装机容量达2000吉瓦。根据目前全球风电产业发展水平，当前陆上风电成本已接近或低于水电成本，但海上风电成本仍与水电、火电等能源成本有较大差距。因此如何提高风电机组风能利用效率、降低度电成本，实现平价上网，是当今全球风电行业面临的共性关键难题。高效率地获取风能资源是全球风电技术发展的有效动力。探索新型高效风力发电技术，是实现风电机组平价上网的有效措施之一。
在探索新型风力发电技术方面，美国、丹麦、德国等欧美国家已全面开展，包括概念设计、性能分析、样机研制与试验等。国内近年来开始关注并开展研究，目前已有概念方案提出，如明阳智慧能源集团股份公司(周名军，张启应，邹荔兵等.耐腐蚀的双叶轮风力发电装置.中国专利，202020763915.92020-05-11.)提出了一种呈Y字型排布的双风轮风电机组，通过使用双叶轮的形式，确保发电稳定性，提升发电量。北京金风科创风电设备有限公司(周海霞，李会勋，翟永.一种多叶轮风力发电机组.中国专利，201922217990.5.2019-12-11)提出了一种多叶轮风电机组，该机组通过设置在塔架不同高度处的多个风轮实现对风能最大化利用。以上提出的新型风电技术路线通过采用多个叶轮共同进行风能捕获，以提升总体捕获能力，但未能有效改善和提升每个子叶轮的风能捕获效率。
发明内容
为提高风电机组风能捕获效率，本发明提出一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，通过在轮毂上设置两组独立旋转的叶轮以共同进行风能捕获，可有效降低轮毂处气动损失以及叶轮尾流损失，同时前、后叶轮流场相互作用也可改善整体气动性能，提升叶轮风能捕获效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，包括：塔架、轮毂、前叶轮、后叶轮、传动系统、机舱；其中，前叶轮、后叶轮在轮毂上呈前、后布置，前、后叶轮上的叶片数量相同或者不同，前叶轮直径不超过后叶轮直径；前后叶轮独立旋转，旋转方向相反；
前叶轮主轴和后叶轮主轴为同轴心布局，前叶轮主轴穿过机组轮毂并套在后叶轮主轴中间，轮毂前、后端各有一个轴承安装孔，前叶轮轴承安装在轮毂内部；后叶轮轴承通过轴承座安装在机舱内部；
前、后叶轮主轴与双输入行星轮系进行连接，该行星轮系中行星架部件和内齿圈轴部件为动力输入部件；前叶轮主轴与行星架部件进行连接，后叶轮主轴与内齿圈轴部件进行连接，双输入行星轮系后面通过传动系统连接到发电机。
进一步的，在风速作用下，前、后叶轮分别带动双输入行星轮系中行星架和内齿圈轴部件进行旋转，行星轮系中太阳轮为动力输出部件；前、后叶轮动力经双输入行星轮系合成后，通过太阳轮轴输出至发电机中。
进一步的，双输入行星轮系为一级增速系统，包括：行星架、内齿圈轴、内齿圈、行星轮、太阳轮；其中，内齿圈轴与行星架分别为该行星轮系的动力输入部件，太阳轮为动力输出部件；机组前叶轮主轴与行星架连接，前叶轮动力传递至行星轮上；后叶轮主轴与内齿圈轴连接，后叶轮动力传递至内齿圈；在风速作用下，前、后叶轮反向独立旋转，并分别带动行星架和内齿圈轴进行旋转。
进一步的，机舱中传动系统设置为不同的结构形式，分别形成轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组，或轮毂双叶轮反向旋转的双馈型风电机组。
进一步的，所述轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组，其中，前、后叶轮动力经过双输入行星轮系合成后，通过太阳轮轴输出至发电机中。
进一步的，轮毂双叶轮反向旋转的双馈型风电机组，传动系统为三级齿轮增速传动系统，具体采用两种结构型式，即：
(1)采用一级双动力输入行星轮系齿轮箱+二级单动力输入齿轮箱结构型式；
(2)采用单台三级齿轮箱结构型式，其中第一级传动形式为双动力输入行星轮系；
发电机采用双馈异步式发电机。
进一步的，当机组运行在额定风速以下时，基于合成功率-合成转速最佳运行曲线进行电磁转矩给定，并反馈至太阳轮轴上，当机组运行在额定风速或额定风速以上时，前叶轮采用失速调节或变桨距调节控制，后叶轮采用变桨距调节控制使机组功率值保持在额定功率值附近。
附图说明
图1为轮毂双叶轮反向旋转的新型风电机组整体结构图；
图2为两种不同叶轮形式的机组整体结构图；
图3为轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组传动系统结构简图；
图4为双输入行星轮系整体结构图；
图5为轮毂双叶轮反向旋转的双馈型风电机组传动系统结构简图。
其中：塔架1、前叶轮2、后叶轮3、机舱4、前叶轮主轴5、机组轮毂6、后叶轮主轴7、前叶轮轴承8、后叶轮轴承9、双输入行星轮系10、中速永磁同步发电机11、行星架12、内齿圈轴13、内齿圈14、行星轮15、太阳轮16、三级齿轮增速传动系统17、双馈异步式发电机18。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1为轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组整体结构图。包括：塔架1、前叶轮2、后叶轮3、机舱4等。前叶轮2和后叶轮3在机组轮毂上呈前后布置，前叶轮直径不超过后叶轮直径。
前、后叶轮上的叶片数量可相同或者不同，根据风能捕获效果、气动性能等进行叶片数量选取。图2为两种不同叶轮形式的机组整体结构图，其中，图2(a)为前、后叶轮上叶片数量均为2的机组整体结构图，图2(b)为前叶轮上叶片数量为2，后叶轮上叶片数量为3的机组整体结构图。
根据机舱中传动系统不同的结构形式，可将机组进一步细分为：轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组、轮毂双叶轮反向旋转的双馈型风电机组，其详细技术方案分别在下文实施例中进行详细说明。
实施例1：轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组
图3为轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组传动系统结构简图，主要包括：前叶轮主轴5，后叶轮主轴7，前叶轮轴承8、后叶轮轴承9、双输入行星轮系10和发电机11等部件。前叶轮主轴5和后叶轮主轴7为同轴心布局，前叶轮主轴5穿过机组轮毂6并套在后叶轮主轴7中间，轮毂前、后端各有1个轴承安装孔，前叶轮轴承8安装在轮毂内部。后叶轮轴承9通过轴承座安装在机舱4内部。双输入行星轮系10为一级增速系统。发电机11为中速永磁同步发电机。
图4为双输入行星轮系整体结构图，主要包括：行星架12、内齿圈轴13、内齿圈14、行星轮15、太阳轮16等部件。其中，内齿圈轴13与行星架12分别为该行星轮系的动力输入部件，太阳轮16为动力输出部件。机组前叶轮主轴5与行星架12连接，前叶轮动力传递至行星轮15上。后叶轮主轴7与内齿圈轴13连接，后叶轮动力传递至内齿圈。在风速作用下，前、后叶轮反向独立旋转，并分别带动行星架12和内齿圈轴13进行旋转。前、后叶轮动力经过双输入行星轮系合成后，通过太阳轮轴输出至发电机11中。
设定太阳轮16旋转方向为正向，则前、后叶轮合成在太阳轮轴上的角速度为：
Figure BDA0003415509800000041
式中，ωsun为太阳轮轴角速度，ωH为前叶轮角速度，ωR为后叶轮角速度，Zr为内齿圈齿数，Zs为太阳轮齿数。
前、后叶轮合成在太阳轮轴上的转速为：
Figure BDA0003415509800000042
式中，nsum为太阳轮轴转速，ωsun为太阳轮轴角速度。
设定太阳轮16上扭矩方向为正向，则前、后叶轮合成在太阳轮轴上的扭矩为：
Figure BDA0003415509800000043
式中，Tsun为太阳轮轴扭矩，TH为前叶轮输入扭矩，TR为后叶轮输入扭矩，iHs为行星架至太阳轮增速比，iRs为内齿圈至太阳轮增速比。
前、后叶轮合成在发电机输入轴上的功率为：
Pmotor＝PHηH+PRηR
式中，Pmotor为合成功率，PH为前叶轮输入功率，ηH为前叶轮到发电机输入轴的能量传递效率，PR为后叶轮输入功率，ηR为后叶轮到发电机输入轴的能量传递效率。
以前、后叶轮合成之后的转速、扭矩及功率为控制量，对机组进行控制。当机组运行在额定风速以下时，基于合成功率-合成转速最佳运行曲线进行电磁转矩给定，并反馈至太阳轮轴上。当机组运行在额定风速或额定风速以上时，前叶轮采用失速调节或变桨距调节控制，后叶轮采用变桨距调节控制使机组功率值保持在额定功率值附近。
实施例2：轮毂双叶轮反向旋转的双馈型风电机组
图5为轮毂双叶轮反向旋转的双馈型风电机组传动结构简图，主要包括：前叶轮主轴5，后叶轮主轴7，前叶轮轴承8、后叶轮轴承9、三级齿轮增速传动系统17和双馈异步式发电机18等部件。前叶轮主轴5和后叶轮主轴7为同轴心布局，前叶轮主轴5穿过机组轮毂6并套在后叶轮主轴7中间，在轮毂的前、后端部各有1个轴承安装孔，前叶轮轴承8安装在轮毂内部。后叶轮主轴承9通过轴承座安装在机舱4内部。三级齿轮增速传动系统17可具体采用两种结构型式，即：(1)采用一级双动力输入行星轮系齿轮箱+二级单动力输入齿轮箱结构型式；(2)采用单台三级齿轮箱结构型式，其中第一级传动形式为双动力输入行星轮系。
一级双输入行星轮系传动结构与半直驱型机组相同(图4)，主要包括：行星架12、内齿圈轴13、内齿圈14、行星轮15、太阳轮16等部件。其中，行星架12和内齿圈轴13分别为该行星轮系的动力输入部件，太阳轮16为动力输出部件。前叶轮主轴5与行星架12连接，前叶轮动力传递至行星轮15上。后叶轮主轴7与内齿圈轴13连接，后叶轮动力传递至内齿圈14上。在风速作用下，前、后叶轮反向独立旋转，并分别带动行星架12和内齿圈轴13进行旋转。前、后叶轮动力经三级齿轮增速传动系统合成后，通过高速轴输出至双馈异步式发电机18中。
设定太阳轮16旋转方向为正向，前、后叶轮合成在高速轴上的角速度为：
Figure BDA0003415509800000051
式中，ωHss为高速轴角速度，ωH为前叶轮角速度，ωR为后叶轮角速度，Zr为内齿圈齿数，Zs为太阳轮齿数，i2为三级齿轮增速传动系统中第二级增速比，i3为三级齿轮增速传动系统中第三级增速比。
前、后叶轮合成在高速轴上的转速为：
Figure BDA0003415509800000052
式中，nHss为高速轴转速，ωHss为高速轴角速度。
设定太阳轮上扭矩方向为正向，前、后叶轮合成在高速轴上的扭矩为：
Figure BDA0003415509800000053
式中，THss为高速轴扭矩，TH为前叶轮输入扭矩，TR为后叶轮输入扭矩，iHs为行星架至太阳轮增速比，iRs为内齿圈至太阳轮增速比，i2为三级齿轮增速传动系统中第二级增速比，i3为三级齿轮增速传动系统中第三级增速比。
前、后叶轮合成在发电机上的功率为：
Pmotor＝PHηH+PRηR
式中，Pmotor为合成功率，PH为前叶轮输入功率，ηH为前叶轮到发电机输入轴的能量传递效率，PR为后叶轮输入功率，ηR为后叶轮到发电机输入轴的能量传递效率。
以前、后叶轮合成之后的转速、扭矩及功率为控制量，对机组进行控制。当机组运行在额定风速以下时，基于合成功率-合成转速最佳运行曲线进行电磁转矩给定，并反馈至高速轴上。当机组运行在额定风速或额定风速以上时，当机组运行在额定风速或额定风速以上时，前叶轮采用失速调节或变桨距调节控制，后叶轮采用变桨距调节控制使机组功率值保持在额定功率值附近的预定范围内。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，其特征在于，包括：塔架、轮毂、前叶轮、后叶轮、传动系统、机舱；其中，前叶轮、后叶轮在轮毂上呈前、后布置，前、后叶轮上的叶片数量相同或者不同，前叶轮直径不超过后叶轮直径；前后叶轮独立旋转，旋转方向相反；
前叶轮主轴和后叶轮主轴为同轴心布局，前叶轮主轴穿过机组轮毂并套在后叶轮主轴中间，轮毂前、后端各有一个轴承安装孔，前叶轮轴承安装在轮毂内部；后叶轮轴承通过轴承座安装在机舱内部；
前、后叶轮主轴与双输入行星轮系进行连接，该行星轮系中行星架部件和内齿圈轴部件为动力输入部件；前叶轮主轴与行星架部件进行连接，后叶轮主轴与内齿圈轴部件进行连接，双输入行星轮系后面通过传动系统连接到发电机。
2.根据权利要求1所述的一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，其特征在于：在风速作用下，前、后叶轮分别带动双输入行星轮系中行星架和内齿圈轴部件进行旋转，行星轮系中太阳轮为动力输出部件；前、后叶轮动力经双输入行星轮系合成后，通过太阳轮轴输出至发电机中。
3.根据权利要求1所述的一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，其特征在于：双输入行星轮系为一级增速系统，包括：行星架、内齿圈轴、内齿圈、行星轮、太阳轮；其中，内齿圈轴与行星架分别为该行星轮系的动力输入部件，太阳轮为动力输出部件；机组前叶轮主轴与行星架连接，前叶轮动力传递至行星轮上；后叶轮主轴与内齿圈轴连接，后叶轮动力传递至内齿圈；在风速作用下，前、后叶轮反向独立旋转，并分别带动行星架和内齿圈轴进行旋转。
4.根据权利要求3所述的一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，其特征在于：
机舱中传动系统设置为不同的结构形式，分别形成轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组，或轮毂双叶轮反向旋转的双馈型风电机组。
5.根据权利要求4所述的一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，其特征在于：所述轮毂双叶轮反向旋转的半直驱型风电机组，其中，前、后叶轮动力经过双输入行星轮系合成后，通过太阳轮轴输出至发电机中。
6.根据权利要求4所述的一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，其特征在于：所述轮毂双叶轮反向旋转的双馈型风电机组，传动系统为三级齿轮增速传动系统，具体采用两种结构型式，即：
(1)采用一级双动力输入行星轮系齿轮箱+二级单动力输入齿轮箱结构型式；
(2)采用单台三级齿轮箱结构型式，其中第一级传动形式为双动力输入行星轮系；
发电机采用双馈异步式发电机。
7.按照权利要求5所述的一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组，其特征在于：
当机组运行在额定风速以下时，基于合成功率-合成转速最佳运行曲线进行电磁转矩给定，并反馈至太阳轮轴上，当机组运行在额定风速或额定风速以上时，前叶轮采用失速调节或变桨距调节控制，后叶轮采用变桨距调节控制使机组功率值保持在额定功率值附近预定范围。
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