CN114370378A - 一种多叶轮风电系统的支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多叶轮风电系统的支撑结构。支撑结构主要由支撑桁架、抗拉杆系以及拉索组成。支撑桁架包含支撑杆件及节点，是平面桁架结构或空间桁架结构。多个风力发电单元固定在的节点上，每个节点与至少两个支撑杆件联接。抗拉杆系由多个抗拉杆件组成，支撑桁架通过多个抗拉杆件以及若干拉索偏航回转支承或塔架联接。抗拉杆件位于节点的上风向，布置在多个叶片扫掠区域之间，既能够使杆件合理的承载，抵抗叶轮产生的推力载荷，同时也避免了杆件和拉索与叶轮发生干涉，减少对叶轮迎风的阻挡。方案增加了支撑结构杆件承载的稳定性，利于降低支撑结构的重量，提高经济性。

Description

一种多叶轮风电系统的支撑结构

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种多叶轮风电系统的支撑结构。

背景技术

成本是全球风电发展的瓶颈问题，机组大型化（单机容量增加）是解决成本问题的最有效途径。海上风电项目的不断开展使得机组大型化成为了必然的发展趋势。随着机组容量的增加，传统的单叶轮风电机组的升级遇到的挑战越来越严峻，机组载荷急剧增加，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。

多叶轮风力发电系统是将多个风力发电单元安装在同一个支撑结构中实现风能到电能转换的风电装备。相比于传统单叶轮风电机组，多叶轮风力发电系统无需使用超长、超重的叶片，也避免了超大扭矩的出现，为海上风电机组大型化，降低机组开发成本提供了新途径。

一般的技术方案使得多叶轮风力发电系统的支撑结构和塔架的造价总和要高于传统单叶轮风电机组的塔架。因此，为了尽可能的降低支撑结构的成本，提高多叶轮风力发电系统的市场竞争力，需要设计一种新的支撑结构。

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 108368821 A公开一种风力发电站包括成行列布置的多个风轮机系统，并且包括具有至少一个线缆的线缆支撑系统。该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，塔架与基础面（即地面）直接还采用了线缆连接。

CN 102305171 A和CN 102305172 A都公开了一种本发明公开了一种带有连杆的多转子风力发电系统。该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，悬臂梁与塔架之间添加了连杆。

CN 102305185 A和CN 102322397 A都公开了一种带有吊杆的多转子风力发电系统。该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，最上层悬臂梁与塔架顶端之间添加了连杆，悬臂梁与悬臂梁直接也添加了连杆。

上述的专利提到的支撑结构只适用于小型或者中小型多叶轮风电系统，而这些容量级别相比于单叶轮机组来说，使用多叶轮的成效（降低机组成本）是微乎其微的，即没有必要使用多叶轮。而对于大型风电机组来说，上述的专利提到的支撑结构的形式不是最优的，悬臂梁结构承载能力与自身重量的比值要小于空间桁架结构，即使用更大的重量来提高承载能力，这显然与降低支撑结构成本（重量）的目标相违背。

欧洲大型风电项目INNWIND的技术报告中提到的20MW以及GL GH公司前期开发的5MW多叶轮风电系统的支撑结构都采用了空间桁架结构。多叶轮系统中支撑结构的载荷主要来自于叶轮的推力，在上述两种设计中，抵抗推力的杆件都设置在叶轮的下风向。杆件的承载形式都是主要承受压力载荷，这种受力方式对于杆件来说是不合理的，易出现压杆失稳的情况，进而出现杆件塑性变形。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种多叶轮风电系统的支撑结构，以解决背景技术中的至少一个技术问题。

为达上述目的，提供一种多叶轮风电系统的支撑结构，其主要部件包括:支撑桁架、抗拉杆系以及拉索。所述支撑结构的作用是固定风力发电单元，将来自于风力发电单元的载荷传递至多叶轮风电系统的偏航回转支承或塔架。

所述支撑桁架包含支撑杆件及节点，是平面桁架结构或空间桁架结构。多个风力发电单元全部通过机械联接固定在多个所述节点上，每个所述节点与至少两个所述支撑杆件联接，所述支撑桁架中有至少两个所述支撑杆件与所述偏航回转支承或所述塔架联接。

所述抗拉杆系有多个抗拉杆件组成。所述抗拉杆件直接与所述支撑杆件联接，或者与其他所述抗拉杆件联接。所述拉索一端与所述抗拉杆件或所述支撑杆件联接，另一端与所述偏航回转支承或所述塔架联接。

在进一步的技术方案中，所述支撑桁架与所述偏航回转支承或所述塔架的顶端联接，所述风力发电单元和所述节点的联接面，与所述偏航回转平面或所述塔架的顶端平面垂直。

在进一步的技术方案中，所述支撑结构与所述偏航回转支承或所述塔架的顶端的联接点至少有四个，位于所述节点的正下方，上风向及下风向。

在进一步的技术方案中，所述节点的上风向和下风向都设置有所述拉索，所述抗拉杆系设置在所述节点的上风向。

在进一步的技术方案中，所述拉索设置有预紧力，所述节点上风向的所述拉索的预紧力小于所述节点下风向的所述拉索的预紧力。

在进一步的技术方案中，支撑杆件及抗拉杆件的断面是圆形或者椭圆形或者四边形。

在进一步的技术方案中，所述风力发电单元包含若干叶片，所述叶片旋转一周形成叶轮扫掠区域，所述扫掠区域位于所述节点的上风向。

在进一步的技术方案中，所述抗拉杆件位于多个所述风力发电单元形成的所述扫掠区域之间，所述抗拉杆件与所述叶片不发生机械干涉。

在进一步的技术方案中，多个所述抗拉杆件能够组成至少一个封闭的平面多边形。

在进一步的技术方案中，所述抗拉杆件上装有引流装置，所述引流装置采用管型结构，所述引流装置位于所述扫掠区域的上风向。

上述技术方案的有益效果包括：

本发明实施例通过支撑杆件及节点组成的支撑桁架固定风力发电单元，将来自于风力发电单元的载荷传递至多叶轮风电系统的偏航回转支承或塔架。布置在节点上风向的抗拉杆系与拉索在多个叶轮扫掠区域之间与支撑桁架联接，既能够使杆件合理的抵抗叶轮产生的推力载荷，同时也避免了杆件和拉索与叶轮发生干涉，减少对叶轮迎风的阻挡。支撑结构杆件承载的稳定性增加，利于降低支撑结构的重量，提高经济性。

附图说明

图1为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的支撑结构侧视图。

图2为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的支撑结构正视图。

图3为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的支撑结构俯视图。

图4为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的支撑结构立体示意图。

附图标号说明：1-支撑桁架，2-抗拉杆件，3-拉索，4-风力发电单元，5-支撑杆件，6-节点，7-偏航回转支承，8-塔架，9-叶片，10-主矢量风向，11-扫掠区域，12-偏航联接。

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，而实际的多叶轮系统支撑结构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。本专利描述的仅是一部分实施例，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1-4所示，多叶轮风电系统的支撑结构，其主要部件包括:支撑桁架1、抗拉杆系（抗拉杆系由多个抗拉杆件2组成）以及拉索3。支撑结构位于偏航回转支承7和塔架8的顶部，其作用是固定风力发电单元4，将来自于风力发电4单元的载荷传递至多叶轮风电系统的偏航回转支承7或塔架8，当没有偏航回转支承7时，支撑结构的载荷直接传递至塔架8。在一些实施例中，风力发电单元4包含，叶片9，轮毂，发电机，主轴承等部件。风力发电单元包含至少两支叶片9，叶片9旋转一周形成叶轮扫掠区域11，扫掠区域11位于节点6的上风向。一般的，风力发电单元4是上风向机组，则扫掠区域11位于节点6的上风向，即沿着主矢量风向出来的风先经过扫掠区域11，再经过节点6（如图1和4所示）。

支撑桁架主要包含支撑杆件5及节点6，是平面桁架结构或空间桁架结构。在一些实施例中，多个支撑杆件5可以选用二肢柱结构，增加抗弯能力。多个风力发电单元4全部通过机械联接固定在多个节点6上，在一些实施例中，风力发电单元4可以使用螺栓与节点6联接，每个节点6与至少两个支撑杆件5联接。位于两侧的节点6联接的支撑杆件5数量较少，位于中间的节点6联接的支撑杆件5数量较多。如图2所示，在一些实施例中，位于中间的节点6联接的支撑杆件5数量是六个。

支撑结构位于偏航回转支承7和塔架8的顶部，其中，支撑桁架1，偏航回转支承7和塔架8的顶部联接。如图4所示。在一些实施例中，支撑桁架1可以通过偏航联接12与偏航回转支承7联接。如图2所示，支撑桁架1中有至少两个支撑杆件5与偏航回转支承7联接。

叶片9的旋转轴线，即轮毂的旋转轴线应当与节点6以及与节点6联接的支撑杆件5是垂直的。这种设定也说明了，风力发电单元4的倾角是0度（需要说明的一点是常规单叶轮机组在叶片在容量进入兆瓦级后，为了保证叶片的净空，即叶片与塔架不发生干涉，一般倾角不是0度），主要原因是为了保证叶片9旋转至任意方位时都不会和临近的支撑杆件5发生干涉。常规单叶轮机组只在叶片旋转至下方时会有净空问题，而多叶轮系统则不一样，如图2所示，位于中间的风力发电单元4的叶片9需要考虑与所连接点周围六个支撑杆件5的干涉问题。由于要尽量保持风力发电单元正迎风，扫掠区域11与主矢量风向10保持近似垂直，风力发电单元4和节点6的联接面与偏航回转支撑7的平面或述塔架8的顶端平面垂直，即支撑桁架整体也是与偏航回转支撑7的平面或述塔架8的顶端平面垂直。

多叶轮系统的生命周期内大多数时间来风都是沿着主矢量风向10，抗拉杆件2设置在节点6的上风向，这些抗拉杆件2主要承受拉伸方向的载荷。节点6的下风向没有布置抗拉杆件2就是为了避免让杆件承受压力载荷。多叶轮系统的生命周期内的一部分时间内，有概率出现风是沿着主矢量风向10相反的方向移动，即封从支撑结构的“背面”吹来，如1年一遇的大风出现，多叶轮系统考虑到载荷的原因，不能在大风时进行偏航，因此节点6的下风向设置的拉索3会承受拉伸载荷，既限制了支撑结构发生较大形变，也限制了抗拉杆件2需要暂时承受的压力载荷。

拉索3设置有预紧力，保证支撑结构在几乎不受载的情况下（如风很小时）不会出现松弛和下坠，这样是为了避免支撑结构载荷增大时出现较大的冲击载荷。如图1和4所示，在一些实施例中，风力发电单元4位于节点6的上风向，由于风力发电单元自身的重力，位于节点6上风向的拉索3的预紧力要小于位于节点6下风向拉索3的预紧力。一般的来说，位于节点6上风向的拉索3与位于节点6下风向拉索3的预紧力不相等。

支撑结构与偏航回转支承7或塔架的顶端8的联接点至少有四个。因为整个支撑结构包含支撑桁架1、抗拉杆系以及拉索3。前述内容提到，由于支撑杆件5的自然延伸，使得支撑桁架1与偏航回转支承7或塔架的顶端8的联接点至少有两个。支撑桁架1前后都需要布置拉索3或抗拉杆件2，因此总共联接点至少有4个，这些联接点位于节点6的正下方，上风向及下风向。如图4所示，在一些实施例中联接点，即偏航联接12的数量达到了七个。

支撑杆件5及抗拉杆件2的断面可以是圆形或者椭圆形或者四边形。考虑支撑结构自身的风阻，一般支撑杆件5及抗拉杆件2的断面为圆形。

如果支撑结构上没有风力发电单元4，则可以直接使用拉索3与支撑桁架1联接。为了避免拉索3与叶片9的干涉，抗拉杆件2必须位于多个风力发电单元4形成的扫掠区域11之间，这样，抗拉杆件2自身与叶片9不发生机械干涉，与抗拉杆件联接的拉索3也不会与叶片9发生机械干涉。位于节点上风向的拉索3一端与抗拉杆件2或联接，另一端与偏航回转支承7或塔架8联接；位于节点下风向的拉索3一端与支撑杆件5联接，另一端与偏航回转支承7或塔架8联接。

部分抗拉杆件2直接与支撑杆件5联接，这些杆件的作用主要是支撑，使得其他抗拉杆件2或拉索3与扫掠区域的距离增大，避开叶片9。这些没有与支撑杆件5直接联接的多个抗拉杆件2能够组成至少一个封闭的平面多边形，这些抗拉杆件由于要更好的传递载荷，因此只能组成平面多边形而非空间多边形。如图2-4所示，在一些实施例中，这些抗拉杆件2至少组成了一个完整的平面六边形（图3中抗拉杆件2用加粗线表示）。

多个抗拉杆件2布置在多风力发电单元4形成的扫掠区域11之间，能够对扫掠区域11形成了空间上的包围或半包围。在抗拉杆件2上安装管型结构引流装置13，可以使得引流装置13处于扫掠区域11的上风向。引流装置13可以使得风进入扫掠区域11之前产生一定的加速效应，提高风力发电单元4的发电能力。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上风向和下风向”这两个指示的方位或位置关系的词语是基于中华人民共和国国家标准 “GB/T 18451.1-2012：风力发电机组设计要求”中第3章节“术语和定义”中的相关解释选取的。这样做是为了避免“前方和后方”等较模糊的描述方位或位置的词语，对本领域的普通技术人员造成理解上的不便，甚至造成歧义。不能理解为对本发明的限制。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：支撑结构主要由支撑桁架、抗拉杆系以及拉索组成，所述支撑结构的作用是固定风力发电单元，将来自于风力发电单元的载荷传递至多叶轮风电系统的偏航回转支承或塔架；

所述支撑桁架包含支撑杆件及节点，是平面桁架结构或空间桁架结构；

多个风力发电单元全部通过机械联接固定在多个所述节点上，每个所述节点与至少两个所述支撑杆件联接，所述支撑桁架中有至少两个所述支撑杆件与所述偏航回转支承或所述塔架联接；

所述抗拉杆系，由多个抗拉杆件组成；

所述抗拉杆件直接与所述支撑杆件联接，或者与其他所述抗拉杆件联接；

所述拉索一端与所述抗拉杆件或所述支撑杆件联接，另一端与所述偏航回转支承或所述塔架联接。

2.根据权利要求1所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：所述支撑桁架与所述偏航回转支承或所述塔架的顶端联接，所述风力发电单元和所述节点的联接面，与所述偏航回转平面或所述塔架的顶端平面垂直。

3.根据权利要求1所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：所述支撑结构与所述偏航回转支承或所述塔架的顶端的联接点至少有四个，位于所述节点的正下方，上风向及下风向。

4.根据权利要求1所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：所述节点的上风向和下风向都设置有所述拉索，所述抗拉杆系设置在所述节点的上风向。

5.根据权利要求4所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：所述拉索设置有预紧力，所述节点上风向的所述拉索的预紧力小于所述节点下风向的所述拉索的预紧力。

6.根据权利要求1所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：支撑杆件及抗拉杆件的断面是圆形或者椭圆形或者四边形。

7.根据权利要求1所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：所述风力发电单元包含若干叶片，所述叶片旋转一周形成叶轮扫掠区域，所述扫掠区域位于所述节点的上风向，所述叶片的旋转轴线与所述偏航回转平面或所述塔架的顶端平面平行。

8.根据权利要求7所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：所述抗拉杆件位于多个所述风力发电单元形成的所述扫掠区域之间，所述抗拉杆件与所述叶片不发生机械干涉。

9.根据权利要求7所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：多个所述抗拉杆件能够组成至少一个封闭的平面多边形。

10.根据权利要求7所述的一种多叶轮风电系统的支撑结构，其特征是：所述抗拉杆件上装有引流装置，所述引流装置采用管型结构，所述引流装置位于所述扫掠区域的上风向。

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