CN114876737A - 一种风力气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风力气轮机，属于风电领域。该风力气轮机包括引气部件、导气部件、工作部件、排气部件、增压制动器、偏航部件、塔架；引气部件实现气流增速，其大端口为引气口，小端口与导气部件固定；导气部件包括导气圆管和导气机构，导气圆管的入口端与引气部件的小端口固定；工作部件包括转轮、主轴、主轴轴承、工作圆管，工作圆管一端与导气圆管固定，另一端与排气部件固定；排气部件为排气管；增压制动器包括两个管道；偏航部件包括尾舵、偏航轴承；对于更大功率风电机组，偏航部件采用偏航系统。本发明无需叶片，体积小、重量轻、运输安装简便，可大大降低风电机组运输安装及运维成本，真正实现风电机组轻量化、小型化、低成本的目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种气轮机，尤其是用于风力发电的一种风力气轮机，属于风电技术领域。
背景技术
目前风力发电系统分为水平轴和垂直轴风电机组，两者均需要叶片。其中，大功率水平轴风电机组每台均采用3只叶片，每只叶片长而重，长达数十米至百米，重达数吨至十几吨，运输困难、安装不便，尤其是超大功率风电机组，叶片更长更重，运输、安装、运行、维护难度可想而知，而且成本高，严重制约了风电机组向超大功率的发展。
发明内容
本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本发明提供一种大功率风电机组用风力气轮机，无需叶片，体积小、重量轻、运输安装简便，从而可大大降低风电机组运输、安装、运行维护成本，真正实现风电机组轻量化、小型化、低成本。
为了达到以上目的，本发明一种风力气轮机，包括：引气部件、导气部件、工作部件、排气部件、增压制动器、偏航部件、塔架。
所述引气部件实现气流增速，是一种喇叭状管道，其大端口为引气口，风从大端口吹入，其小端口与所述导气部件固定。
所述导气部件包括：导气圆管、第一导气机构、第二导气机构；所述第一导气机构包括导叶和转轴机构，所述转轴机构用于调节导叶的导向角；所述第二导气机构包括：喷嘴和调角机构，所述调角机构用于调节喷嘴的张开度；所述第一导气机构、第二导气机构安装在所述导气圆管内，所述导气圆管的入口端与所述引气部件的小端口固定。
所述工作部件包括：转轮、主轴、主轴轴承、工作圆管；所述转轮安装在所述工作圆管的中部；所述主轴与所述转轮固定，所述主轴的另一端通过发电机联轴器与风力发电机的转轴固定；所述主轴轴承套装在主轴外侧，安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，承担转轮重量及径向推力；所述转轮、主轴、主轴轴承、发电机联轴器、发电机转轴均保持同心；所述工作圆管的一端与所述导气圆管固定，另一端与所述排气部件固定。
所述排气部件又称为排气管，为开口的喇叭状排气管道，其小端口与所述工作部件的工作圆管固定，其大端口为排气口；
所述增压制动器包括两个管道：第一管道和第二管道；所述第一管道的一端安装固定在所述排气部件外部的前面，另一端安装固定在所述导气圆管外部的前面；所述第二管道的一端安装固定在所述排气部件外部的后面，另一端安装固定在所述引气部件外部的后面；
所述偏航部件包括尾舵、偏航轴承；所述尾舵安装固定在所述排气部件的后端，所述偏航轴承安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，其外圈与所述塔架固定，其内圈套装在所述主轴轴承的外侧，并与所述工作圆管固定。
进一步地，对于更大功率风电机组，所述偏航部件可采用偏航系统，包括偏航大齿圈、侧面轴承、偏航驱动装置、偏航制动器；所述偏航大齿圈与塔架用螺栓固定；所述偏航驱动装置包括偏航电机及其减速器、小齿轮，所述小齿轮与偏航大齿圈相啮合，所述偏航驱动装置通过螺栓紧固在所述工作部件的工作圆管上。当风向改变时，所述偏航驱动装置驱动所述工作圆管旋转，实现偏航对风。所述偏航系统是现有水平轴风电机组偏航系统的简化版，采用本发明风力气轮机的无叶片风电整机，由于风力发电机垂直安装在塔架内，无需解缆，所以无需偏航计数器和扭缆保护装置。
本发明的有益效果是：
1)因为无需长而重的叶片，大大降低了运输、安装以及整机制造成本，可真正实现风电机组轻量化、小型化、低成本的目标；
2)采用与现有风能捕获完全不同的机制，通过气流增速装置，使风速增速，大大提高了风能捕获效率，其效率可达90％以上，远超传统风力机风能利用系数的贝茨极限59.3％，使得风电机组体积大大缩小，消除了超大功率风电机组的发展瓶颈；
3)采用本发明风力气轮机的无叶片风电整机，由于风力发电机垂直安装在塔架内，无需解缆，控制更简便，运行更可靠。
附图说明
图1为本发明风力气轮机结构示意图。
图2为采用本发明风力气轮机的无叶片风电整机结构示意图。
图3为本发明制动原理示意图。
图4为本发明风力气轮机采用偏航系统的另一种结构示意图。
其中，1-气流增速器，11-引气口；2-导气部件，21-导气圆管，22-第一导气机构，221-导叶，222-转轴机构，23-第二导气机构，231-喷嘴，232-调角机构；3-工作部件，31-转轮，32-主轴，33-主轴轴承，34-工作圆管；4-排气部件，41-排气口；5-增压制动器，51-第一管道，52-第二管道；6-偏航部件，61-尾舵，62-偏航轴承，63-偏航系统；7-塔架；8-风力发电机；9-发电机联轴器
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种风力气轮机，包括：引气部件1、导气部件2、工作部件3、排气部件4、增压制动器5、偏航部件6、塔架7。
如图1所示，引气部件1实现气流增速，为开口的喇叭状管道，其大端口为引气口11，风从大端口吹入，其小端口与导气部件2的导气圆管21固定。
如图1所示，导气部件2包括：导气圆管21、第一导气机构22、第二导气机构23；第一导气机构22包括导叶221和转轴机构222，转轴机构222用于调节导叶221的导向角；第二导气机构23包括：喷嘴231和调角机构232，调角机构232用于调节喷嘴231的张开度；第一导气机构22、第二导气机构23安装在导气圆管21内，导气圆管21的入口端与引气部件1的小端口固定。
其工作过程是：当风速在切入风速和额定风速之间时，转轴机构222调节导叶221使其导向角为零，同时调角机构232调节喷嘴231使其张开度为额定值。当风速大于额定风速后，首先由调角机构232调节喷嘴231的张开度至适当值，降低喷嘴的气流速度，使捕获的风功率等于额定功率值；当风速继续增大，则使转轴机构222调节导叶221的导向角至适当值，使捕获的风功率等于额定功率值；当风速超过切出风速时，则使转轴机构222调节导叶221直至关闭，阻断气流流入工作部件3。
图2为采用本发明风力气轮机的无叶片风电整机结构示意图。如图1、图2所示，工作部件3包括：转轮31、主轴32、主轴轴承33、工作圆管34；转轮31安装在工作圆管34的中部；主轴32与转轮31固定，主轴32的另一端通过发电机联轴器9与风力发电机8的转轴固定；主轴轴承33套装在主轴32的外侧，安装在工作圆管34与塔架7的结合处，承担转轮31的重力及径向推力；转轮31、主轴32、主轴轴承33、发电机联轴器9、风力发电机8的转轴均保持同心；工作圆管34的一端与导气圆管21固定，另一端与排气部件4固定。高速气流通过喷嘴231驱动转轮31旋转，带动主轴32旋转，主轴32带动发电机转子旋转，实现发电。
如图1所示，排气部件4又称为排气管，为开口的喇叭状管道，其小端口与工作部件3的工作圆管34固定，其大端口为排气口41。
如图1、图3所示，增压制动器5包括两个管道，第一管道51的一端安装固定在排气管4外部的前面，另一端安装固定在引气部件1外部的前面；第二管道52的一端安装固定在排气管4外部的后面，另一端安装固定在引气部件1外部的后面。正常工作时，即风速在切入风速和切出风速之间时，增压制动器5通过第一管道51和第二管道52将转轮31排出的气流回引至引气部件1(气流增速器)，起增压作用；当转轮31需要快速制动时，导气部件2的转轴机构222控制导叶221，阻断气流流入，气流将流过增压制动器5的管道，反方向喷射转轮31，使转轮31快速停转。
如图1所示，偏航部件6包括尾舵61、偏航轴承62；尾舵61安装固定在排气部件4的后端，偏航轴承62安装在工作圆管34与塔架7的结合处，其外圈与塔架7固定，其内圈套装在主轴轴承33外侧，并与工作圆管34固定。其原理是：当风向改变时，尾舵61在风力作用下，使排气部件4受力，带动工作圆管34旋转，使风力气轮机偏航，实现自动对风。
如图4所示，对于更大功率风电机组，偏航部件6可采用偏航系统63，包括偏航大齿圈、侧面轴承、偏航驱动装置、偏航制动器。它是现有水平轴风电机组偏航系统的简化版，如图2、图4所示，采用本发明风力气轮机的无叶片风电整机，由于风力发电机8垂直安装在塔架内，无需解缆，所以无需偏航计数器和扭缆保护装置。偏航大齿圈与塔架7用螺栓固定；偏航驱动装置包括偏航电机及其减速器、小齿轮，小齿轮与偏航大齿圈相啮合，偏航驱动装置通过螺栓紧固在风力气轮机的工作圆管34上，当风向改变时，偏航驱动装置驱动工作圆管34旋转，使风力气轮机偏航，实现对风。
下面对本发明风力气轮机气流增速原理进行分析说明。
根据流体运动的连续性方程，引气口11的风速与喷嘴口的气流速度有如下关系：
V1A1＝V2A2 (1)
式中，V1、V2分别为引气口11的平均风速与喷嘴口的平均气流速度，A1、A2分别为引气口11与喷嘴口的有效截面积。
则由式(1)可得：
式中，D1、D2分别为引气口11与喷嘴口的直径。
因为D1＞D2，所以V2＞V1，实现了气流增速。
喷嘴口的气流功率P2为：
式中，ρ是空气密度，k＝(D1/D2)4。
从式(3)可以看出，通过气流增速，喷嘴口的气流功率可以达到引气口11捕获的风能功率的(D1/D2)4倍。
下面对比分析本发明风力气轮机捕获的风能功率与传统的水平轴风电机组捕获的风能功率。
传统的水平轴风电机组捕获的风能功率为：
式中，A是水平轴风力机叶轮面积，Cp是风能利用系数，其理论上最大值是59.3％。
若要使本发明风力气轮机的功率等于相应的水平轴风电机组的功率，即令P2＝P，则由式(3)、式(4)有：
kA1＝CpA (5)
则：
由k＝(D1/D2)4可得：
式中，D是水平轴风力机叶轮直径。
下面用两个优选实施例对本发明做进一步说明。
1)以某公司3MW水平轴风机为例，其叶轮直径D为150m，取Cp＝0.5；若本发明风力气轮机的引气口直径D1取为3m，由式(6)可得：k＝1250，则由式(7)可得：喷嘴口直径D2＝0.5m，即本发明风力气轮机的引气口直径和喷嘴口直径分别取3m和0.5m，则本发明风力气轮机的功率相当于现有3MW水平轴风机。
2)以某公司8MW水平轴风机为例，其叶轮直径D为175m，取Cp＝0.5；若本发明风力气轮机引气口直径D1取为4m，由式(6)可得：k＝957，则由式(7)可得：喷嘴口直径D2＝0.72m；若D1取为5m，则D2＝1m。即本发明风力气轮机的引气口直径和喷嘴口直径分别取4m和0.72m，或者分别取5m和1m，则本发明风力气轮机的功率相当于现有8MW水平轴风机。
由此可见，本发明风力气轮机可大大缩小整机体积、减轻重量，实现轻量化、小型化、低成本的目标。
Claims (2)
1.一种风力气轮机，其特征在于：包括：引气部件、导气部件、工作部件、排气部件、增压制动器、偏航部件、塔架；
所述引气部件是一种喇叭状管道，实现气流增速，其大端口为引气口，风从大端口吹入，其小端口与所述导气部件固定；
所述导气部件包括：导气圆管、第一导气机构、第二导气机构；所述第一导气机构包括导叶和转轴机构，所述转轴机构用于调节导叶的导向角；所述第二导气机构包括：喷嘴和调角机构，所述调角机构用于调节喷嘴的张开度；所述第一导气机构、第二导气机构安装在所述导气圆管内，所述导气圆管的入口端与所述引气部件的小端口固定；
所述工作部件包括：转轮、主轴、主轴轴承、工作圆管；所述转轮安装在所述工作圆管的中部；所述主轴与所述转轮固定，所述主轴的另一端通过发电机联轴器与风力发电机的转轴固定；所述主轴轴承套装在主轴外侧，安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，承担转轮重量及径向推力；所述转轮、主轴、主轴轴承、发电机联轴器、发电机转轴均保持同心；所述工作圆管的一端与所述导气圆管固定，另一端与所述排气部件固定；
所述排气部件为排气管，其小端口与所述工作部件的工作圆管固定，其大端口为排气口；
所述增压制动器包括第一管道和第二管道；所述第一管道的一端安装固定在所述排气部件外部的前面，另一端安装固定在所述导气圆管外部的前面；所述第二管道的一端安装固定在所述排气部件外部的后面，另一端安装固定在所述引气部件外部的后面；
所述偏航部件包括尾舵、偏航轴承；所述尾舵安装固定在所述排气部件的后端，所述偏航轴承安装在所述工作圆管与所述塔架的结合处，所述偏航轴承的外圈与所述塔架固定，所述偏航轴承的内圈套装在所述主轴轴承的外侧，并与所述工作圆管固定。
2.根据权利要求1所述的一种风力气轮机，其特征在于：对于更大功率风电机组，所述偏航部件采用偏航系统，所述偏航系统包括：偏航大齿圈、侧面轴承、偏航驱动装置、偏航制动器；所述偏航大齿圈与所述塔架用螺栓固定；所述偏航驱动装置包括偏航电机、减速器、小齿轮，所述小齿轮与所述偏航大齿圈相啮合，所述偏航驱动装置通过螺栓紧固在所述工作部件的工作圆管上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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