CN116601385A - 海上发电系统 - Google Patents

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CN116601385A CN202180084449.9A CN202180084449A CN116601385A CN 116601385 A CN116601385 A CN 116601385A CN 202180084449 A CN202180084449 A CN 202180084449A CN 116601385 A CN116601385 A CN 116601385A
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Abstract

本公开描述了一种海上发电系统，该系统包括T形毂，该T形毂连接到发电机壳体中的共用轴上的推进器叶片和发电机。毂通过襟翼将各个推进器叶片的可变扭矩传递到一共用轴上，发电机通过联接器连接到该轴。

Description

海上发电系统
技术领域
本发明涉及一种利用风力发电的海上发电涡轮机系统。该系统包括装配在安装于浮动浮体上的桅杆上的风力涡轮机。
海上发电系统包括连接到推进器叶片的T形毂和在发电机壳体中的共用轴上的多个发电机。
背景技术
用于发电的风力涡轮机在过去是众所周知的，并且近年来已经经历了发展。从仅仅固定在陆地上，这种发展也使得安装在海床上和安装在锚定于海床上的浮体上成为可能。
当输出功率增加时，风力涡轮机的尺寸、重量和建造成本增加，并且这种关系现在是建造和构建具有相关较大推进器直径和位于水面上方较高位置的毂的较大涡轮机的几个限制因素之一。
虽然推进器(其捕获风并且作为产生能量的基础)的扫掠面积对于规模随着二次方的比例而增加，但是结构元件的体积以及重量将随着接近三次方的比例而增加。
增加的重量通常导致结构上更大的负载，尤其是由于发电机和桅杆顶部推进器的重量。
更大的推进器直径将增加位于离桅杆更远处的推进器叶片的偏转，这反过来增加了重量。更大的推进器直径也将遇到从较低位置流入直到叶片到达其顶部位置的空气的速度的巨大变化，例如在海拔50米以上的较低位置中的推进器末端和在海拔450米以上的较高位置中的推进器末端可能经历25％的风速增加，而如今在海拔230米以上的较高位置中的更普通的推进器直径将经历16％的风速增加，这是使用以下运算项发现的:
V顶＝V底*(Z顶/Z底)^0,1，其中V表示速度，Z表示海拔高度。
为了补偿推进器叶片升力的差异以及对发电机转矩的贡献，在大约4-5秒的持续时间内，通过推进器的半转(half turn)，当前实施例中的推进器叶片可绕它们的纵向轴线旋转从而通过升力的相应变化来调节相对于流入空气的角度。随着直径的增加，叶片的重量和相应的质量惯性将变得太大而不允许如此快速的旋转。因此，必须将大直径推进器固定地连接到毂上，并且必须通过使用多个襟翼来改变沿着叶片纵向的旋转角度，这些襟翼在任何时候都可以通过致动器被单独且快速地设置到最佳角度。
由变化的风力条件引起的推进器叶片的不平衡可能导致结构的振荡和振动，这与增加的负载一起，对单元的构造和基础提出了更高的要求，总的来说，构造成本将显著增加。
因此，目前期望的产量增加将主要通过从陆地和浅海岸水域中按已知模式增加多个标准化单元来实现，该生产会占据很大面积。
这种布置往往会产生重大的环境后果，例如，会对鸟类种群构成威胁，嵌入式锚定系统、电力和信号电缆会对海底造成干扰，从而影响海洋生物，进而影响渔业。所需的面积也将成为捕鱼和航运的障碍。
因此，需要一种系统来增加发电单元的容量，而不大幅增加尺寸和重量，从而减少单元的数量，从而减少对自然的影响。
涡轮机的输出由推进器和发电机的效率决定。因此，希望提高推进器在所有变化的风力条件下输送尽可能多的升力和扭矩的能力，并将其与调节发电机上的负载相结合，从而优化涡轮机的总输出。对一直运行的推进器和多个发电机可变表面的最佳设置进行控制的过程由中央单元控制，该中央单元接收来自推进器叶片、发电机和风力涡轮机外部的传感器的数据。
技术现状的披露
Teco-Westinghouse电机公司(www.tecowestinghouse.com)制造DC直流电机，该电机包括共用轴，在该轴上装配有成一排的两个电动转子，相关的独立定子装配在共用壳体的内部。电机不是被设计为通过将转子/定子单元脱离接合来调节性能。这种电机通常用于空间条件要求结构高度较小的地方，如潜艇。
US8084909B2描述了一种电动机/发电机，该电动机/发电机围绕其旋转轴线在纵向方向上延伸，从而在相同的直径下产生增强的效果。发电机没有分成几个部分，因此发电机上的负载不能通过接合/分离部分来调节。该实施例被提供用于直径很重要的风力涡轮机。
EP1442216B2描述了一种推进器，其中可以通过改变叶片面积、旋转角度和有效面积与毂的距离来调节空气动力特性。一个实施例显示了分成两个部分的推进器叶片，其中处于缩回位置的外部部分隐藏在内部部分中，并且其可以通过伸缩臂被推出，从而增加机翼面积。另一个实施例在于，整个推进器叶片通过伸缩装置从毂呈现不同的位置。通过在当前可用的风流中尽可能好地随时调整推进器叶片的面积、旋转角度和位置，实施例将能够在变化的风力条件下更好地利用能量。
EP2087205B1描述了一种沿纵向分成两部分的涡轮叶片，其中外部部分具有由致动器控制的可调节的旋转角度，用线材加固的内部部分也可以旋转到工作位置或停放位置。该实施例将通过相对于进入的风流最佳地连续调节外部部分的旋转角度而具有更高的效率。
JP2001132615A和DE102004022730A1都是解决方案的例子，其中通过使用可变的推进器叶片长度来寻求增加推进器效率，并且其中外部部分除了可旋转之外，还可旋转并且设置有襟翼以调节升力。
US9500179B2描述了一种由3个部分构成的推进器叶片，其中这些部分之间的固定连接由能够最好地吸收弯矩和剪切力的管道和角钢的结构组成。
发明内容
在以下整个说明书中，以下术语表示:
术语“风力涡轮机”用于描述利用动能产生动力的单元。风力涡轮机包括可旋转地布置在毂上的至少一个推进器叶片，优选两个叶片。风作用在推进器叶片上，并使它们在垂直于水平轴线的推进器平面内旋转运动，该水平轴线又连接到产生电能的一个或多个发电机。风力涡轮机布置在桅杆的顶部，高于水面一定高度，相对于风向，推进器平面在发电机后面。
术语“发电机壳体”用于描述发电机的圆柱形或近似圆柱形的空间，发电机在共用轴上支撑在横向隔板中。
术语“后掠(swept-back)”用于描述在推进器平面内相对于旋转方向的推进器叶片的后掠轮廓。
术语“毂”用于描述将推进器叶片连接到发电机的T形中央单元，其中心位于发电机轴线与推进器平面相交的位置。
术语“联接器”用于描述连接两个围绕同一轴线的旋转物体的牢固或进/出单元(in/out unit)，使得该联接器形成共用旋转轴线的整体部分，并且其中联接器由两部分构成，在互连的旋转轴线的每一端各有一半，并且其中，进/出单元具有用于连接/分离这两半的共用装置。
术语“旋转”用于描述推进器叶片平面在沿叶片的任何位置相对于流入的风的有效角度，并且该角度通过使用襟翼来调节。
术语“襟翼(flap)”用于描述推进器叶片后缘处的多个单独铰接的部分，这些部分通过致动器可以相对于推进器叶片成一定角度，从而通过干扰轮廓顶部上方的流线流动来增加或减少推进器叶片的升力。
术语“致动器”用于描述电气或液压单元，其通过来自中央控制单元的脉冲来调节襟翼和进/出联接器的旋转。
术语“囊体”用于描述保护发电机壳体、冷却系统和控制设备的流线型结构。
本发明的一个目的是提供一种系统，在该系统中，涡轮机的推进器和发电机以最有效的方式连续地将任何时候可获得的风能转换成电能，从而减小旋转期间推进器叶片、发电机和承重结构中的负载变化。
本发明的另一个目的是提供一种系统，在该系统中，通过选择推进器叶片的单个部分上的襟翼的旋转角度以及通过发电机单元的进/出联接，在任何时候，涡轮机的推进器和发电机单独地或共同地针对周围的当前风力条件而被调节。
此外，本发明的一个目的是提供一种系统，其中涡轮机的每个分段的推进器叶片(分别用于每个部分)在任何时候通过襟翼根据该部分在推进器平面中的位置来调节旋转。
另一个目的是提供一种系统，其中当涡轮机和桅杆装配在海上移动的船上时，尤其是在在船的纵向垂直平面内的角运动期间，相对于推进器叶片在气流中的相对运动来调节推进器部分的旋转。
本发明的另一个目的是提供一种系统，其中两个推进器叶片的毂形成为T形，具有适当长度的对称的、径向的、固定的和连续的突出连接，其中端点设有用于与相应推进器叶片连接的装置。
本发明的另一个目的是提供一种用于将推进器、毂和发电机组装在近似圆柱形的基座中的系统，该基座与桅杆集成在一起。
根据本发明，这些目的通过独立权利要求中所述的海上发电系统来实现，其中实施例、变型或替代方案可以部分或进一步通过从属权利要求来实现。
在第一方面，本发明涉及一种发电系统，该发电系统包括T形毂，该T形毂包括旋转轴和从旋转轴径向向外延伸的两个臂，这两个臂用于连接到推进器叶片和布置在发电机壳体中的共用轴上的至少两个发电机。其中共用轴通过联接器连接到毂的旋转轴。该系统的特征在于，毂传递来自具有多个襟翼的每个推进器叶片的可变扭矩，其中每个发电机通过联接器连接到共用轴。
可选地，共用轴固定地或可释放地连接到毂的旋转轴，发电机固定地或可释放地连接到共用轴。
T形毂包括两个臂，其中每个臂连接到一个推进器叶片。
发电机壳体包括横向隔板，用于支撑旋转轴和共用轴，并将发电机壳体分成单独的隔间。
旋转轴通过轴承支撑在横向隔板中，共用轴通过轴承支撑在横向隔板中。
推进器平面中的每个推进器叶片具有后掠前缘，其半径大致对应于推进器的直径。T形毂中用于推进器叶片的各个紧固点之间的距离大约为系统的推进器直径的10％。多个分开的襟翼布置在每个推进器叶片的后缘。每个襟翼可绕其各自的旋转轴线从其正常位置向两侧旋转约45度。襟翼的长度为叶片轮廓总长度L的1/3-1/4。
每个襟翼通过致动器调节，致动器由中央单元控制，该中央单元接收来自安装在推进器叶片、襟翼、发电机、联接器等上的传感器组的数据，用于监控系统的负载和输出。
发电机壳体是圆柱形或近似圆柱形的。
流线型囊体包围发电机壳体。
发电机壳体连接到支撑发电系统的流线型桅杆上。
在静风条件下，可以仅接合一个发电机，从而减少启动摩擦和惯性矩，并允许涡轮机在较早的时间开始工作，或者如果可用的风能可以被较少数量的发电机吸收，则一个或多个发电机可以脱离接合，从而减少磨损并允许在仍然生产的同时进行维护和修理。
因此，在一个实施例中，本发明涉及一种海上发电系统，包括:
具有两个推进器叶片的推进器，从一毂延伸，该毂形成垂直于推进器平面的推进器的水平定向旋转轴线的一个端点，并且其中，具有推进器的毂相对于风向位于发电机后方；
T形毂，其包括在推进器平面上固定连接和集成的一个或多个径向伸出的臂，该臂在距毂适当距离处终止于用于与相应推进器叶片连结的装置，并且在轴向方向上终止于用于与推进器旋转轴线连接的固定且伸出的臂；
用于推进器的旋转轴，该旋转轴布置成将两个或更多个发电机连接到同一旋转轴，并且其中固定的或接合/脱开的联接器安装在一些或所有发电机之间，该联接器通过接合/脱开，能够调节连接到推进器轴的多个发电机的期望可变扭矩，该推进器轴具有能够在推进器轴线和发电机轴之间接合/脱开的相应的固定连接；
圆柱形或近似圆柱形的空间，其包围发电机和推进器的旋转轴，所述旋转轴位于圆柱形的轴线上，并支撑在垂直于圆柱轴线的多个平面中，并且其中发电机的定子元件可以被允许安装在圆柱形壳体的内部；
形成为圆柱形的空间或形成为近似圆柱形的空间，其包围发电机和推进器的旋转轴，并与桅杆固定连接和集成；
中央单元，接收来自传感器的数据，监测单元的负载和输出，并随时控制系统的致动器。
因此，在另一个实施例中，本发明涉及一种海上发电系统，该系统包括:
推进器，该推进器包括两个后掠叶片；
T形毂，该T形毂具有用于与推进器叶片接合的两个突出臂和用于连接到发电机轴的臂；
共用发电机轴，一个或多个发电机通过中间联接器布置成一排，并与推进器联接；
用于安装发电机的圆柱形空间，与T形毂的基座以及推进器和支撑桅杆集成在一起。
控制装置，接收来自几组传感器的信号，这些传感器随时报告对所有运动部件和联接器的正确调节非常重要的数据。
该系统的特征在于，借助于沿着推进器叶片后缘的多个襟翼，推进器叶片被单独调节，并且相对于风力是最佳的，因此有助于更好地利用风能和且有助于推进器总载荷的分配，从而减小载荷、振荡和振动。
推进器叶片固定地连接到固定臂上，所述固定臂从毂突出，基本上为管状设计，作为叶片轮廓朝向毂自然延伸的替代。
推进器平面中的推进器叶片具有与伸出臂相切的弯曲形状，在旋转方向上呈偏转曲线，由此在旋转过程中，每个推进器叶片的前缘不是同时而是逐渐地进入也是在桅杆的湍流阴影后方的、具有变化速度和湍流的风力条件中，从而减小了叶片上的负载变化和相关的振荡。
流入推进器平面的周围风的速度增加，且因水面高度的增加，湍流减少。此外，空气中的水含量通常会随着高度的增加而减少，干燥空气的密度相应增加，这直接增加了与密度成比例的发电量。
当选择较大的推进器直径以及水面上方相应的较大高度时，与处于最接近水面的底部位置的推进器叶片相比，处于顶部位置的推进器叶片将在速度和密度更大的气流中工作。如果不对这些进行校正，在每次旋转改变了力时，旋转系统中可能会出现不平衡，并在结构元件中产生张力和振动。直径较小的推进器叶片通常不会受到如此大的变化力，因此这种推进器叶片被构造成具有适用于一种风力条件的固定的、计算出的最佳叶片旋转，这种推进器通常具有可绕纵向旋转的推进器叶片。
当直径进一步增加时，推进器叶片的重量和该重量构成的转动惯量使得难以进行利用变化的风速所需的快速校正。
对于大直径推进器，如本发明所述，通过使用襟翼来校正旋转将会补救这种情况。
由于风流的影响，并且在材料的屈服强度范围内，推进器的尺寸设置为允许偏离推进器平面，并且与T形毂相切。
毂在旋转轴的轴承中承载推进器，并通过联接器连接到发电机轴。毂的中心部分包括具有两个径向伸出臂的T形圆柱形状，每个推进器叶片一个臂，臂的尺寸设置为适应臂可能受到的预期弯区矩和剪切力。臂被制成近似管状结构，其从一个推进器叶片到下一个推进器叶片的连结单元穿过毂，长度适合于推进器被设计用于的那些工作条件。这些臂延续到毂中，并与毂的圆柱形轴向结构支撑件连接，该支撑件通过联接器直接连接到发电机轴的自由端。发电机轴由轴承支撑，轴承安装/组装在封闭发电机的圆柱形空间的横向隔板中。
对应于发电机的数量，发电机轴被分成多个部分，其中每个发电机及其相关联的转子设有联接器。这些部分与联接器连接，支撑在发电机圆柱形空间的横向隔板上。
发电机的相应定子可以在相应转子的平面内分段安装在圆柱形壳体的内部。圆柱形壳设有冷却通道，用于从空气到水冷却系统的水。发电机的圆柱形空间与带有推进器的毂承载连接，并与支撑桅杆固定连接。
附图说明
现在将参考以下附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中:
图1示意性地和透视地示出了用于最佳发电系统的一个可行的实施例，其中该系统示出了连接到推进器叶片的T形毂，该推进器叶片具有包括多个发电机的发电机单元。
图2示意性地示出了推进器叶片的横截面，示出了襟翼的实施例，其中各个襟翼可绕平行于推进器/叶片后缘的轴线单独旋转。
图3示意性地示出了一个可能的实施例，该实施例通过发电机单元的垂直截面示出了推进器叶片和发电机单元之间的连接，该连接通过T形毂和共用轴上的发电机互连实现。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明或保护范围，保护范围由本领域技术人员对所附权利要求的范围的解释来定义。
在整个说明书中提到“一个实施例”或“一实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在说明书各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定指同一实施例。
图1示意性地和透视地示出了用于海上发电的系统100的一个可行的实施例。系统100示出了T形毂110，其固定地连接到两个推进器叶片120且连接到发电机壳体130中的发电机，所述发电机壳体130又连接到桅杆140。推进器叶片120在推进器叶片之间的一距离处固定地连接到毂110，其构成系统的推进器直径的大约10％，并且推进器叶片包括多个部分，这里示出了4个部分，并且其中，多个襟翼122布置在每个部分的后缘处，这里在每个部分上示出了3个襟翼。推进器叶片120的前缘121在推进器平面中具有偏转形状，其半径以米计，大致对应于系统(未示出)的推进器直径。
图2示意性地示出了带有襟翼122的推进器叶片120的一个可行实施例的横截面，其中从横截面的后缘到襟翼的旋转轴线123的距离约为该部分总长度L的1/4到1/3，且襟翼从正常位置在两个方向上的偏转约为45度。
图3示意性地示出了穿过发电机壳体130的垂直截面，一个可能的实施例示出了T形毂110，其被支撑在轴承131中(轴承131又固定在发电机壳体130中的横向隔板132中)并通过联接器134与发电机轴133连接。
多个发电机135(这里示出了3个发电机)安装在共用轴133中，在单元之间具有联接器136，其中发电机的轴承137固定在发电机壳体130中的横向隔板132中。发电机壳体130又与支撑发电系统的流线型桅杆140连接。
中央控制单元150安装在发电机壳体130中，传感器151分布在风力涡轮机(未示出)中，致动器连接到襟翼122和发电机135。流线型囊体138包围发电机壳体。
表1
100海上发电系统
110T形毂
110a旋转轴
110b臂
120推进器叶片
121推进器叶片的前缘
122襟翼
123襟翼的旋转轴线
130发电机壳体
131轴承
132横向隔板
133发电机轴
134毂110和发电机轴133之间的联接器
135发电机
136发电机135之间的联接器
137发电机轴承
138流线型囊体
140桅杆
150中央控制单元
151传感器
152致动器。

Claims (15)

1.一种海上发电系统(100)，包括
T形毂(110)，包括旋转轴(110a)和从旋转轴(110a)径向向外延伸的连接到推进器叶片(120)的两个臂(110b)，以及
布置在发电机壳体(130)中的共用轴(133)上的至少两个发电机(135)；
其中共用轴(133)通过联接器(134)连接到毂(110)的旋转轴(110a)；并且
其特征在于，
所述毂(110)将可变扭矩从每个推进器叶片(120)传递到共用轴(133)，
其中每个推进器叶片(120)包括多个襟翼(122)，并且其中每个发电机(135)通过联接器(136)连接到共用轴(133)。
2.根据权利要求1所述的海上发电系统(100)，其中，所述共用轴(133)固定地或可释放地连接到T形毂(110)的旋转轴(110a)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的海上发电系统(100)，其中，发电机(135)固定地或可释放地连接到共用轴(133)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的海上发电系统(100)，其中，发电机壳体(130)包括横向隔板(132)，用于支撑旋转轴(110a)和共用轴(133)并用于将发电机壳体(130)分成单独的隔间。
5.根据权利要求4所述的海上发电系统(100)，其中，旋转轴(110a)通过轴承(131)支撑在横向隔板(132)中，共用轴(133)通过轴承(137)支撑在横向隔板(132)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的海上发电系统(100)，其中，推进器平面中的每个推进器叶片(120)具有后掠前缘(121)，所述后掠前缘(121)的半径大致对应于推进器的直径。
7.根据权利要求6所述的海上发电系统(100)，其中，T形毂中的用于推进器的各个紧固点之间的距离约为系统的推进器直径的10％。
8.根据权利要求7所述的海上发电系统(100)，其中，多个分开的襟翼(122)布置在每个推进器叶片(120)的后缘。
9.根据权利要求8所述的海上发电系统(100)，其中，每个襟翼(122)可绕其各自的旋转轴线(123)从其正常位置向两侧旋转约45度。
10.根据权利要求9所述的海上发电系统(100)，其中，所述襟翼(122)的长度为叶片轮廓总长度L的1/3-1/4。
11.根据权利要求10所述的海上发电系统(100)，其中，每个襟翼(122)通过致动器调节。
12.根据权利要求11所述的海上发电系统(100)，其中，所述致动器由中央单元控制，所述中央单元从安装在推进器叶片(120)、襟翼(122)、发电机(135)、联接器(134、136)等上的传感器(151)的组接收数据，用于监测系统(100)的负载和输出。
13.根据前述权利要求中任一项所述的海上发电系统(100)，其特征在于，所述发电机壳体(130)为圆柱形或近似圆柱形
14.根据前述权利要求中任一项所述的海上发电系统(100)，其特征在于，流线型囊体(138)包围发电机壳体(130)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的海上发电系统(100)，其中，所述发电机壳体(130)连接至支撑所述发电系统(100)的流线型桅杆(140)。
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