CN117345515A - 一种非直连机械轴结构的x型双叶轮双机组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，包括支撑平台，所述支撑平台上安装有两台直驱电机，所述两台直驱电机的主轴相互独立，且每一台直驱电机的主轴上均安装有一组叶轮，所述叶轮包括布置在同一条直线上两个叶片，且两台直驱电机的叶轮直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置形成X形结构。本发明前后两组双叶轮通过非直连机械轴结构实现软连接、两台直驱电机之间无机械轴连接，能够提高X型双叶轮双机组结构对风能的捕获效率，减小前叶轮转子的尾流对后叶轮转子造成不利影响，能够消除超长机械轴崩坏的安全隐患更适用超大型风电机组，简化两台机组机械连接的结构，更有利于降低制造、运维成本。
Description
技术领域
本发明涉及风电技术领域，具体涉及一种非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组。
背景技术
风电产业目前正处于蓬勃发展时期，已成为全球装机容量最大的可再生能源产业。目前大多数风电机组都是三叶片单叶轮机组，该方案由于叶片超长，风能捕获密度难以提升，阻碍了大容量风电机组的发展。意大利Airgenesis LLC公司研制的串列式双叶轮风机，采用叶片长度相同的三叶片双叶轮，牺牲了更多的成本去换取少量的功率提升，经济效益较低。超导风机的成本昂贵、采用超导带材的励磁线圈制备难度大等原因导致超导风机发展受阻，同时极低温的超导环境在深远海的工作环境难以实现。因此，亟需突破大容量风力发电技术，提高海上风电机组的风能利用效率，提高机组功率密度。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，本发明前后两组双叶轮通过非直连机械轴结构实现软连接、两台直驱电机之间无机械轴连接，能够提高X型双叶轮双机组结构对风能的捕获效率，减小前叶轮转子的尾流对后叶轮转子造成不利影响。相比于直连机械轴结构，本发明取消了前后的两台机组的机械传动链的隔离，从而消除超长机械轴崩坏的安全隐患更适用超大型风电机组，简化两台机组机械连接的结构，更有利于降低制造、运维成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，包括支撑平台，所述支撑平台上安装有两台直驱电机，所述两台直驱电机的主轴相互独立，且每一台直驱电机的主轴上均安装有一组叶轮，所述叶轮包括布置在同一条直线上两个叶片，且两台直驱电机的叶轮直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置形成X形结构。
可选地，所述两台直驱电机的叶轮直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置的夹角为45°、90°或135°。
可选地，所述支撑平台上设有两个间隔布置的安装座，所述两台直驱电机分别安装在一个安装座上且两台直驱电机的主轴同轴布置。
可选地，所述两台直驱电机的叶轮之间的间距与叶轮的直径正相关。
可选地，所述两台直驱电机的叶轮之间的间距与叶轮的关系满足下述函数表达式：
f(D)＝β*D
上式中，f(D)为两台直驱电机的叶轮之间的间距，D为叶轮直径，β为额定风速下的叶片翼型影响系数。
可选地，所述额定风速下的叶片翼型影响系数取值为0.2。
可选地，所述直驱电机为半直驱永磁电机。
可选地，所述支撑平台安装在机舱上。
可选地，所述支撑平台安装在海上风机平台上。
可选地，所述海上风机平台为漂浮式海上风机平台，所述漂浮式海上风机平台包括平台本体和设于平台本体中的空心结构件。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
1、本发明的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组的支撑平台上安装有两台直驱电机，所述两台直驱电机的主轴相互独立，且每一台直驱电机的主轴上均安装有一组叶轮，所述叶轮包括布置在同一条直线上两个叶片，可对来流风能的两次高效风能捕获，具有高捕获风能捕获效率的优点。
2、本发明的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组的两台直驱电机的叶轮直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置形成X形结构，两台电机之间无机械轴连接，通过软件控制实现前后叶轮同步运行，前后两组双叶轮通过非直连机械轴结构实现软连接、两台直驱电机之间无机械轴连接，能够提高X型双叶轮双机组结构对风能的捕获效率，减小前叶轮转子的尾流对后叶轮转子造成不利影响。相比于直连机械轴结构，本发明取消了前后的两台机组的机械传动链的隔离，从而消除超长机械轴崩坏的安全隐患更适用超大型风电机组，简化两台机组机械连接的结构，更有利于降低制造、运维成本。
附图说明
图1为本发明实施例中X型双叶轮双机组的结构示意图。
图2为本发明实施例中支撑平台和直驱电机部分的结构示意图。
图3是本发明实施例中通过支撑平台布置前后叶轮间距的示意图。
图例说明：1、支撑平台；11、安装座；2、直驱电机；21、主轴；3、叶轮。
具体实施方式
如图1所示，本实施例非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组包括支撑平台1，支撑平台1上安装有两台直驱电机2，两台直驱电机2的主轴21相互独立(直驱电机2间无能量传递，分别各自通过变流器实现机组能量汇集和传输)，且每一台直驱电机2的主轴21上均安装有一组叶轮3(分别记为前、后双叶轮)，叶轮3包括布置在同一条直线上两个叶片，且两台直驱电机2的叶轮3直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置形成X形结构。本实施例非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组通过非直连机械轴结构实现软连接、两台直驱电机之间无机械轴连接，能够提高X型双叶轮双机组结构对风能的捕获效率，减小前叶轮转子的尾流对后叶轮转子造成不利影响；而且相比于直连机械轴结构，本实施例的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组取消前后的两台机组的机械传动链的隔离，从而消除超长机械轴崩坏的安全隐患更适用超大型风电机组，简化两台机组机械连接的结构，更有利于降低制造、运维成本。
需要说明的是，两台直驱电机2的叶轮3直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置形成X形结构，但是交叉的角度可根据实际需要选择，例如两台直驱电机2的叶轮3直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置的夹角为45°、90°或135°。作为一种优选的实施方式，本实施例中夹角为90°。
参见图1，本实施例中支撑平台1上设有两个间隔布置的安装座11，两台直驱电机2分别安装在一个安装座11上且两台直驱电机2的主轴21同轴布置，通过上述结构，可简化整体的结构设计，不需要复杂的驱动传动结构。
为了实现对本实施例非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组的对转功率密度增效、天宫本实施例非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组对风能的捕获效率，考虑到风经过前叶轮风能捕获后形成涡流尾迹区域，本实施例中通过支撑平台1的设计布局，使得两台直驱电机2的叶轮3之间的间距与叶轮3的直径正相关，从而达到削弱涡流尾迹区域的影响，减小前叶轮转子的尾流对后叶轮转子造成不利影响，实现对转功率密度增效的效果。
正相关有多种不同的实现方式或函数表达方式，例如作为一种可选的实施方式，本实施例中采用了最简单的一元函数形式，即：两台直驱电机2的叶轮3之间的间距与叶轮3的关系满足下述函数表达式：
f(D)＝β*D
上式中，f(D)为两台直驱电机2的叶轮3之间的间距，D为叶轮直径，β为常数系数，以此削弱涡流尾迹区域的影响，最大程度减小前叶轮转子的尾流对后叶轮转子造成不利影响，具有对转功率密度增效的效果。图3所示为本实施例中非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组结构的支撑平台布置前后叶轮距离的示意图，前叶轮和后叶轮分别指代两组叶轮3，本实施例中通过支撑平台将前后叶轮的间距布置为f(D)＝β*D，其中D为叶轮直径，β为常数系数，以此削弱涡流尾迹区域的影响，最大程度减小前叶轮转子的尾流对后叶轮转子造成不利影响，具有对转功率密度增效的效果。
本实施例中进行了不同前后叶轮间距的气动仿真实验，动仿真实验通过fluent仿真软件，采用sst-k-omg湍流模型，压力和速度耦合采用PISO算法，动量采用二阶迎风离散格式，采用NREL 5MW风机叶片建立三维模型叶片长度为61.5m，额定风速为11m/s，此时来流风能为10.16MW。实验结果如表1所示。
表1：不同前后叶轮间距的气动仿真实验数据表。
| 前双叶轮(MW) | 后双叶轮(MW) | 总功率(MW) | |
| β＝0.1 | 3.79 | 2.58 | 6.37 |
| β＝0.2 | 3.98 | 2.71 | 6.69 |
| β＝0.3 | 4.03 | 2.78 | 6.81 |
| 来流风能 | 10.16 |
由表1的实验数据可知，调整额定风速下的叶片翼型影响系数β，可以削弱涡流尾迹区域的影响，最大程度减小前叶轮转子的尾流对后叶轮转子造成不利影响，具有对转功率密度增效的效果。综合考虑前后叶轮间距与机组的机舱机械结构存在安全稳定性的问题，根据机组的叶片翼型设计、翼尖优化和尾缘设计，优化前后风轮的布置距离f(D)＝β*D，削弱风流过旋转风轮形成尾迹区域的影响，可进一步提高双叶片双转子机组综合功率，提升风能利用率。值得注意的是，支撑平台太长会会增加机械设计难度，导致风机机舱重量和制造成本增加。因此，选择最佳的叶片翼型影响系数β也需要考虑机械设计难度、风机机舱重量和制造成本。例如作为一种优选的实施方式，如图3所示，本实施例中支撑平台布置前后叶轮间距的0.2倍D，综合考虑了机舱机械结构设计难度和制造成本与风能利用率等影响因素。
需要说明的是，两台直驱电机2可根据需要采用所需的直驱或者半直驱形式的电机。例如作为一种优选的实施方式，本实施例中两台直驱电机2都为半直驱永磁电机。
支撑平台1是本实施例非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组的支撑结构，其自身的固定可以根据实际场景采用所需的固定方式，例如在针对陆地的风电场景，一般而言可将支撑平台1安装在机舱上。针对海上的风电场景，则可将支撑平台1安装在海上风机平台上，例如海上风机平台为漂浮式海上风机平台，漂浮式海上风机平台包括平台本体和设于平台本体中的空心结构件(可采用独立的浮筒或者利用自带的结构件来实现)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，包括支撑平台(1)，所述支撑平台(1)上安装有两台直驱电机(2)，所述两台直驱电机(2)的主轴(21)相互独立，且每一台直驱电机(2)的主轴(21)上均安装有一组叶轮(3)，所述叶轮(3)包括布置在同一条直线上两个叶片，且两台直驱电机(2)的叶轮(3)直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置形成X形结构。
2.根据权利要求1所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述两台直驱电机(2)的叶轮(3)直径大小一致且在映射到同一平面后两者相互交叉布置的夹角为45°、90°或135°。
3.根据权利要求2所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述支撑平台(1)上设有两个间隔布置的安装座(11)，所述两台直驱电机(2)分别安装在一个安装座(11)上且两台直驱电机(2)的主轴(21)同轴布置。
4.根据权利要求3所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述两台直驱电机(2)的叶轮(3)之间的间距与叶轮(3)的直径正相关。
5.根据权利要求4所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述两台直驱电机(2)的叶轮(3)之间的间距与叶轮(3)的关系满足下述函数表达式：
f(D)＝β*D
上式中，f(D)为两台直驱电机(2)的叶轮(3)之间的间距，D为叶轮直径，β为额定风速下的叶片翼型影响系数。
6.根据权利要求5所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述额定风速下的叶片翼型影响系数取值为0.2。
7.根据权利要求1所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述直驱电机(2)为半直驱永磁电机。
8.根据权利要求1所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述支撑平台(1)安装在机舱上。
9.根据权利要求1所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述支撑平台(1)安装在海上风机平台上。
10.根据权利要求9所述的非直连机械轴结构的X型双叶轮双机组，其特征在于，所述海上风机平台为漂浮式海上风机平台，所述漂浮式海上风机平台包括平台本体和设于平台本体中的空心结构件。
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