CN202001194U - 一种抗强风的可展索-塔型风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抗强风的可展索-塔型风力发电机，它包括风机叶轮、风机轮毂、风机机舱、风机塔筒、基础环、风机基础和若干个索装置。其中，风机叶轮通过轮毂与机舱相连；机舱在风机塔筒的顶部，风机塔筒通过基础环与风机基础连接，索装置沿风机塔筒四周等分地布置，索装置分别与风机塔筒和基础环相连。拉索在正常运行工况下收起，故不会影响风机的正常运行，当强风来临时，风机一般需要刹车停机，此时索结构展开能够显著提高风机塔筒的抗强风能力。根据样机的计算表明，可展索-塔型风机轮毂处的水平位移、塔筒底面等效应力值及高应力区、迎风面最不利单桩轴力变化幅值等指标均明显小于传统的塔筒型风机。

Description

一种抗强风的可展索-塔型风力发电机

技术领域

本实用新型属于风力发电、新能源领域，尤其涉及一种抗强风的可展索-塔型风力发电机。

背景技术

近年来风力发电得到了快速的发展，兴建了一大批大型风电场。现有的风力发电结构由地上结构（即风力发电装置）和基础两部分组成。对于水平轴风力机而言，地上结构主要包括叶轮及轮毂、机舱、塔筒三部分。由于不同高度塔筒截面所受弯矩荷载不同，应力水平不同，一般风力机塔筒采用变壁厚、变直径形式，分段塔筒之间采用高强螺栓联接。风力发电机基础主要有桩基础和浅基础等型式。

现有风力发电结构能满足一般工况下的正常运行要求，但在我国东南沿海地区强台风时有发生，在这种极端强台风工况下，风速显著增大，且台风风向复杂多变，风机所受到的荷载显著增加，可能超过风机的设计承载力而发生破坏。强风下风机破坏形式主要有：叶轮桨叶折断、塔架失稳倒塌、塔架与基础连接破坏和基础倾覆等。究其原因，主要是在极端强风荷载作用下，风力发电结构各部件或连接部件承载力无法满足要求。如果所有风机都采取增加塔筒尺寸和增加基础承载力来提高风力发电机的承载力，则单个风机工程造价将大幅上升，不利于风力发电的推广应用。另一方面，由于早期建成的风机未能充分考虑极端强风工况，部分已运行的风机不能满足极端强风设计要求，对于这些已建成运行的风机实施改造加固比较困难，一直没有经济、便捷的方法。

针对上述风机抗强风的技术需求，一种简便的方法是在风机塔筒周边增设固定式拉索，依靠拉索来提供额外的承载力。所谓固定式拉索是指拉索在整个结构体系中是固定不变的，不能根据运行工况进行伸展和调节。类似的技术方案已在小型风力发电机和输电塔中得到应用。对于小功率风力发电机而言，叶轮尺寸相对较短，外部强风荷载也相对较小，在塔筒的底部设置固定式拉索即可提供足够的抗力。输电塔的顶部并不存在任何旋转部件，设置固定式拉索比较简便，显然也并不影响输电塔的运行和发挥其功能。实用新型申请人在前期的工作中，计算和论证了固定索塔型风机结构的抗强风效果和可行性。在已发表的论文中，采用的是固定索结构，没有考虑到设置固定索后会妨碍风机叶轮运转的问题，也没有涉及具体的实施和实现方案。

随着风电装机规模日益增大，大功率风力发电机显然是发展的主流。大功率风机塔筒顶部存在可绕竖直轴旋转运动的机舱，通过轮毂与机舱相连的是细长的风机叶轮，在正常发电工况，风机细长的叶轮绕水平轴高速旋转。如果仍在风机塔筒周边设置固定式拉索结构，这些拉索会影响风机叶轮的运转，甚至发生拉索与旋转叶轮碰撞的事故。而如果降低拉索与塔筒的连接点高度，例如在塔筒的底部、叶轮旋转影响范围以外设置拉索，则拉索所能提供的抗倾覆力又很有限，不能充分发挥拉索的效果。

综上所述，需要设计一种新型风力发电结构以满足其在极端强风荷载作用下的经济性和安全性要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种抗强风的可展索-塔型风力发电机，本实用新型具有抗极端强风、成本低的显著特点。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种抗强风的可展索-塔型风力发电机，它包括风机叶轮、风机轮毂、风机机舱、风机塔筒、基础环、风机基础和若干个索装置。其中，风机叶轮通过轮毂与机舱相连。机舱在风机塔筒的顶部。风机塔筒通过基础环与风机基础连接。索装置沿风机塔筒四周等分地布置，索装置分别与风机塔筒和基础环相连。

进一步地，所述索装置由主索、翼索绞盘、主索绞盘、锚杆和翼索组成。翼索绞盘与基础环固定连接，主索绞盘通过锚杆锚固于地面上。主索一端与主索绞盘相连，另一端固定在风机塔筒上，翼索一端与翼索绞盘相连，另一端与主索相连。

进一步地，所述翼索绞盘和主索绞盘可以为电动绞盘、液压绞盘或机械绞盘。

本实用新型的有益效果是：拉索在正常运行工况下收起，故不会影响风机的正常运行。当强风来临时，风机一般需要刹车停机，此时索结构展开能够显著提高风机塔筒的抗强风能力。根据样机的计算表明，可展索-塔型风机轮毂处的水平位移、塔筒底面等效应力值及高应力区、迎风面最不利单桩轴力变化幅值等指标均明显小于传统的塔筒型风机。总之，强风条件下可展索-塔型风机的性能优于现有塔筒风机。

附图说明

图1为正常运行工况下可展索-塔结构示意图；

图2为强风工况下可展索-塔结构示意图；

图中，风机叶轮1、风机轮毂2、风机机舱3、风机塔筒4、基础环5、地面线6、风机基础7、主索8、翼索绞盘9、主索绞盘10、锚杆11、翼索12。

具体实施方式

在水平风荷载作用下，传统的风机塔筒结构可等效为塔筒底部固定、塔顶自由的悬臂梁结构，其极限承载力取决于风机塔筒的截面尺寸和构造措施。采用可展索-塔型风机结构后，根据风机运行工况的不同，索处于不同的工作状态。在正常运行工况下，索松弛收放于塔筒底部，索不参与承担外荷载，此时外荷载全部由风机塔筒承担。当处于极端强风工况下，索通过绞盘张拉、展开，索与风机塔筒一起承担外荷载。通过索的轴向拉伸抵抗外荷载作用，可以最充分地利用材料的抗拉强度。以索承受部分风机塔筒上的水平风荷载，可有效限制塔筒水平位移，传递至风机基础的弯矩将大幅减小，避免风机结构发生倒塌破坏，从而保证塔筒和基础体型优化后，风机结构同时满足正常风况和极端风况下的安全运行要求。

本实用新型提出的可展索-塔式风机结构如图1所示，该图说明了当风机正常发电工况下的结构体系情况。它包括风机叶轮1、风机轮毂2、风机机舱3、风机塔筒4、基础环5、风机基础7和若干个索装置。

其中，风机叶轮1通过轮毂2与机舱3相连。机舱3在风机塔筒4的顶部，可绕竖直轴旋转运动。风机塔筒4通过基础环5与风机基础7连接。索装置沿风机塔筒4四周等分地布置，索装置分别与风机塔筒4和基础环5相连。

索装置沿风机塔筒4四周等分地布置，一般可以为三个。索装置由主索8、翼索绞盘9、主索绞盘10、锚杆11和翼索12组成，翼索绞盘9与基础环5固定连接。主索绞盘10通过锚杆11锚固于地面上。主索8一端与主索绞盘10相连，另一端固定在风机塔筒4上，翼索12一端与翼索绞盘9相连，另一端与主索8相连。此时，主索 8处于收缩松弛状态。主索8和翼索12的材料可以是钢或其他合金。翼索绞盘9和主索绞盘10一般可采用电动绞盘、液压绞盘或机械绞盘等。

在正常发电工况下，风机叶轮1绕水平轴高速旋转，主索8处于收缩松弛状态并基本上沿塔筒壁，故不会影响风机的正常运转。翼索12收于翼索绞盘9中，，并为主索8提供反力。

当风机处于极端强风工况下，可展索-塔型风机的结构体系如图2所示。具体实现步骤如下：（1）风机首先刹车停机，风机叶轮1顺桨。（2）启动绞盘9、10施加拉力，对主索8和翼索12进行张拉，使主索8和翼索12处于张紧状态，形成索-塔结构型式，此时风机塔筒与索共同承担风荷载。（3）当风机需要进行偏航操作时，应通过控制绞盘放松主索8和翼索12，再进行偏航操作。（4）强风过后，放松绞盘，主索8松弛，收起翼索12，将拉索收至风机塔筒底部，风机正常运转。

本实用新型提出的可展索-塔式风机结构有效解决了大功率风力机抗强风的问题，也适用于对已有风机的加固改造，造价低且操作简便。

Claims (3)

1.一种抗强风的可展索-塔型风力发电机，其特征在于，它包括风机叶轮（1）、风机轮毂（2）、风机机舱（3）、风机塔筒（4）、基础环（5）、风机基础（7）和若干个索装置；其中，风机叶轮（1）通过轮毂（2）与机舱（3）相连；机舱（3）在风机塔筒（4）的顶部；风机塔筒（4）通过基础环（5）与风机基础（7）连接；索装置沿风机塔筒（4）四周等分地布置，索装置分别与风机塔筒（4）和基础环（5）相连。

2.根据权利要求1所述抗强风的可展索-塔型风力发电机，其特征在于，所述索装置主要由主索（8）、翼索绞盘（9）、主索绞盘（10）、锚杆（11）和翼索（12）组成；翼索绞盘（9）与基础环（5）固定连接，主索绞盘（10）通过锚杆（11）锚固于地面上；主索（8）一端与主索绞盘（10）相连，另一端固定在风机塔筒（4）上，翼索（12）一端与翼索绞盘（9）相连，另一端与主索（8）相连。

3.根据权利要求1所述抗强风的可展索-塔型风力发电机，其特征在于，所述翼索绞盘（9）和主索绞盘（10）为电动绞盘、液压绞盘或机械绞盘。

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