专利名称：10mw级座台式导风体涡轮发电机系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机械电气技术领域，具体地说，是提出一种用导风体涡轮机结构组成的座台式风力发电系统装置。
背景技术：
风力涡轮机是将风的动能转变为适合发电机轴旋转的机械能，带动发电机旋转发电的新能源装置，产业实践证明，在目前广泛使用的水平轴涡轮机中，单机功率的增大，有利于降低单位功率装机容量的成本和风力发电的度电成本，因此，单机额定功率容量不断增大，水平轴涡轮机的单机功率已普遍从上世纪末的兆瓦级升高到目前的3 6兆瓦级，并正向10 20兆瓦级的目标发展，这是风电技术演进的总趋势。为增加截风面积，叶片的长度也在材料技术和制造工艺技术进步的基础上不断增长，但由于叶片的悬臂梁结构强度低，有资料表明，在特大型涡轮机中，随着叶片长度的提高，额定功率成平方函数增加，而制造成本却成立方关系增长，所以单机功率的提高受到叶片经济性技术性的双重限制，现有传统技术都已很难满足单机功率大幅提升的需求，此外，大型化同样会受止于其他风电配套部件，例如发电机体积和重量也随之增大，包括塔筒、变桨和对风偏航等系统性问题也日益突出，都有待涡轮机技术方案的突破。
发明内容
本发明的技术效果是很明显的，增加导流槽有利于提高涡轮机叶片处的风速和风能密度，使用短风叶片产生较高的转速，降低了长叶片的制造难度和成本；较高的转速又利于降低发电机重量和成本；导流槽和机组安装在座台上一起转动对风，执行偏航和调风，省略了变桨装置，同时使原来处于高空位置的偏航装置安装在地面上运行，安装维修都更方便。本发明的目的是通过导流槽使风力得到加速，以此减短叶片的长度和提高发电机的转速，采用导流槽必然要考虑如何放置的具体工程问题，这就必须采用座台式的新结构，由座台承载包括导流槽在内的整体风电系统的重量，从而创造出能承担更大功率提升、更牢结构强度、更低成本造价和更宜运输安装的新型风电机组，解决当前涡轮机大型化所带来的综合技术性和经济性问题。本发明的解决方法是采用导流槽体集风和座台结构承载的新结构机组。系统是这样构建的，一种由风力涡轮机、导风体和发电机为主件组成的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为，涡轮发电机组中的涡轮机(I)的叶片处于由导流槽体构成的导风体(2)的中间最窄风道位置；整个机组和导风体(2)都安装在座台(4)上；座台(4)可以在水平面内转动对风，执行偏航、调风和辅助制动停机的功能。
图1、本发明的座台式风力涡轮机系统的平视结构简图。
图2、座台式风力涡轮机系统的俯视结构简图。图3、更大导风体的座台式风力涡轮机系统的俯视结构简图。图4、座台的侧视结构简要示意图。图5、荷重仅作用在地基平台的座台剖面侧视简要示意图。图6、带有防倾倒钩的轨道式座台轮系。
具体实施例方式图1为本发明的座台式风力涡轮机系统的平视结构简图。在图1中，涡轮机⑴的叶片处于由导风体(2)构成的导流槽体的中间最窄风道位置，进入导风体中的全部风流都受到导流作用流向槽体的中央，形成比原来风速高、密度大的集中动能吹向涡轮机，所以涡轮机的叶片就不需要像原来那么长、那么少的三叶片，就可以参照蒸气轮机或燃气轮机中的短叶片和多叶片形态，而采用中速涡轮叶片，以及单级或多级涡轮叶片。图中作为示意，画出的六叶片，只是一种示意方案，包括导风体设计在内的涡轮机具体叶片的数量、形状和级数，应根据空气栋梁学原理，区别低速和高速下涡轮机参数的悬殊差异，因此，本发明系统涡轮机(I)应根据涡轮机叶片处风速范围，按中速涡轮叶片线形、叶片数量和叶轮级数设计制造。所确定的中速涡轮叶片线形、叶片数量和叶轮级数设计制造。本发明的发电机(3)与涡轮机直接联轴，发电机可以是直驱型同步交流发电机，包括励磁式和永磁式同步机，可以是半直驱型同步交流发电机或半直驱型双馈异步交流发电机，如果涡轮机的转速足够高，也可采用直驱型双馈异步交流发电机，在涡轮机转速不够高的情况下，在涡轮机和交流发电机之间可以增加齿轮箱增速，以提高同步发电机或异步发电机的转速。由于发电机转速提高，本发明对齿轮箱的依赖减弱，利于风电的直驱化。也可以采用同步/异步二次发电机，其优点表现在细长的机体直径对风流阻力小，且绝对无刷化，详见中国专利ZL200420091099. 2低速无齿轮箱直接驱动的瘦长型风力发电机。图2为座台式风力涡轮机系统的俯视结构简图。该图实际上是一幅将导风体(2)的上半部分切割后，从上往下俯视所能看到的结构示意图，导风体(2)相当于一段中间细，两端粗的管槽，涡轮发电机组刚好位于管槽中部最窄的位置。导风体(2)是按空气动力学原理设计的、能将一个大面积内的风流浓缩、增压、加速后集中在导流体合适位置，在该位置上安置的涡轮机就能产生比无导风体的机组强得多的风能量，使涡轮机的转速和输出功率有较大提升，上海理工大学能源与动力工程学院有关导流型垂直轴风力机的研究资料表明，在相同来流条件下，加导流型风力机的总转矩要比无导叶的风力机的扭矩大了近9倍。导风体有二大类型一一刚体构造和柔性构造，刚体构造通常由薄壁金属材料、塑料、玻璃钢、木板材料及其支撑物构成，如薄壁金属材料或玻璃钢的导风体结构，其前后缘通过诸多桩位固定在座台平台上，示意图中用6块桩位表示，实际桩位的数量和位置根据需要确定，以保证导风体有足够的抗风强度。而图1中的导风体(2)前后缘采用整体与座台平台连接的安装方案，安装结构与图2略有不同。近来，采用膜结构的柔性构造物在建筑业中得到可观应用，所以，膜结构也很适合建造导风体。膜结构、或称索膜结构、充气式膜结构、张拉式膜结构、骨架式膜结构、组合式膜结构等新建筑结构形式可以在导风体中得到广泛应用。
座台(4)作为机组的承载体，其大小尺度与导风体设计特别相关。图1和图2中所画的导风体比较小，实际的导风体尺寸可以比座台外缘大得多。图3所示为更大导风体的座台式风力涡轮机系统的俯视结构简图。这时导风体外缘已经超出座台平台，除了中间用2块桩位固定导风体，前后缘则采用整体与座台平台连接的安装方案，如果导风体本身强度不能完全靠座台面积稳固，应该有额外的稳固结构支撑，或者通过局部延伸结构，使导风体和座台二者相互紧固，以达到较强的抗风能力。整个涡轮机和发电机机组或涡轮机、齿轮箱和发电机组总成的重量通过座台轴承作用在座台中心轴上，同时部分机组总成的重量与导风体的重量也作用在座台平台上。为便于安装维修保养，在座台平台上有舱口可以通到座台轮系部分，所以图2可以看到轮系的位置。图4为座台剖面的侧视简要示意图。图中的座台(4)主要由座台中轴(41)、座台轴承(42)、座台平台(43)、座架(44)和座台轮系(45)构成。座台中轴(41)处于座台(4)的中心位置，垂直于地面平台，并浇固于地基中，通过座台轴承(42)，整个座台体可以围绕座台中轴(41)在水平面内转动，图中所表示的上下二个轴承，上面的一个为轴向轴承，下面的一个为径向轴承，说明整个机组的重量分布在轴和轮系上。轴承可以是滑动轴承，也可以是滚珠或滚柱轴承。座台中轴(41)可以用中空结构，上面可以加装滑环，电刷则安装在座台上对应滑环的位置，便于让系统与地面装置互送电力，电缆则穿过中轴接通电网。当然也可像传统机组一样采用电缆直接传递电力并增加电缆防缠绕功能而省略滑环电刷。座台平台(43)是用于安装和支承机组的平面，图5为荷重仅作用在地基平台的座台剖面侧视简要示意图，图中的两个座台轴承(42)均采用径向轴承，意味着座台中轴(41)只起定位防侧移作用，基本上不再承担机组的重量。图4和图5中的座台轴承(42)可能不至二组，也可能有多组，包括径向轴承和轴向轴承。座台平台上有足够空间安装系统的变流、控制、保护等设备，变压器和变电站也可设置在平台上。平台外的地面设置短梯，以方便人员上平台工作。在座台平台(43)下面是座架(44)，座架(44)是连接座台平台(43)和座台轮系
(45)的结构物。座台轮系(45)是机组全部或部分重量落地的支承体，同时又要使整个系统能在水平面内自由转动，所以是系统的重要结构物。轮系是一组处于相对于中轴等距离的、且均匀分布的轮组，为了增加有效载重，可以在不同半径上设置多组轮组。座台轮系可以采用重载实心胶轮或充气胶轮，也可采用钢轮或轨道轮。钢轮通常与工字钢配用，工字钢铺在地基平台上并固定，当采用轨道轮时，轨道轮下可以采用重型钢轨铺在地基平台上并固定。图6为一种带有防倾倒钩的轨道式座台轮系(45)，图6中，轮系与座台平台的连接体(452)称为“T”字架，其下端到达轮系的轴承以下，驱动电机和制动器(454)驱动或制动轨道轮(453)转动，实现多电机分散驱动。“A”字架(451)上端和下端固定在“T”字架上，其两个下端有倒钩突出物(4511)，突出物嵌入轨道垂直部分但不能与轨道接触，既能防止轨道轮出轨，又可防止强风掀翻系统，增加系统的安全性。另一种与偏转制动和防倾倒相结合的结构称为抱轨制动机构，驱动电机(454’ )中不设制动器，在平时，抱轨机构总是抱住轨道两边，使系统锁紧在轨道上；当座台平台需偏转前，先使抱轨机构脱抱，然后再启动驱动电机运转，系统在轨道上行走，驱动电机运转结束，抱轨机构再次抱轨。除了上述轮系驱动方案外，另一种驱动座台转动，达到偏航对风目标的方案称为集中驱动，就是在座台中轴(41)处设置驱动电机，通过中轴与驱动电机齿轮对的啮合，整个座台就可以偏转，制动器同时设置在电机中。对系统来说，要么采用分散的轮系驱动，要么是集中的中轴驱动。座台(4)为机组的承载体，可以在水平面内转动对风，即在中低风速时，座台偏转执行偏航的功能，正对来风方向，以得到最多的风能多发电；在很高风速时，也可以执行调风功能，即在超过原有风机切出风速的强风时，使机组偏离正风向一个角度继续发电，实际上达到了调节风量的目的，可见导风体可以使低风速变成高风速，降低切入风速，提前发电；而在强风下，系统偏离正风向的调风功能又能提高切出风速，使原来必须弃风停机的状态改变为继续能产电，所以说本发明系统的发电能力高于现有传统水平轴风机。由于系统功率的提高，制动成为保护机组安全的重要功能，本系统是通过座台转动避风，逐步降低涡轮机转速；当涡轮机转速降到适合制动的安全值下，制动器才启动实现制动，达到辅助制动的目的。从以上的叙述中可以发现，本发明靠导风体将风能浓缩到涡轮机，所以即使在相同的截风面积下，其捕获的风能都可能比传统三叶涡轮机大，可以得到更多风电，同时也解决了涡轮机叶片长度的制造和成本问题。由于涡轮机转速升高，发电机的体积重量可以相应减少，同时效率也得到提升，对齿轮箱的依赖也不像现有大型风机这么严重。本发明的第二大特点是采用了座台结构，如果从采用导风体来说，座台结构似乎是应对导流槽体安装的被动之举，但是，从积极面考虑，座台可以在水平面内转动对风，执行偏航、调风和辅助停机制动的功能，其安装和检修基本上在地面执行，还有利于维护保养。虽然增加导风体和座台会增加系统的额外重量和成本，但是风叶和发电机的重量可以减轻，加上塔筒取消，齿轮箱可能取消所带来的重量消减，有可能使系统单位功率重量指标超越传统机组。本发明取名IOMW级，虽仅指当前的超大型级别的风电机组，但并不意味着本发明仅限于该等级的机组系统，在取得实际运行经验后也可以用于高功率级别和低功率级别的其他功率级别机组，所以本发明的保护范围应该包括采用本发明结构的各种功率等级的风电系统。
权利要求
1.一种由风力涡轮机、导风体和发电机为主件组成的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为，机组中的涡轮机(I)的叶片处于由导流槽体构成的导风体(2)的中间最窄风道位置；整个机组和导风体(2)都安装在座台(4)上；座台(4)可以在水平面内转动对风，执行偏航、调风和辅助制动停机的功能。
2.权利要求1所述的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为，涡轮机(I)根据涡轮机叶片处风速范围，按中速涡轮叶片线形、叶片数量和叶轮级数设计制造。
3.权利要求1所述的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为，发电机(3)与涡轮机直接联轴，可以是直驱型同步交流发电机，或直驱型双馈异步交流发电机，可以是同步/异步二次发电机，也可以是半直驱型同步交流发电机或半直驱型双馈异步交流发电机；可以是带齿轮箱增速的交流发电机。
4.权利要求1所述的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为，导风体(2)为薄壁金属、塑料、玻璃钢、木板刚体材料构造，或膜结构的柔性材料构造。
5.权利要求1所述的座台式导风体涡轮发电机系统,其特征为,座台(4)主要由座台中轴(41)、座台轴承(42)、座台平台(43)、座架(44)和座台轮系(45)构成。
6.权利要求1和权利要求5所述的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为,座台轴承(42)为滑动轴承,滚珠或滚柱轴承。
7.权利要求1和权利要求5所述的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为，除了座台外的系统重量可以由座台全部承载，也可以由座台中轴与座台共同承载。
8.权利要求1和权利要求5所述的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为，座台轮系(45)可以是重载实心胶轮或充气胶轮，也可采用钢轮或轨道轮，包括带有防倾倒钩的轨道式轮系，或者是抱轨制动机构的轨道式轮系。
9.权利要求1和权利要求5所述的座台式导风体涡轮发电机系统，其特征为，座台(4)的偏转可以采用轮系驱动电机和制动器(454)驱动或制动的分散轮系驱动方式，或座台中轴(41)处设置驱动电机和制动器的集中中轴驱动方式。
全文摘要
10MW级座台式导风体涡轮发电机系统，是应对当前风电机组向更大单机功率技术升级的产业需要设计的，通过导风槽体浓缩风能、提高风速而采用短叶片中高速涡轮机带动交流发电机发电，减少对齿轮箱的依赖，截获更多风能；同时作为槽体承载物的座台结构又省略了塔筒和变桨装置，扩展了发电风速区间范围，座台所执行的偏航功能扩展到偏航、调风和辅助制动，并将执行地点从高空移到平地操控，新设计解决了大型化带来的许多技术难点，还有望降低单位装机功率成本。
文档编号F03D9/00GK103047087SQ201310006369
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者於岳亮, 於宙 申请人:上海稳得新能源科技有限公司