多层叠加组合立式风力发电系统的制作方法

专利名称：多层叠加组合立式风力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电技术领域的一种多层叠加组合式风力发电系统。具体地说， 涉及的是一种新型的具有多层风动力机叠加组合立式风力发电系统。
背景技术：
随着世界能源危机的发生，利用风力动能发电作为新能源已经成为现代社会发展 的热点。传统的三浆叶风力发电机的发电机组与增速器均安装在高达70米 120米以上 的塔筒顶端的高空，长大沉重的风叶斜挂在侧面，并需要重大的配重体。考虑到风叶、增速 器，发电机组、配重体再加上沉重的机仓具有几百吨的重量，其利用塔筒支持在高空，则风 力吹动会产生巨大的翻倒力矩，风叶难于抵抗狂风的吹毁与冰冻害的损坏，目前国内外有 很多因暴风摧毁损坏塔筒风叶、因冰冻风叶折损等严重的事故。同时，传统风力发电机体积 大，运输与组装及维修难度极大；且存在风叶受风量小，风力利用率低，其风力启动力矩大， 启动死角与换向死角大等缺陷。例如，现有三浆叶风力发电机的前翼面风阻大，翼型风叶受 风面积小，风力利用率低，运输与组装及维修难度大。经对现有技术的文献检索发现，专利号ZL200430067146. 5与专利公开号 W02007/140397A2中专利文献中记载的风力发电机中的风叶依然存在风力利用率低，在启 动与旋转运动中存在启动死角与换向死角大的问题。同样的，专利申请号200410023530. 4的发明专利中所涉及的风力发电机的风叶 系采用NACA0009翼型，该风叶受风面积小，风力利用率低，存在前翼面风阻面，在旋转运动 中存在换向死角，难于大容量化。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有多层风动力机叠加组合立式风力发电系统，其结 构简单，便于制造运输组装与维修，结构稳固、运行性能稳定，风力利用率高，占地面积小， 抗暴风能力强，运行性能稳定，发电质量和并网性能优良，可构成10兆瓦以下各容量的风 力发电系统，适于在各种天气及地理环境中应用。为实现上述发明目的，本发明所述的具有多层叠加组合立式风力发电系统，包括 多段组合式机轴，多层叠加组合式立式风动力系统，以及多层叠加组合式框架；其中所述多层叠加组合式立式风动力系统各层的风动力系统均为箱体框架结构，其中 包含风叶系统，集风与保护系统，双速增速器，以及多绕组变极发电机系统；所述箱体框架 上部与下部分别设置上棚顶和下棚板，所述集风与保护系统设置在所述箱体框架的周围， 所述上棚顶和下棚板与框架周围的所述集风与保护系统中的集风板共同形成风洞式箱式 集风系统，减少风力泄漏，起到极好的集风效果；所述多层风动力系统中各层单独构成独立风动力系统运行，或者各层之间利用各 角立柱固定在一起，利用可分解式组合式联轴器把各层风叶机轴连接起来构成一个整体， 使各层风叶产生同步的旋转力矩，所述多层风动力系统的最下层风叶机轴下轴端通过可分解式组合式联轴器与双速增速器和多绕组变极发电机系统连接在一起，驱动发电机系统发 电；所述可分解式组合式联轴器包括上链轮、下链轮，每个链轮又以中心线分为左右 两半，链轮的上下部分分别设有固定套，所述上链轮与下链轮由外部链条围绕固定与传动， 所述链条包含链轴、上链片、下链片；联轴器上部由键、上链轮与风叶机轴上轴连接，并套在 风叶机轴上轴端部，由键固定，外部由固定环固定；同样，下链轮与风叶机轴下轴连接，并套 在风叶机轴下轴端部，由键固定，外部由固定环固定；所述上链轮与下链轮由连接链连接与 固定，该连接链由链轴、上链片、下链片构成；所述上链轮与下链轮和连接链承受传输整个 机轴旋转扭矩；旋转主轴采用柔性连接的链轮式联轴器，使上下两个机轴连接后有较大的 自由旋转空间与自由同心度，下层机轴不承受上层机轴重力，使机轴传输最大的旋转力矩 和传输效率最高；所述双速增速器采用立式偏心双行星轮结构，所述多绕组变极发电机系统采用立 式多绕组变极异步发电机，所述双速增速器与多绕组变极发电机系统安装在地面上；所述多段组合式机轴，其中机轴轴承采用左右两半式可分解式组合式轴承座；所述多层叠加组合式框架，每层框架各角外部由钢缆绳或钢管或圆型钢斜拉与地 面重型固定墩连接固定；所述多层叠加组合式框架中，上层的下承重横梁与下层的非负重上横梁结合，在 该上横梁和下承重梁之间设置斜拉件，利用斜拉件组合构成斜拉式承重梁结构，使每一层 承重横梁不产生形变或形变达到最小，承重力最大，由此上层框架与下层框架连接为一体。本发明多层叠加组合立式风力发电系统，关键在于各层之间的连接组合与固定， 各层的重量承重分解与承受，主轴支撑横梁抗形变结构，便于组装与更换的大型主轴轴承 特殊支撑座，多层组合框架的抗形变与反倒力矩，多层组合框架的稳固系统，增加了整体抗 形变能力与强暴风能力，为整体扩容到超大容量级打下坚实的基础。本发明把高大的风力 发电系统分解为多层组合结构，便于制造、运输、安装、组合与维修。进一步的，所述集风与保护系统包括可控集风板和装在立柱上的固定集风板，可 控集风板通过液压或电机系统驱动控制调节各集风板的角度来控制风力动力机的受风量， 调节发电机的转速，风小时集风板张开起到集风作用；如且当风速过大或暴风时，通过闭合 集风板保护风力发电机系统的作用。进一步的，所述集风与保护系统还包括能调节控制集风系统并自动调节风量，进 而调节发电机转数的驱动装置，该驱动装置包括集风板的支撑驱动臂以及与之连接的电机 驱动设备或液压驱动设备。进一步的，所述多层叠加组合式框架，其中所述每层箱体框架结构为三角形框架 系统、四角形框架系统、五角形框架系统、六角形框架系统、八角形框架系统或者圆形框架 系统中的一种。进一步的，所述多层叠加组合式框架，其固定墩在立柱基座的对角延长线上，距离 最佳为框架高度的1/4 1/1。进一步的，所述多段组合式机轴采用大型多段组合式机轴，包括上段机轴和下段 机轴，所述上段机轴包括上轴端、上轴管、上轴连接盘、中风叶固定法兰盘和轴心定位销，所 述下段机轴包括下轴连接盘、下轴管，下轴端、下风叶固定法兰盘和固定螺栓，所述下轴端与下轴管以及所述上轴端与上轴管均采用强配合焊接连接，下轴管和上轴管通过下轴连接 盘、中风叶固定法兰盘、上轴连接盘和螺丝固定连接，风叶机轴整体用轴定位销中心定位。进一步的，所述多段组合式机轴还包括至少一中段机轴，所述中段机轴包括中段 轴下连接盘、中段轴管和中段轴上连接盘，中段轴管分别通过中段轴下连接盘和中段轴上 连接盘与下段机轴和上段机轴连接。本发明可以根据实际需要通过增加中段机轴和增加风 叶层数。本发明中将风叶通过风叶固定法兰盘与风叶机轴进行连接固定，可以任意组合改 变风叶角度，消除风叶死角，保持风力产生的旋转力矩的连续性，减小了机轴的形变与振 动，增加机轴的强度与旋转扭力矩，并便于组装与运输。多段组合式机轴的下端通过顶推轴 承与下轴承组装在框架的下承重梁上；多段组合式机轴的上端通过轴承与上轴承座组装在 框架的上横梁上。进一步的，所述风叶系统包括风叶框、风叶叶体、折射导风板、固定支架以及风叶 与轴连接件，风叶框与风叶叶体内部钢网焊接在一起，表明玻璃钢构成风叶光滑的表面，折 射导风板与风叶框成60度角固定，折射导风板下端部固定在风叶框上，折射导风板中部与 固定支架端部固定连接；每三个彼此之间成120度角的风叶通过风叶与轴连接件连接固定 在风叶机轴上的一风叶固定法兰盘上形成一风叶层，所述风叶机轴上沿轴向连接有N个 风叶层，每个风叶层之间相错120/N度，其中N为大于或等于1的整数。进一步的，所述多绕组变极发电机系统，包括转子、定子和散热冷却装置，转子产 生的能量通过磁传输给定子，由定子转换为电压与电流传输到电网；所述转子结构采用鼠 笼式结构，其转子轴包括机轴与轴鼓两部分，机轴与轴鼓固定在一起，轴鼓采用中空方式， 轴鼓两端设有通风孔，转子磁极固定在轴鼓上；所述定子为多绕组变极式定子结构，其接线 方式为2绕组异步变极方式、3绕组异步变极方式及多绕组异步变极方式，通过调整绕组的 组合来改变发电机极对数。进一步的，所述多层叠加组合式立式风动力系统包含控制系统，该控制系统对风 力发电机的转速进行控制，即，一方面控制集风板来调节风叶的受风量，以调节发电机的转 速；另一方面控制发电机组的励磁系统，使风力发电机输出的电压电流波形不随风速变化， 使发电机组输出电压频率、相位恒定并可调受控，并控制风力发电机在同相位时并网，减少 发电机在并网瞬间对电网的冲击。所述各层中的立柱为由圆筒形钢立柱，或角钢构成的立柱，或方筒形钢构成的立 柱。本发明中，多层组合式大功率风力发电系统，层间组合连接与固定是整体强度的 关键部位。层间组合连接与固定，主要包含风动力风箱体四个立柱的连接固定式和旋转主 轴的柔性连接与旋转力矩的传递。风箱体立柱主要包含由圆筒形钢立柱或角钢构成的立柱 及方筒形钢构成的立柱。旋转主轴采用柔性连接的可分解式组合式联轴器，使上下两个机 轴连接后有较大的自由旋转空间与自由同心度，下层机轴不承受上层机轴重力，使机轴传 输最大的旋转力矩和传输效率最高。联轴器是风力发电机轴传输力矩的主要关键装置，机轴联轴器在风力发电机组装 与拆卸维修中最困难的难点。本发明为了维修装拆方便，联轴器采用左右两半式可分解式 组合式联轴器，此联轴器传动力矩大，便于组装拆卸与维修，可以运行在具有较大不同心度
6情况下，具有较大自由度机轴的连接，加工方便，便于组装，产生较大的传动扭矩与旋转扭 矩。立式机轴垂直竖立在下承重横梁上，承重横梁上因受重产生形变历来是工程中最 大的难点。本发明采用上层的承重横梁与下层的上非负重梁结合，利用斜拉件组合构成斜 拉式承重梁结构，使每一层形变达到最小，承重力最大。机轴轴承在风力发电机组装与拆卸维修中最困难的难点。本发明为了维修装拆方 便，本系统采用左右两半式可分解式组合式轴承座。多层风动力机叠加组合式框架是本发明大功率化结构的主干塔架，底部一层由风 动力机、增速器、发电机组、控制系统等构成；第2层以上由1层 多层风动力层构成，框架 每层各角外部由钢缆绳或钢管或圆型钢斜拉与地面重型固定墩连接固定，使框架具有巨大 的抗倾斜和抗狂风摧毁能力，及抗运行中极大的反倒力矩。本发明中，风叶结构采用集风与风力导向原理，风叶呈渐开线式流线形曲面，风叶 与折射导向板相结合，风叶的受风力面的切面始终与风力线成为直角，令风力射线经过折 射导向板，在任何角度都能折射到最大力矩的风叶面，风力线流动轨迹呈直线形，不产生涡 流，风力线的合力矩集中指向最大的与风叶面相垂直切平面的焦点处，使风力折射到最大 的旋转力矩点，产生最大的推动力矩，使风叶沿水平方向旋转，因此风叶系统动平衡特性 好，转速高，稳定性好，受风面积大，风力利用率较之螺旋桨式风力动力机提高8倍以上，可 高达75%，且启动风速可低至3米/秒，额定工作风速达10米/秒，工作风区可在3 43 米/秒的风速区，同时，系统便于安装与调试，可作为大功率发电机的驱动动力机械。采用N 层风叶结构时，每层风叶相错120度/N，这样的结构方式使得风叶旋转平稳，平衡性更好。本发明中，增速器系统采用立式增速器，其为偏心摆式双行星轮结构，增速比大， 齿轮与齿圈咬合齿数多，咬合面积大，传动力矩大，传动效率高，可适用于5兆瓦以上的增 速驱动系统。本发明中，发电机系统采用多绕组变极立式异步发电机，其包括转子、定子和散热 冷却装置，转子产生的能量通过磁传输给定子，由定子转换为电压与电流传输到电网，省去 了发电机转子电刷和滑环，省去了双馈发电机的转子逆变器。所述转子结构采用鼠笼式结 构，其转子轴包括机轴与轴鼓两部分，机轴与轴鼓固定在一起，轴鼓采用中空方式，轴鼓两 端设有通风孔，转子磁极固定在轴鼓上。所述定子为多绕组变极式定子结构，其接线方式为 2绕组异步变极方式、3绕组异步变极方式及多绕组异步变极方式，通过改变绕组线圈的接 线方式来改变定子的极对数(如，在发电机直径不变的情况下，极对数可工作在4对极、6对 极、8对极、12对极、16对极、18对极、20对极、M对极、32对极、36对极、48对极、64对极、72 对极、80对极、84对极、96对极、100对极和120对极，其中120对极为直驱发电机组)，可适 应各风速区的运行特性，解决了大功率多极发电机体积过大和运输困难得难题等问题。所 述散热冷却装置采用轴鼓式转子冷却散热方式。本发明能适应风力自然环境特点与满足电 网要求。目前，传统的风力发电机，如螺旋桨式风力动力机与其他类型的风力动力机的转 数随风力与风速的变化而变化，因此发电机的输出电压，频率和输出功率都相错极大。本发 明为了适应风力发电系统的工作特点，采用了发电机励磁控制系统，即励磁并网控制系统 可对风力发电机的输出电压的频率与相位进行控制，即，一方面控制集风板来调节风叶的受风量，以达到调节发电机的转速；另一方面控制发电机组的励磁系统，使风力发电机输出 的电压电流波形不随风速变化，使发电机组输出电压频率、相位恒定并可调受控，并可控制 风力发电机在同频率与同相位时并网，以减少发电机在并网瞬间对电网的冲击。本发明风 力发电系统的工作风力范围最低风速3m/s，最高风速42m/s的全天气运行。采用上述的技术方案后，本发明的风力发电系统还至少具有如下优势1、风机采用水平旋转与自动控制的集风系统，与传统的三桨叶式风力发电系统相 比，风力利用率提高6倍以上；2、与同功率风力发电系统相比，体积缩小50%以上；3、发电质量和并网性能具有大幅度的提高；4、与传统的三桨叶式风电系统相比总造价成本降低40%以上；5、风场土地利用率提高3倍以上；6、安装维修和运输成本分别降低60%、80%和50%以上；7、风叶系统呈水平旋转式，平衡稳定性好，可以安装在城乡楼顶上，具有重要的推 广价值；8、整个风力发电系统可以并网运行，也可以离网单独运行；9、系统采用积木式结构，可实现多层组合，因此可构成大功率8兆瓦级以上风力 发电机组系统；10、发电机安装在地面，采用四支柱塔架支撑风箱式，在同功率情况下，高度仅是 传统三桨叶风机的30%，制造成本降低40%，机型结构适合于制造和安装超大型风力发电 机组，具有抗强台风和暴风雪能力。11、系统采用智能控制模式，做到并网零切入，对电网无冲击。


图1为本发明立式风力发电系统的最下层结构示意图；图1中1为组合式框架；2为风叶机轴；3为风叶系统，分别成120度角分布；4为 集风；5为固定式集风板支持驱动臂，6为集风系统液压装置；7为联轴器；8为双行星式增 速器；9为立式多绕组变极异步发电机；10为控制系统；11为框架四角缆绳固定墩；12为框 架四角固定缆绳；15为框架上下棚板；16为集风板滑道，17为集风板滑轮，18为风叶机轴 的轴承固定座，19为风力发电系统的地基机座。图2为多层叠加组合立式风力发电系统的第2层以上的风动力机的结构示意图；图2中20为上层风动力系统框架，连接板39。图3为2层叠加组合立式风力发电系统的结构示意图；图3中1为组合式框架，2为风叶机轴，3为风叶系统，4为集风板，5为集风板支 持驱动臂，6为集风系统液压装置，7为联轴器，8为双行星式增速器，9为立式多绕组变极异 步发电机，10为控制系统，11为框架四角缆绳固定墩，12为框架四角固定缆绳，16为集风板 滑道，17为集风板滑轮，19为风力发电系统的地基机座。图4为2段组合式机轴与2层组合风叶的结构示意图；图4中3为风叶，13为导风板。图5为图4中所示风叶的结构示意图5中3为风叶，13为折风板。图6为2层风叶组合机轴与上下横梁安装结构示意图；图6中2为风叶机轴(此图中为上轴端)，21为上风叶法兰盘，22为中间风叶固 定法兰盘，23为下风叶固定法兰盘，24为上轴端，25为上轴连接盘，26为中心定位销，27为 下轴连接盘，观为下轴端，29为固定螺栓，43为上横梁，44为下横梁。图7a为集风与保护系统的结构示意图；图7a中1为组合式框架，4为集风板，5为集风板支持驱动臂，6为集风系统液压 驱动装置，16为集风板滑道，14为固定集风板。图7b为集风与保护系统在集风状态示意图7c为集风与保护系统工作在保护(闭合)状态示意图8a为上层与下层框架圆筒型立柱的固定部分结构示意图8b为上层与下层框架圆筒型立柱的连接与固定部分结构示意图9a为上层与下层框架方筒型立柱的固定部分结构示意图9b为上层与下层框架方筒型立柱的连接与固定部分结构示意图9c为上层与下层框架角钢型立柱的连接与固定部分结构示意图IOa为上层与下层框架角钢型立柱的固定部分结构示意图IOb为角钢型立柱的顶视结构示意图Ila联轴器系统侧剖视结构图lib联轴器系统顶视结构图IlaUlb中28为下轴端，31为上链轮，32为下链轮，分别以中线分为左右2部
分；33为链轴，34为上下链片，35为上键，36为下键，37外固定套。图12为上层与下层框架的连接与机轴连接结构示意图；图12中；1为组合式框架，2为风叶机轴，3为风叶系统，7为联轴器，20为上层风 动力系统框架，41为上机轴，43上横梁，44下承重梁，45为斜拉件，18为轴承座。图13为多层框架组合连接固定与四角钢缆固定系统示意图；图13中1为组合式框架，11为框架四角缆绳固定墩，12为框架四角固定缆绳，19 为风力发电系统的地基机座，46为各层间的中间连索。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不 用于限定本发明的保护范围。本发明提供一种多层叠加组合立式风力发电系统，包括多段组合式机轴，多层叠 加组合式立式风动力系统，以及多层叠加组合式框架。所述多层叠加组合式立式风动力系统采用多层箱体框架结构，每层包括多段机轴 与多层风叶系统，集风与保护系统，以及多绕组变极发电机系统；每层可单独构成独立风动 力系统运行，各层之间利用各角立柱固定在一起，利用可分解式组合式联轴器把各层风叶 机轴连接起来构成一个整体，使各层风叶产生同步的旋转力矩，最下层风叶机轴下轴端通 过可分解式组合式联轴器与增速器和发电机连接在一起，驱动发电机系统发电。所述增速器系统采用立式增速器，其为偏心摆式双行星轮结构；所述发电机系统采用变极式立式异步发电机；所述立式发电机系统与增速器系统安装在地面上。图1为单层风力发电系统，图2为2层风力发电系统，如图13框架为4层组合式 结构。本发明的风动力系统可叠加组合2层 多层。1.单层立式风力发电机系统结构如图1所示，多层叠加组合式立式风力发电系统的单层式系统结构，该最底层的 单层式系统包括风动力系统，集风与保护系统，增速器系统，发电机系统，并网变压器系统， 监测控制系统。图1中所示1为底层组合式框架；图2中所示20为上层风动力组合式框 架；风力发电机的框架可是三角型框架，也可以是四角形框架，五角形框架，六角形框架，八 角形框架或为圆形框架，以下以四角形框架为例，介绍本发明的结构。2为多段组合型风叶 机轴；3为风叶，13风叶折射板，3个风叶为一组，分别成120度角分布；4为集风板，框架四 面各一个集风板，构成四面集风与保护系统；5为集风板支持驱动臂，6为液压驱动装置；7 为链式联轴器；8为升速器；9为多绕组变极异步发电机组；10为控制系统；11为框架四角 缆绳固定墩；12为框架四角固定缆绳；13风叶折射板、14与15为集风箱体的上下棚板； 16为集风板滑道；17为为集风板滑轮；18为上下机轴轴承座；19为风力发电系统的地基机 座。2层以上的立式风力发电系统的风动力系统如图2所示，图2中所示20为上层风 动力系统框架。内部各层风叶机轴相同。各层之间利用四角立柱固定在一起，构成多层叠 加组合立式风力发电系统。本发明通过采用箱体框架结构(风箱式框架式结构)进行多层叠加组合，能够构 成大容量的发电系统。例如，把每层风动力系统容量做到500KW，则四层叠加组合，就可以构 成2兆瓦风力发电系统；如果每层做到1000KW容量，则四层叠加组合，就可以构成4兆瓦风 力发电系统。本发明的风力发电系统整体结构便于组装、维修与运输，总高度降低了 2/3， 节约原材料60%，便于陆地，山上与海上安装与运行，其中，小机型便于渔船、楼顶安装与运 行；大型机组便于陆地，山上与海上大型风场安装与运行。该箱体框架结构上还可使用框架稳固系统，其每层四角外部由钢缆绳或钢管或圆 型钢斜拉与地面重型固定墩连接固定，使框架具有巨大的抗倾斜和抗狂风摧毁能力，及抗 运行中极大的反倒力矩。固定墩在四个立柱基座的对角延长线上。距离可为框架高度的 1/3 1/1。本系统抗翻倒力矩大，稳固性能好，可以抗暴风吹毁力。框架稳固系统如图13示，为四层组合叠加的例子。该系统采用在框架上方四角利 用钢索12固定到地面的固定墩11，固定墩19在四个立柱拄基座的对角延长线上，距离可为 框架高度的1/4 1/1。在多层框架组合时各层顶端四角都焊接有连接固定件，利用钢索与 四角固定钢缆连接，以起到整体固定作用，以防框架中部发颤。框架上、下棚板与集风板4共同构成风箱式或称为风道形式，减少风力泄漏。同时 上棚板减少风沙与雨雪侵袭，减小冰冻对风力发电机风叶的损坏。2.大型多段组合机轴实施例多段组合式机轴与多层叠加组合式风叶如图4所示。本发明采用大型多段组合式 风叶机轴(如图6)，并根据实际需要通过增加中段机轴和增加风叶层数。当风力发电机容量较大，需要风叶多，需要机轴较长时，则可增加中段机轴，中段 机轴可为1段，也可增至2段或多段。如图4所示2段组合机轴与上下横梁安装结构图。
本实施例涉及的大型风力发电机组合机轴，包括两端轴端，上下段轴管，固定轴盘 与风叶固定法兰盘。本实施例适用于风力发电机组容量大，风叶多，机轴长。中段机轴可为 一段，也可增加为多段，中段机轴可采用相同的结构。两段(多段)轴体系统共包含四部 分上段机轴包括上轴管、上轴端24、上轴连接盘25，中间风叶固定法兰盘22，中心 定位销沈。下段机轴包括下轴管，下风叶固定法兰盘23、下轴连接盘27、下轴端观、固定螺 栓29。中段机轴包括中段轴下连接盘、中段轴管、中段轴上连接盘、风叶连接法兰盘包括上风叶法兰盘21、中风叶固定法兰盘22、下间的风叶法兰 盘23与风叶连接。轴心定位轴销沈，风叶法兰盘固定螺丝四。上下风叶固定法兰盘为三角形钢板或圆形法兰盘，上有互成120度的3排风叶固 定孔。中间风叶法兰盘22为圆型，上有6排互成60度角的可固定6个风叶的固定孔。所 增加的中间的风叶法兰盘均与风叶法兰盘22相同。下段机轴与中段机轴组合连接如图4所示，下轴连接盘27与风叶法兰盘22及上 段轴管的连接盘25连接组装，中间轴心部以轴心定位轴销沈定位，使下段机轴与中段机轴 及中间的风叶法兰盘22准确定位在中心线上，通过固定螺栓把轴连接盘与风叶法兰盘及 轴连接盘固定在一起。使整体机轴在轴心定位轴销定位固定下，实现高精度的同轴心，构成 一个整体机轴。将风叶3通过风叶固定法兰盘21，22，23与风叶机轴2进行连接固定，可以任意组 合改变风叶角度，消除风叶死角，保持风叶旋转力矩的连续性，减小了机轴的形变与振动； 并把实心轴结构改为空心式结构，便于加工，减少重量，节约了大量的钢材，增加了机轴的 强度与旋转扭力矩，便于组装与运输。经过大量的模拟实验与大量的计算，本系统适应于 IOKff 10兆瓦以上风力发电系统的需要。多段组合式机轴与框架的安装组合图6所示，多段组合式机轴的下端通过顶推轴 承与下轴承组装在框架的下承重梁上；多段组合式机轴的上端通过轴承与上轴承座组装在 框架的上横梁上。3.多层风叶系统本发明采用立式水平旋转式风叶系统如图5所示，风叶图5包括风叶框、风叶叶体 3、折射导风板13、固定支架14及风叶与轴连接件。其中，风叶框与风叶叶体内部的钢网焊 接在一起构成整体风叶。折射导风板与风叶框成60度角固定。折射导风板下端部固定在 风叶框上，折射导风板中部与固定支架14固定连接。风叶通过风叶与轴连接件连接固定在 风叶机轴的风叶固定法兰盘上。折射导风板与风叶通过固定支架进行连接，便于组装，维修 与运输。所述风叶框由角钢做成长方体，材料采用钢结构件，以增加风叶强度。所述风叶体，其叶面内由钢带(或钢丝)制成叶面网状骨架，表面附有聚酯树脂 (玻璃钢)，表面光滑，风阻小。风叶主要作用是受风，风吹到风叶上产生最大的旋转力矩。 风叶横截面呈机翼流线型曲线，风叶正面受风面积大，风叶后面风阻小。纵截面呈突起拱型 曲线，当风力推动风叶转动，风力线运动轨迹呈直线状，不产生涡流，风力射线运动轨迹呈
11最佳状态。所述每层风叶有三个，三个风叶各相错120度角。所述导风折射导向板由导风板框架，内部有钢网，表面附有聚酯树脂(玻璃钢)， 表面光滑，风阻小。所述固定支架31由长扁钢制成，两端有固定孔。所述风叶与轴连接件两端的与中部有固定孔。本发明的风叶结构采用集风与风力导向原理，风叶呈渐开线式流线形曲面，风叶 与折射导向板相向结合，风叶的受风力面的切面始终与风力线成为直角，令风力射线经过 折射导向板，在任何角度都能折射到最大力矩端的风叶面，风力线流动轨迹呈直线形，不产 生涡流，风力线的合力矩集中指向最大的与风叶面相垂直切平面的焦点处，使风力折射到 最大的旋转力矩点，产生最大的推动力矩，使风叶沿水平方向旋转，因此风叶系统动平衡特 性好，转速高，稳定性好，受风面积大，风力利用率较之螺旋桨式风力动力机提高8倍以上， 可高达75 %，且启动风速可低至3米/秒，额定工作风速达10米/秒，工作风区可在3 43米/秒的风速区，同时，系统便于安装与调试，可作为大功率发电机的驱动动力机械。此外，本发明的每层三个风叶各相错120度角，三个风叶互补，产生平衡的旋转力 矩，无启动死角与换向死角，产生最佳的动平衡特性，旋转平稳。如图4所示，风叶系统采用二层风叶结构方式，当风机为大容量时，风叶系统还可 采用多层风叶结构方式。具体而言，当采用组合2层风叶结构时，上层风叶与下层风叶相错 60度，采用3层风叶结构时，每层风叶相错40度，采用N层风叶结构时，每层风叶相错120 度/N，这样的结构方式使得风叶旋转平稳，平衡性更好。图3所示2层风叶结构方式，上下 两层的连接由图6中所示的风叶连接法兰盘22与固定螺丝与螺帽所固定。4.集风与保护系统如图7a、7b、7c所示，为集风与保护系统结构示意图。集风与保护系统由集风板4， 集风板支持驱动臂5，液压驱动系统6，集风板滑道16，集风板滑轮17构成。图中42为固 定在立柱的固定集风板，也可以增加驱动系统在大风时折合成为保护系统装置。如图7a所 示，通过液压系统驱动控制调节各集风板的角度，可以控制风力动力机的受风量，调节发电 机的转速。如图7a、7b所示，风小时集风板张开，可以达到最大的集风量，每个叶片得到240 度的旋转推力角度。当风速过大或暴风时，通过闭合集风板如7c所示，可起到保护风叶与 发电机系统的作用。集风与保护系统可以采用电动机驱动，也可以采用液压驱动系统。上述集风板与箱体式框架的上、下棚板共同构成风洞式的箱式集风体(风箱形式 或称为风道形式)，减少风力泄漏，起到极好的集风效果。本发明在增加集风与保护系统后，风力利用率高，风力动力机平衡性好，转速高， 风力动力机启动风速为2 3m/s，最大工作风速36m/s，当风速超过36m/s时，通过调节集 风板来改变风力动力机的受风量，可以使发电机工作到最大风速42m/s ；当风速超过42m/s 时，集风板完全闭合，且留1/4的进风口，风力发电机仍可正常工作。本发明可完全在2. 5m/ s以上的风速全天候运行。5.可分解式组合式联轴器联轴器是风力发电机轴传输力矩的关键装置，机轴联轴器在风力发电机组装与拆 卸维修中的难点。本系统为了维修装拆方便，联轴器采用左右两半式可分解式组合式联轴器，大型风力发电机机轴的可分解式组合式联轴器如图11所示，此联轴器传动力矩大，便 于组装拆卸与维修，可以运行在具有较大不同心度情况下，具有较大自由度机轴的连接，加 工方便，便于组装，产生较大的传动扭矩与旋转扭矩。如图1 Ia与1 Ib所示，该可分解式组合式联轴器包括上链轮31、下链轮32，每个链 轮又以中心线分为左右两半，链轮的上下部分分别设有固定套37 ；上链轮31与下链轮32 由外部链条围绕连接与传动。链条包含链轴33、上链片34 ；联轴器上部由键35、上链轮31 与上风叶机轴连接，并套在风叶机轴的端部，由键35固定，外部由固定套37固定；同样的， 下链轮与风叶机轴连接，并套在风叶机轴端部，由键制动固定，外部由固定套37固定；上链 轮31与下链轮32由连接链连接与固定，该连接链由链轴、上链片、下链片构成。所述上链 轮31与下链轮32和连接链承受传输整个机轴旋转扭矩。旋转主轴采用柔性连接的联轴器，使上下两个机轴连接后有较大的自由旋转空间 与自由同心度，下层机轴不承受上层机轴重力，使机轴传输最大的旋转力矩和传输效率最
尚ο这种可分解式组合式联轴器重量轻，抗形变特性与扭力矩大，允许不同心度与自 由度大，加工方便，装拆方便。经过在大型风力发电机的试用验证，得到优良的效果。经过 大量模拟仿真计算与实际应用实验，便于组装，可以应用于IOMW以下各类型的风力发电机 系统，并可以适用各类动力机械传动系统。6.机轴轴承座分解组合方式机轴轴承在风力发电机组装与拆卸维修中最困难的难点。本系统为了维修装拆方 便，本系统采用左右两半式可分解式组合式轴承座。7.增速器系统本发明中增速器系统采用立式偏心摆式双行星轮结构，增速比大，齿轮与齿圈咬 合齿数多，咬合面积大，传动力矩大，传动效率高，可适用于10兆瓦以上的增速驱动系统。8.立式发电机系统本发明中发电机系统采用多绕组变极立式异步发电机，其包括转子、定子和散热 冷却装置，转子产生的能量通过磁传输给定子，由定子转换为电压与电流传输到电网，省去 了发电机转子电刷和滑环，省去了双馈发电机的转子逆变器。所述转子结构采用鼠笼式结 构，其转子轴包括机轴与轴鼓两部分，机轴与轴鼓固定在一起，轴鼓采用中空方式，轴鼓两 端设有通风孔，转子磁极固定在轴鼓上。所述定子为多绕组变极式定子结构，其接线方式为 2绕组异步变极方式、3绕组异步变极方式及多绕组异步变极方式，通过改变绕组线圈的接 线方式来改变定子的极对数(如，在发电机直径不变的情况下，极对数可工作在4对极、6对 极、8对极、12对极、16对极、18对极、20对极、M对极、32对极、36对极、48对极、64对极、72 对极、80对极、84对极、96对极、100对极和120对极，其中120对极为直驱发电机组)，可适 应各风速区的运行特性，解决了大功率多极发电机体积过大和运输困难得难题等问题。所 述散热冷却装置采用轴鼓式转子冷却散热方式。本发明能适应风力自然环境特点与满足电 网要求。9.发电机并网控制系统目前，传统的风力发电机，如传统的螺旋桨式风力发电机与其他类型的风力发电 机的转数随风力与风速的变化而变化，因此发电机的输出电压，频率和输出功率都相差极大。本发明为了适应风力发电系统的工作特点，采用了发电机励磁调频调相控制与并 网智能控制系统，即此励磁并网控制系统可对风力发电机的输出电压频率相位进行控制， 即，一方面控制集风板来调节风叶的受风量，以达到调节发电机的转速；另一方面控制发电 机组的励磁系统，使风力发电机输出的电压电流波形不随风速变化，使发电机组输出电压 频率恒定、相位可调受控，并可控制风力发电机在与电网同相位时并网，以减少发电机在并 网瞬间对电网的冲击。本发明风力发电系统的工作风力范围最低风速3m/s，最高风速42m/ s的全天气运行。10.各层之间的组合连接与固定多层组合式大功率风力发电系统，层间组合连接与固定是整体强度的关键部位。 层间组合连接与固定，主要包含风动力风箱体四个立柱的连接固定和旋转主轴的柔性连接 与旋转力矩的传递。风箱体四个立柱主要包含由圆筒形钢立柱(如图8a、图8b所示)，方筒形钢构成 的立柱(图9a、图9b所示)，或角钢构成的立柱(图10a、图IOb所示)。旋转主轴采用柔性连接的可分解式组合式联轴器由图11所示，使上下两个机轴 连接后有较大的自由旋转空间与自由同心度，下层机轴不承受上层机轴重力，使机轴传输 最大的旋转力矩和传输效率最高。11.机轴承重梁抗形变结构方式立式机轴垂直树立在下承重横梁上，承重横梁上因受重产生形变历来是工程中最 大的难点。本系统上层的下承重横梁与下层的非负重上横梁结合，在该上横梁和下承重梁 之间设置斜拉件，利用斜拉件组合构成斜拉式承重梁结构，使每一层形变达到最小，承重力 最大，其结构由图12所示。图12中7为联轴器，41为上机轴，43上横梁，44下承重梁，45 为斜拉件，18为轴承座。12.多层框架结构与稳固系统本立式风力发电系统多层框架结构采用框架稳固系统，其每层四角外部由钢缆绳 或钢管或圆型钢斜拉与地面重型固定墩连接固定，使框架具有巨大的抗倾斜和抗狂风摧毁 能力，及抗运行中极大的反倒力矩。固定墩在四个立柱基座的对角延长线上。距离可为框 架高度的1/4 1/1。本系统抗翻倒力矩大，稳固性能好，可以抗暴风吹毁力。框架稳固系统如图13示，为四层组合叠加的例子。每层框架的四柱焊接有立柱固 定件39，各层间利用立柱固定件39把各层框架组合固定为整体。该系统采用在框架上方四 角连接件，利用钢索12固定到地面的固定墩11 ；固定墩19在四个立柱拄基座的对角延长 线上，距离可为框架高度的1/4 1/1。在多层框架组合时各层顶端四角都焊接有连接固 定件与各层间连接钢缆46与四角固定钢缆12连接，以起到整体固定作用，以防框架中部发 颤。框架上棚板48下棚板49与集风板4共同构成风箱式或称为风道形式，减少风力 泄漏。同时上棚板减少风沙与雨雪侵袭，减小冰冻对风力发电机风叶的损坏。以上实施例仅用于说明本发明的内容，是本发明的优选实施情况，除此之外，本发 明还有其它具体实施方式
。但是，凡采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在 本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种多层叠加组合立式风力发电系统，其特征在于包括多段组合式机轴，多层叠 加组合式立式风动力系统，以及多层叠加组合式框架；其中所述多层叠加组合式立式风动力系统各层的风动力系统均为箱体框架结构，其中包含 风叶系统，集风与保护系统，双速增速器，以及多绕组变极发电机系统；所述箱体框架上部 与下部分别设置上棚顶和下棚板，所述集风与保护系统设置在所述箱体框架的周围，所述 上棚顶和下棚板与框架周围的所述集风与保护系统中的集风板共同形成风洞式箱式集风 系统；所述多层风动力系统中各层单独构成独立风动力系统运行，或者各层之间利用各角立 柱固定在一起，利用可分解式组合式联轴器把各层风叶机轴连接起来构成一个整体，使各 层风叶产生同步的旋转力矩，所述多层风动力系统的最下层风叶机轴下轴端通过可分解式 组合式联轴器与双速增速器和多绕组变极发电机系统连接在一起，驱动发电机系统发电；所述可分解式组合式联轴器包括上链轮、下链轮，每个链轮又以中心线分为左右两半， 链轮的上下部分分别设有固定套，所述上链轮与下链轮由外部链条围绕固定与传动，所述 链条包含链轴、上链片、下链片；联轴器上部由键、上链轮与风叶机轴上轴连接，并套在风叶 机轴上轴端部，由键固定，外部由固定套固定；同样的，下链轮与风叶机轴下轴连接，并套在 风叶机轴下轴端部，由键固定，外部由固定套固定；所述上链轮与下链轮由连接链连接与固 定，该连接链由链轴、上链片、下链片构成；所述上链轮与下链轮和连接链承受传输整个机 轴旋转扭矩；旋转主轴采用柔性连接的链轮式联轴器，使上下两个机轴连接后有较大的自 由旋转空间与自由同心度，下层机轴不承受上层机轴重力，使机轴传输最大的旋转力矩和 传输效率最高；所述双速增速器采用立式偏心摆式双行星轮结构，所述多绕组变极发电机系统采用立 式多绕组变极异步发电机，所述双速增速器与多绕组变极发电机系统安装在地面上；所述多段组合式机轴，其中机轴轴承采用左右两半式可分解式组合式轴承座；所述多层叠加组合式框架，每层框架各角外部由钢缆绳或钢管或圆型钢斜拉与地面重 型固定墩连接固定；所述多层叠加组合式框架中，上层的下承重横梁与下层的非负重上横 梁结合，在该上横梁和下承重梁之间设置斜拉件，利用斜拉件组合构成斜拉式承重梁结构， 使每一层承重横梁不产生形变或形变达到最小，承重力最大，由此上层框架与下层框架连 接为一体。
2.如权利要求1所述的多层叠加组合式立式风力发电系统，其特征在于所述集风与 保护系统包括可控集风板和装在立柱上的固定集风板，可控集风板通过液压或电机系统驱 动控制调节各集风板的角度来控制风力动力机的受风量，调节发电机的转速，风小时集风 板张开起到集风作用；如且当风速过大或暴风时，通过闭合集风板保护风力发电机系统的作用。
3.如权利要求1或2所述的多层叠加组合式立式风力发电系统，其特征在于所述集 风与保护系统还包括能调节控制集风系统并自动调节风量，进而调节发电机转数的驱动装 置，该驱动装置包括集风板的支撑驱动臂以及与之连接的电机驱动设备或液压驱动设备。
4.如权利要求1所述的多层叠加组合式立式风力发电系统，其特征在于所述多层叠 加组合式框架，其中所述每层箱体框架结构为三角形框架系统、四角形框架系统、五角形框 架系统、六角形框架系统、八角形框架系统或者圆形框架系统中的一种。
5.如权利要求1所述的多层叠加组合式立式风力发电系统，其特征在于所述多层叠 加组合式框架，其固定墩在立柱基座的对角延长线上，距离为框架高度的1/4 1/1。
6.如权利要求1所述的多层叠加组合式立式风力发电系统，其特征在于所述多段组 合式机轴采用大型多段组合式机轴，包括上段机轴和下段机轴，所述上段机轴包括上轴端、 上轴管、上轴连接盘、中风叶固定法兰盘和轴心定位销，所述下段机轴包括下轴连接盘、下 轴管，下轴端、下风叶固定法兰盘和固定螺栓，所述下轴端与下轴管以及所述上轴端与上轴 管均采用强配合焊接连接，下轴管和上轴管通过下轴连接盘、中风叶固定法兰盘、上轴连接 盘和螺丝固定连接，风叶机轴整体采用轴定位销中心定位；所述多段组合式机轴还包括至少一中段机轴，所述中段机轴包括中段轴下连接盘、中 段轴管和中段轴上连接盘，中段轴管分别通过中段轴下连接盘和中段轴上连接盘与下段机 轴和上段机轴连接。
7.如权利要求1所述的多层叠加组合式立式风力发电系统，其特征在于所述风叶系 统包括风叶框、风叶叶体、折射导风板、固定支架以及风叶与轴连接件，风叶框与风叶叶体 内部钢网焊接在一起，表明玻璃钢构成风叶光滑的表面，折射导风板与风叶框成60度角固 定，折射导风板下端部固定在风叶框上，折射导风板中部与固定支架端部固定连接；每三个彼此之间成120度角的风叶通过风叶与轴连接件连接固定在风叶机轴上的一 风叶固定法兰盘上形成一风叶层，所述风叶机轴上沿轴向连接有N个风叶层，每个风叶层 之间相错120/N度，其中N为大于或等于1的整数。
8.如权利要求1所述的多层叠加组合式立式风力发电系统，其特征在于所述多绕组 变极发电机系统，包括转子、定子和散热冷却装置，转子产生的能量通过磁传输给定子，由 定子转换为电压与电流传输到电网；所述转子结构采用鼠笼式结构，其转子轴包括机轴与轴鼓两部分，机轴与轴鼓固定在 一起，轴鼓采用中空方式，轴鼓两端设有通风孔，转子磁极固定在轴鼓上；所述定子为多绕组变极式定子结构，其接线方式为2绕组异步变极方式、3绕组异步变 极方式及多绕组异步变极方式，通过调整绕组的组合来改变发电机极对数。
9.如权利要求1所述的多层叠加组合式立式风力发电系统，其特征在于所述多层叠 加组合式立式风动力系统包含控制系统，该控制系统对风力发电机的输出电压的频率与相 位进行控制，即，一方面控制集风板来调节风叶的受风量，以调节发电机的转速；另一方面 控制发电机组的励磁系统，使风力发电机输出的电压电流波形不随风速变化，使发电机组 输出电压频率、相位恒定并可调受控，并控制风力发电机在同相位时并网，减少发电机在并 网瞬间对电网的冲击。
10.如权利要求1所述的多层叠加组合立式风力发电系统，其特征在于所述各层中的 立柱为由圆筒形钢立柱，或角钢构成的立柱，或方筒形钢构成的立柱，该发电系统采用框架 稳固系统，其每层四角外部由钢缆绳或钢管或圆型钢斜拉与地面重型固定墩连接固定，使 框架具有巨大的抗倾斜和抗狂风摧毁能力，及抗运行中极大的反倒力矩，固定墩在四个立 柱基座的对角延长线上，距离为框架高度的1/4 1/1。
全文摘要
一种多层叠加组合立式风力发电系统，包括多段组合式机轴，多层叠加组合式立式风动力系统，以及多层叠加组合式框架；各层的风动力系统均为箱体框架结构，包含风叶系统，集风与保护系统，双速增速器，以及多绕组变极发电机系统；各层单独构成独立风动力系统运行，或者各层之间利用各角立柱固定在一起，利用可分解式组合式联轴器把各层风叶机轴连接起来构成一个整体，使各层风叶产生同步的旋转力矩，所述多层风动力系统的最下层风叶机轴下轴端通过可分解式组合式联轴器与双速增速器和多绕组变极发电机系统连接在一起。本发明把风力发电系统分解为多层组合结构，便于制造、运输、安装、组合与维修，体积小，性能好，可构成大容量发电系统。
文档编号F03D3/02GK102128138SQ201010566259
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者李树广 申请人:李树广