改进的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械电气技术领域，具体地说，是提出一种采用垂直轴风力涡轮机动力驱动的发电系统装置。
【背景技术】
[0002]由风力涡轮机(以下也简为风轮机或风机)构成的风力涡轮发电机系统，是将风的动能转变为适合发电机轴能接受的机械能，然后带动发电机旋转的新能源发电装置。在现有广泛使用的水平轴涡轮机中，在风力发电过程中，涡轮机的产能是第一位重要的。产业实践证明，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，目前正在向10?20兆瓦级的目标发展，这是近期来风电技术演进的总趋势。
[0003]目前特大型风力涡轮机存在以下诸多技术难题:
[0004]1、对单机功率为1MW级水平轴涡轮机而言，其叶片长达80?100米，三针式叶片为悬臂梁结构，单端固定在轮毂上，存在巨大的剪应力，结构强度低，易为强风损坏，必须采用结构强度更高的碳纤维材料，材料和工艺成本非常高，尤其在抵抗强烈暴风下的生存能力方面还显得不足；此外，随着功率的增加，发电机加重、塔筒高度增大，电气、塔筒和地基建造成本随之而大增，使整机成本急聚升高；
[0005]2、如果采用1MW级垂直轴的达里厄涡轮机，虽然叶片为双端支承，克服了悬臂梁单端支承的缺点，但其主轴的长度很可能超过百米，为保证转动时的低晃动度和刚度，其制造成本将远大于水平轴的主轴，需要高强度刚度的长主轴几使垂直轴涡轮机省略水平轴机组塔筒成本的优势丧失殆尽；
[0006]3、此外，由于达里厄垂直轴涡轮机自起动能力不足，必须考虑额外的启动装置，特别是在低风速时，机组自起动能力不足，另外，当两叶片达里厄涡轮机的叶片中轴线与风向相同时，即使风速很大，也不可能起动，所以达里厄涡轮机的起动特性也是一个有待改进提高的技术课题；
[0007]4、虽然两叶片达里厄涡轮机的成本较三叶片或多叶片低，但在风机整个360°转动过程中，风能驱动产生的转动力矩波动十分严重，虽然可为机组巨大惯性所[平缓，但还是会造成发电机输出功率相应的变化，将直接影响电能质量。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的任务是，针对以上四大技术难题，本发明的解决方案，是采用二叶片双臂风叶的短主轴达里厄垂直轴涡轮机的结构；并在双臂达里厄风叶的近端，采用S形风叶提高起动能力和平稳力矩问题。
[0009]一种特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，系统主要由涡轮机(I)、发电机(2)、变流器⑶和制动器⑷组成，其特征是，涡轮机⑴为中心轴处设置S形叶片萨沃纽斯风机的短主轴(10)的二叶片双臂达里厄风叶结构；发电机(2)为幅条式或空心式结构的直驱大直径发电机；制动器(4)为混合式制动系统。
[0010]按照上述解决方案所获得的风力涡轮机，其叶片为成三角形双臂连接，增加了叶片的强度和刚度，将有效抵御强风侵袭；主轴长度大幅减短，不易晃动且制造成本低；S形叶片可有效增加涡轮机起动力矩且减少涡轮机驱动力矩的大幅波动，使机组能在较低的风速下更容易起动发电，驱动力矩较平衡，波动小；其次，双臂连接的叶片加上S形叶片都可以增加涡轮机截风能力，增大机组的输出功率；发电机、变流器和制动系统的创新加在一起，使机组在工业制造后的整机性能发挥超大型风机的技术优势。
【附图说明】
[0011]图1、传统达里厄垂直轴风力涡轮机简图。
[0012]图2、公开知识的创新型半臂达里厄风机外形视图。
[0013]图3、公开知识的创新型半臂达里厄风机平视结构简图。
[0014]图4、本发明的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机平视结构简图。
[0015]图5、本发明的带S形叶片的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机平视结构简图。
[0016]图6、带S形叶片的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机俯视结构简图。
[0017]图7、几种萨沃纽斯风机S形叶片结构形状图。
[0018]图8、带幅条的大直径永磁直驱同步发电机结构简图。
[0019]图9、大直径直驱空心式感应子发电机结构简图。
[0020]图10、同步/异步二次发电风力发电机原理图。
[0021]图11、本发明的涡轮发电机系统简要框图。。
【具体实施方式】
[0022]当前的大型风电机组，主流型是2-3MW的水平轴双馈机型。水平轴风力涡轮机，通常为细三针环氧树脂叶片，根端固定在轮毂上，通过轮毂连接到主轴，带动主轴旋转输出机械能，再通过发电机和变流器将机械能变成恒频恒压电能输入电网。三针式叶片采用悬臂梁结构固定，悬臂梁结构叶片剪切应力大，结构强度低，受风力作用容易损坏，这是水平轴风机最致命的弱点。因此，当功率增加到超大功率的1MW水平时，叶片必须采用结构强度更高的碳纤维材料，致使材料成本和工艺成本大幅升高，尤其在抵抗强烈暴风下的生存能力方面更显不足。
[0023]垂直轴风力涡轮机叶片的支撑点多，特别是Φ型达里厄风机，叶片二端点获得足够支撑，剪切应力大大降低，抗风能力显著增强，此外，垂直轴风机无须偏航对风，无水平轴风机偏航时的陀螺效应力矩，传动和发电机都可以安装在地面上，省却塔筒等等，优越性明显。
[0024]垂直轴风力涡轮机有两大类一阻力型和升力型，阻力机型有平板型、风杯型和S型等多种结构形式，阻力机型的主轴两边风叶产生反向旋转力矩，所以必须使两边风叶的风阻力产生差异，利用阻力差产生定向旋转力矩，阻力型有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的前提下，提供的功率输出低。升力机型通常采用翼型剖面的叶片，主轴两边风叶可以产生同方向的旋转力矩，它的启动力矩较低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出，是大型垂直轴风机的首选机型。
[0025]典型的大型垂直轴涡轮机是由法国工程师达里厄(G.J.M.Darrieus)于19世纪30年代发明的，是现代垂直轴风力涡轮机的开山鼻祖。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，成为当今水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力型涡轮机装置，弯曲叶片的剖面是翼型，发展到现在有多种形态的达里厄式风力发电机，如Φ型，Λ型，Y型和H型等。这些风轮机通常设计成二叶片，三叶片或者多叶片，从性能、造价等各种因素考虑，二叶片或三叶片的Φ型达里厄风机用得较多。
[0026]图1为传统Φ型二叶片达里厄风机简图。图中，两片半圆外形风叶对称连接到主轴两边，由于采用双端连接的叶片，所以涡轮机强度和刚度优于水平轴风机单端连接的悬臂梁结构，结构牢固应力小。垂直轴风机不需要偏航对风装置，发电机可以安放在较低位置甚至可以放在地面，这对安装和保养十分有利，以上都是垂直轴涡轮机的优点。但是达里厄涡轮机最大的结构缺点是其主轴太长，这么长的主轴，要保证涡轮机总体的强度刚度都存在难度，不但制造成本很高，而且在转动过程中，如何防止晃动，也是需要颇费精力解决的技术难题。
[0027]针对以上技术难题，本发明的解决方案首先摒弃悬臂梁结构的水平轴涡轮机，选择达里厄垂直轴的双端支承叶片的技术路线。
[0028]水平轴风机发展到MW级和数MW级，为此，各国也在探索同样大功率级别的大型和超大型垂直轴风机。经过不断的探索努力，英国Arup公司推出的AerogeneratorX设计,将达里厄取下半段，然后在风叶顶端加上很小的端部风叶，构成的一种变相达里厄垂直轴涡轮机，这样一来就省略了达里厄风机的长主轴。据其公开报道的参数为:
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