一种大型海上垂直轴风力发电机组的制作方法
【专利摘要】本发明属于发电机【技术领域】，特别涉及一种大型海上垂直轴风力发电机组。风力发电机组采用独特的V型结构，包含叶片、发电机、直升机平台、动静轴、顶部轴承、底部轴承、海上基础和辅助设备。叶片由外层和内层叶片组成，外层叶片采用变桨系统，避免由于大风或者台风引起的过转速飞车危险；内层支撑叶片横截面采用翼型结构，提高风力发电机组的风能利用率。发电机、齿轮箱、变流器等所有的辅助设备安装于风力发电机组的底部，使得风力发电机组吊装、后期更换部件和维护成本降低。相对水平轴风力发电机组，本发明有效的解决了水平轴风力发电机组单机容量的上限问题，更加适合于10MW等以上大型海上风力发电机组设计方案，有更加广阔的市场利用价值。
【专利说明】一种大型海上垂直轴风力发电机组
【技术领域】
[0001]本发明属于发电机【技术领域】，特别涉及一种大型海上垂直轴风力发电机组。
【背景技术】
[0002]随着化石能源的消耗，全球气候不断地恶化，人类必须重视起对生存环境的保护，风力发电作为一种清洁的可再生的清洁能源，目前越来越受到全世界的关注。风力发电机组发展一个多世纪以来，根据风力发电机组主轴的旋转方向形成了两大结构型式，即水平轴和垂直轴风力发电机组。
[0003]水平轴机组是目前比较成熟的技术，目前市场上多数的风力发电机组都是水平轴，水平轴风力发电机组主要由风轮、发电机、机舱、塔筒等组成，这样的结构优点是保证风轮可以安装在距离地面几十米的高度，显著的提高了风力发电机组的捕获风能的能力。但是随着风力发电机组容量的不断增大，尤其是安装在海上的风力发电机组，风力发电机组的单机容量达到了 10丽以上，为了捕获更多的风能和克服不断增大的载荷，叶片、轮毂、主轴、机舱等部件的尺寸不断增大，塔筒顶部机头的质量已经超出了塔架所能承受的范围，因此限制了水平轴单机容量的增加。
[0004]垂直轴风力发电机组相对水平轴风力发电机组也有明显的优劣势。劣势是垂直轴的风能利用系数低，风轮距离地面高度低。但垂直轴风力发电机组也有其优势，首先垂直轴风力发电机组不用偏航系统，不用制作塔筒等支撑件，制造成本降低；其次垂直轴的发电机、齿轮箱、变流器等设备都安装子近地面位置，不用担心由于单机容量的增大导致支撑结构问题，由于大部分部件处于近地面位置，吊装和后期更换、维护成本低。因此随着风力发电机组的单机容量增加，尤其是安装在海上丰富的风资源下，垂直轴风力发电机组显示出了明显的竞争优势。
[0005]垂直轴风力发电机组目前主要流行的有Darrieus升力型风力发电机组和Savonius阻力型风力发电机组,Darrieus升力型风力发电机组基本型式有直叶片H型结构和弯叶片Φ型两种，国内外的垂直轴风力发电机组多数都是升力型。H型的风力发电机组可以将风轮安装在一定高度，好处是发电量增加，但是发电机、齿轮箱、变流器等设备安装在高空中，安装和维护成本高。Φ型风力发电机组其优点是叶片近似采用Troposkien曲线，叶片绕轴旋转时叶片只受气动和重力载荷，不受弯曲应力，但是这种型式的风力发电机组也需要很长的轴去支撑叶片，不适合作为大型风力发电机组的结构型式。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种新型大型垂直轴风力发电机组，具有V型结构型式，包括风轮、动轴、定轴、发电机、直升机平台、轴承、海上基础和辅助设备；风轮由多组叶片组成；动轴分别和发电机转子、底部轴承连接，负责把叶片产生的旋转动能传递给发电机；定轴分别和发电机定子、海上基础连接，用于支撑整个风轮、发电机及直升机平台；直升机平台底部和发电机定子连接，用于停靠安装和运维用的直升机；轴承包含顶部轴承和底部轴承，顶部轴承内圈连接发电机定子，外圈连接发电机转子和动轴上段，底部轴承连接动轴和定轴，用于风力发电机组动静联接；海上基础固定于地面或者海底，用于支撑整个风力发电机组的重量；辅助设备包含齿轮箱、变流器、控制系统、电气系统、消防系统、照明系统和逃生系统；发电机、轴承和辅助设备安装于风力发电机组的底部；
[0007]所述多组叶片中的每组叶片沿垂直轴向有一层或多层，每组叶片沿水平径向由一层叶片或者由包括内部上层叶片和内部下层叶片的内层和外层叶片组成，所述多组叶片沿水平圆周向由相对圆心呈对称结构的两组叶片或者沿圆周均匀分布的两组以上叶片组成；
[0008]内层叶片沿展向采用直线或者曲线形状，内层叶片由叶根处向上翘起，形成V形或者多V形结构，内层叶片的横截面采用翼型形状，能吸收风能提高机组风能利用率；
[0009]外层叶片采用直叶片，安装角度垂直于地面或者海面，或与地面或者海面呈现一定夹角；当内层叶片为内部上层叶片和内部下层叶片时，外层叶片两端分别与内部上层叶片和内部下层叶片连接固定；
[0010]外层叶片采用整体设计或分段设计，当采用分段设计时，外层叶片由静止部分和变桨部分组成，变桨叶片通过电机或者液压驱动的变桨系统调节桨距角，进而调节风力发电机组的功率输出；
[0011]叶片的材料是玻璃纤维或碳纤维加增强环氧树脂，或采用内部钢桁架结构外部蒙皮技术。
[0012]风电机组的定轴和动轴材料是球墨铸铁或钢材。
[0013]发电机是内转子或外转子发电机，是永磁低速直驱电机、电励磁低速直驱电机、带齿轮箱的半直驱中速电机或带齿轮箱的高速电机；发电机冷却形式为空冷、空空冷或空水冷，发电机位于定轴上部或者下部。
[0014]所述定轴和动轴采用双轴承或多轴承支撑。
[0015]海上基础是桩基式、重力式、负压筒式或者漂浮式。
[0016]变桨系统可以采用独立变桨系统，每个叶片分别单独控制。变桨系统可以调节风电机组的输出，保证风电机组在大风速下安全有效的发电。
[0017]所述的动轴一端和发电机转子连接，一端和底部轴承连接，负责把叶片产生的旋转动能传递给发电机。
[0018]所述的定轴一端连接基础，一端连接发电机组定子，用于支撑整个风轮、发电机以及发电机上面的直升机平台。
[0019]所述的发电机一端转子与动轴连接，定子与定轴连接，另一端定子和直升机平台连接，用于把风轮产生的动能转化成电能。
[0020]所述的基础一端和定轴连接，一端固定于地面或者海底，用于支撑整个风力发电机组的重量。
[0021]所述的直升机平台底部和发电机定子连接，用于停靠安装和运维用的直升机。
[0022]所述轴承的形式包括球轴承、圆锥轴承、圆柱轴承或其他形式。所述的轴承一端连接动轴，一端连接定轴，用于风力发电机组动静联接。
[0023]本发明的有益效果是:
[0024]1、本发明不同于传统的Darrieus H型和Φ型垂直轴风机结构，采用独特的V型结构，相比较V型结构型式的风电机组，Darrieus H型风电机组的缺点是是需要一定高度的塔架去支撑整个风轮，Φ型垂直轴风电机组的是需要很长的轴，这两个型式的风电机组都不适合大型海上风电机组，而本文设计的V型垂直轴风电机组有效的避免的上述缺点。
[0025]2采用独特的外层和内层叶片设计，以及上下层叶片设计，使得整个风轮吸收风能的效率提高，外层叶片采用了变桨系统，可以有效的避免由于大风或者台风引起的过转速飞车危险。内层叶片不仅起到支撑外层叶片的作用，也可以吸收一部分风能。
[0026]3由于整个风力发电机组采用V型结构，整个发电机、齿轮箱和变流器及其所有的辅助设备安装于风力发电机组的底部，风力发电机组吊装、零部件更换和后期维护成本显著降低。
[0027]4.本发明的垂直轴风电机组，由于发电机、齿轮箱和变流器等大部件等部件均安装在风机底部，不需要很高的塔筒去支撑风轮，风轮的直径和重量理论上不存在限制，有效的解决了水平轴风力发电机组单机容量的上限问题，本发明更加适合于10丽等以上大型海上风力发电机组设计方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是实施方案I中大型垂直轴风力发电机组的整体结构示意图；
[0029]图2是图1轴承上段部分的局部剖视图；
[0030]图3是图1轴承下段部分的局部剖视图；
[0031]图4是实施方案2中大型垂直轴风力发电机组的整体结构示意图；
[0032]图5是图4轴承部分的局部剖视图；
[0033]图6是实施方案3中大型垂直轴风力发电机组的整体结构示意图；
[0034]图7是图6轴承上段部分的局部剖视图；
[0035]图8是图6轴承下段部分的局部剖视图。
[0036]图中标号:1-外层静止叶片，2-外层变桨叶片，3-内部上层叶片，4-内部下层叶片，5-直升机平台，6-发电机，7-顶部轴承，8-动轴上段，9-定轴，10-动轴下段，11-底部轴承，12-海上基础，13-叶片，14-动轴。
【具体实施方式】
[0037]本发明涉及一种大型海上垂直轴风力发电机组，下面结合具体实施例和附图对本发明作详细说明，但并不因此而限制本发明的内容。
[0038]实施方式I
[0039]图1所示，为一种大型垂直轴风力发电机组，主要包括外层静止叶片1、外层变桨叶片2、内部上层叶片3、内部下层叶片4、直升机平台5、发电机6、顶部轴承7、动轴上段8、定轴9、动轴下段10、底部轴承11和海上基础12 ；
[0040]其中，外层静止叶片I 一端通过螺栓和内部上层叶片3连接，另一端通过螺栓和外层变桨叶片2连接；
[0041]外层变桨叶片2 —端和外层静止叶片I连接，另一端和内部下层叶片4通过螺栓连接，外层变桨叶片2是主要捕获风能的部件，它可以通过内部电机或者液压等动力设备驱动，改变叶片的桨距角，从而改变叶片捕获风能的能力，调节风力发电机组输出的功率，防止风力发电机组在大风状态下发生飞车；
[0042]内部上层叶片3 —端和外层静止叶片I连接，一端通过法兰螺栓和动轴上段8连接，内部上层叶片3选用玻璃纤维材料，支撑结构横截面采用翼型形状，在起到支撑外层叶片的作用外，也可以捕获风能提供一部分旋转动力，提高机组利用率；
[0043]内部下层叶片4 一端和外层变桨叶片2连接，一端通过法兰螺栓和动轴下段10连接，内部下层叶片4选用玻璃纤维材料，支撑结构横截面采用翼型形状，在起到支撑外层叶片的作用外，也可以捕获风能提供一部分旋转动力，提高机组利用率；
[0044]图2所示，为发电机组底部的轴承上段部分的局部剖视图；
[0045]直升机平台5下部通过法兰与螺栓和发电机6定子连接，直升机平台5的主要作用是停靠直升机，为海上风力发电机组维护提供降落地点；
[0046]发电机6转子用螺栓和顶部轴承7外环连接，发电机6定子部件一端和直升机平台5连接，另一端与定轴9通过法兰与螺栓连接，发电机6的作用主要是把风轮的机械能转化成电能；
[0047]顶部轴承7外圈通过螺栓连接发电机6转子和动轴上段8，内圈连接通过过盈配合连接发电机6定子，顶部轴承7的主要作用是过渡发电机动静部分，并负责将风轮上的径向力和力矩传递到定轴9上；
[0048]动轴上段8 一端和顶部轴承7连接，另一端和动轴下段10连接；动轴下段10 —端和动轴上段8连接，另一端和底部轴承11连接，动轴上段8和动轴下段10的作用是把风轮上收到的力和力矩传递给定轴9，并把旋叶片产生的旋转机械能传递给发电机6。
[0049]定轴9 一端和发电机6定子连接,另一端和海上基础12连接,定轴9的作用是支撑整个风力发电机组基础以上部件，负责把风机上的载荷传递给海上基础12 ；
[0050]图3所示，为发电机组底部的轴承下段部分的局部剖视图；
[0051]底部轴承11 一端和动轴下段10连接，一端和定轴9连接，主要是负责连接动定轴，并传递整个风机的重力载荷给定轴9 ；
[0052]海上基础12 —端和定轴9连接，一端和海底连接，负责支撑整个风力发电机组的重量。
[0053]实施方式2
[0054]图4所示，为一种大型垂直轴风力发电机组，主要包括直升机平台5、发电机6、顶部轴承7、定轴9、底部轴承11、海上基础12、叶片13和动轴14、；
[0055]其中，叶片13 —端通过法兰与螺栓和动轴14连接；
[0056]图5所示，为发电机组底部的动轴部分的局部剖视图；
[0057]直升机平台5下部通过法兰与螺栓和发电机6定子连接，直升机平台5的主要作用是停靠直升机，为海上风力发电机组维护提供降落地点；
[0058]发电机6转子用螺栓和顶部轴承7外环连接，发电机6定子部件一端和直升机平台5连接，另一端与定轴9通过法兰与螺栓连接，发电机6的作用主要是把风轮的机械能转化成电能；
[0059]顶部轴承7外圈通过螺栓连接发电机6转子和动轴14，内圈连接通过过盈配合连接发电机6定子，顶部轴承7的主要作用是过渡发电机动静部分，并负责将风轮上的径向力和力矩传递到定轴9上；
[0060]定轴9 一端和发电机6定子连接,另一端和海上基础12连接,定轴9的作用是支撑整个风力发电机组基础以上部件，负责把风机上的载荷传递给海上基础12 ；
[0061]底部轴承11 一端和动轴14连接，一端和定轴9连接，主要是负责连接动定轴，并传递整个风机的重力载荷给定轴9 ；
[0062]海上基础12 —端和定轴9连接，一端和海底连接，负责支撑整个风力发电机组的重量。
[0063]实施方式3
[0064]图6所示，为一种大型垂直轴风力发电机组，主要包括外层变桨叶片2、内部上层叶片3、内部下层叶片4、直升机平台5、发电机6、顶部轴承7、动轴上段8、定轴9、动轴下段
10、底部轴承11和海上基础12 ；
[0065]其中，外层变桨叶片2 —端和内部上层叶片3连接，另一端和内部下层叶片4通过螺栓连接，外层变桨叶片2是主要捕获风能的部件，它可以通过内部电机或者液压等动力设备驱动，改变叶片的桨距角，从而改变叶片捕获风能的能力，调节风力发电机组输出的功率，防止风力发电机组在大风状态下发生飞车；
[0066]内部上层叶片3 —端和外层变桨叶片2连接，一端通过法兰螺栓和动轴上段8连接，内部上层叶片3选用玻璃纤维材料，支撑结构横截面采用翼型形状，在起到支撑外层叶片的作用外，也可以捕获风能提供一部分旋转动力，提高机组利用率；
[0067]内部下层叶片4 一端和外层变桨叶片2连接，一端通过法兰螺栓和动轴下段10连接，内部下层叶片4选用玻璃纤维材料，支撑结构横截面采用翼型形状，在起到支撑外层叶片的作用外，也可以捕获风能提供一部分旋转动力，提高机组利用率；
[0068]图7所示，为发电机组底部的轴承上段部分的局部剖视图；
[0069]直升机平台5下部通过法兰与螺栓和发电机6定子连接，直升机平台5的主要作用是停靠直升机，为海上风力发电机组维护提供降落地点；
[0070]发电机6转子用螺栓和顶部轴承7外环连接，发电机6定子部件一端和直升机平台5连接，另一端与定轴9通过法兰与螺栓连接，发电机6的作用主要是把风轮的机械能转化成电能；
[0071 ] 顶部轴承7外圈通过螺栓连接发电机6转子和动轴上段8，内圈连接通过过盈配合连接发电机6定子，顶部轴承7的主要作用是过渡发电机6动静部分，并负责将风轮上的径向力和力矩传递到定轴9上；
[0072]图8所示，为发电机组底部的轴承下段部分的局部剖视图；
[0073]动轴上段8 一端和顶部轴承7连接，另一端和动轴下段10连接；动轴下段10 —端和动轴上段8连接，另一端和底部轴承11连接，动轴上段8和动轴下段10的作用是把风轮上收到的力和力矩传递给定轴9，并把旋叶片产生的旋转机械能传递给发电机6。
[0074]定轴9 一端和发电机定子连接,另一端和海上基础12连接,定轴9用于支撑整个风力发电机组基础以上部件，负责把风机上的载荷传递给海上基础12 ；
[0075]底部轴承11 一端和动轴下段10连接，一端和定轴9连接，主要是负责连接动定轴，并传递整个风机的重力载荷给定轴9 ；
[0076]海上基础12 —端和定轴9连接，一端和海底连接，负责支撑整个风力发电机组的重量。
【权利要求】
1.一种大型海上垂直轴风力发电机组，其特征在于，具有V型结构型式，包括风轮、动轴、定轴、发电机、直升机平台、轴承、海上基础和辅助设备；风轮由多组叶片组成；动轴分别和发电机转子、底部轴承连接；定轴分别和发电机定子、海上基础连接；直升机平台底部和发电机定子连接；轴承包含顶部轴承和底部轴承，顶部轴承内圈连接发电机定子，外圈连接发电机转子和动轴上段，底部轴承连接动轴和定轴；海上基础固定于地面或者海底；辅助设备包含控制系统、电气系统、消防系统、照明系统和逃生系统；发电机、轴承和辅助设备安装于风力发电机组的底部； 所述多组叶片中的每组叶片沿垂直轴向有一层或多层，每组叶片沿水平径向由一层叶片或者由包括内部上层叶片和内部下层叶片的内层叶片和外层叶片组成，所述多组叶片沿水平圆周向由相对圆心呈对称结构的两组叶片或者沿圆周均匀分布的两组以上叶片组成。
2.根据权利要求1所述的大型海上垂直轴风力发电机组，其特征在于，内层叶片沿展向采用直线或者曲线形状，内层叶片由叶根处向上翘起，形成V形或者多V形结构，内层叶片的横截面采用翼型形状，能吸收风能提高机组风能利用率；外层叶片采用直叶片；当内层叶片为内部上层叶片和内部下层叶片时，外层叶片两端分别与内部上层叶片和内部下层叶片连接固定。
3.根据权利要求1所述的大型海上垂直轴风力发电机组，其特征在于，外层叶片采用分段设计，由静止部分和变桨部分组成，变桨叶片通过电机或者液压驱动的变桨系统调节桨距角，进而调节风力发电机组的功率输出。
4.根据权利要求1-3任一所述的大型海上垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述叶片的材料是玻璃纤维或碳纤维加增强环氧树脂，或采用内部钢桁架结构外部蒙皮技术。
5.根据权利要求1-3任一所述的大型海上垂直轴风力发电机组，其特征在于，风电机组的定轴和动轴材料是球墨铸铁或钢材。
6.根据权利要求1-3任一所述的大型海上垂直轴风力发电机组，其特征在于，发电机是内转子或外转子发电机，是永磁低速直驱电机、电励磁低速直驱电机、带齿轮箱的半直驱中速电机或带齿轮箱的高速电机；发电机冷却形式为空冷、空空冷或空水冷，发电机位于定轴上部或者下部。
7.根据权利要求1-3任一所述的大型海上垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述定轴和动轴采用双轴承或多轴承支撑。
8.根据权利要求1-3任一所述的大型海上垂直轴风力发电机组，其特征在于，海上基础是桩基式、重力式、负压筒式或者漂浮式。
【文档编号】F03D3/06GK104153944SQ201410384210
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】龙凯, 谢园奇 申请人:华北电力大学