CN109751180A - 双叶轮风机的叶片选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双叶轮风机的叶片选型方法，包括确定风电场的装机总容量；获取多个预定位置坐标处的风力数据；根据所述装机总容量和所述多个预定位置坐标处的风力数据，确定上述多个预定位置坐标处的风机装机容量；根据每一风机的装机容量、该位置坐标处的风力数据和度电成本，确定叶片长度，其中，一级叶轮的叶片长度是所述二级叶轮的叶片长度的2倍以上。

Description

双叶轮风机的叶片选型方法

技术领域：

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种双叶轮风机的叶片选型方法。

背景技术：

随着世界各国风电机组装机规模的迅速膨胀，主流风电机组机型的单机容量也在不断增大。如何更加合理的进行风电机组选型，使得风机布置更加合理、上网电量更加大、投资更加节省成为了目前国内外研究人员日益重视的课题。

单叶轮风机对风能的利用效率有限，只能通过调整叶片的角度、长度来间接调节发电效率，而双叶轮风机根据不同风向可以通过选择一级叶轮和二级叶轮来有效提高风能利用率，具有单叶轮风机不可比拟的优势，因此设计一款结构合理的双叶轮风机十分必要。此外，双叶轮风机叶片是风机转化风能的关机部件，相同容量条件下，叶片长度是影响风电场发电量的关键参数。更长的叶片意味着更强的风能吸收效率，但是也增加了风机成本和尾流影响。因此，在给定风电场装机容量的条件下，如何选择合理的叶片长度、降低风电场的度电成本也是双叶轮风机风场建设的主要问题之一。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种双叶轮风机及其相应的叶片选型方法，从而使双叶轮风机的结构最优化，并使双叶轮风机为主的风电场的度电成本达到最低。

本发明由如下技术方案实施：

一种双叶轮风机的叶片选型方法，其中，所述双叶轮风机包括：

一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴；

所述叶片选型方法具体包括：

确定风电场的装机总容量；

获取多个预定位置坐标处的风力数据；

根据所述装机总容量和所述多个预定位置坐标处的风力数据，确定上述多个预定位置坐标处的风机装机容量；

根据每一风机的装机容量、该位置坐标处的风力数据和度电成本，确定叶片长度，其中，一级叶轮的叶片长度是所述二级叶轮的叶片长度的2倍以上。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例提供的风力发电机的结构示意图；

图2为一实施例中叶轮转速合并机构的原理图；

图3为一实施例中叶片选型方法的流程图。

附图标记如下：1一级叶轮、2二级叶轮、31第一输入轴、32第二输入轴、41第一输出轴、42第二输出轴、51太阳轮、52齿圈、53行星架、54行星轮、55驱动齿轮、6中间轴

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，为了进一步降低度电成本，优化双叶轮风机的机构，提供了一种双叶轮风力发电机，包括：一级叶轮1、二级叶轮2和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴31、第二输入轴32、第一输出轴41和第二输出轴42，所述一级叶轮1与所述第一输入轴31驱动连接，所述二级叶轮2与所述第二输入轴32驱动连接，所述第一输出轴41通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴42通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接。

所述一级叶轮1与所述二级叶轮2同轴连接，所述一级叶轮1的叶片长度大于所述二级叶轮2的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮1位于所述二级叶轮2的前方。

工作时，气流先通过一级叶轮1，再通过二级叶轮2，二级叶轮2的直径小于一级叶轮1，因此，二级叶轮2工作所需的最低风速也小于一级叶轮1。为了增加机头工作时的稳定性，一级叶轮1与二级叶轮2的转动方向相反，从而抵消扭矩。

其中，叶轮转速合并机构能够将一级叶轮1和二级叶轮2的转速合并，从而获得更大的输出转速，驱动发电机工作，从而有效利用剩余风能，提高发电效率。

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮51、齿圈52和行星架53，所述行星架53上设有多个行星轮54，所述齿圈52设有内齿和外齿，所述行星轮54啮合在所述齿圈52的内齿和所述太阳轮51之间，所述第一输入轴31设有驱动齿轮55，所述驱动齿轮55与所述齿圈52的外齿啮合，所述第二输入轴32与所述太阳轮51的转轴连接，所述行星架53的转轴通过中间轴6与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴41，另一端形成所述第二输出轴42。

例如，太阳轮51的转速为n1，齿圈52的转速为n2，行星架53的转速为n3，齿圈52内齿和太阳轮51的齿数比值为a，n3＝(n1+a*n2)/(1+a)。从而实现转速和力矩的叠加。

本实施例中，一级叶轮的叶片长度75m，二级叶轮的叶片长度35m。在一个发电机工作的情况下，且当仅有一级叶轮工作时，风机的启动风速4m/s，额定风速15m/s，安全风速25m/s，额定功率3MW，当仅有二级叶轮工作时，风机的启动风速3m/s，额定风速10m/s，安全风速25m/s，额定功率1.5MW。

由于低风速工作中，第一叶轮工作中的能量损耗较大，且功率低，为了使该风力发电机能够适应较大范围的风速，有效利用风资源，上述风力发电机的控制中涉及两个阈值，第一阈值为6m/s，第二阈值为10m/s。

具体控制方法如下：获得风速，当风速小于第一阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1停止发电状态，二级叶轮2处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态。从而在低风速时启动风机进行发电，并减小风机发电过程中的内耗，提高发电效率。

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态。从而通过第一叶轮进行高功率发电，并通过第二叶轮有效利用剩余风能。在该模式下，风机的最大功率能够达到4MW。

当风速大于第二阈值时，一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。风速较大超过单台发电机所需的额定风速10m/s时，利用两台发电机同时发电，可达到最大发电功率为8MW，能够有效利用风能，提高发电功率，且不会增加叶轮的直径，避免叶片太长，增加制造、运输、和安装维护成本。

由于一级叶轮1的直径较大，当风力小于第一阈值时无法驱动一级叶轮1转动，因此调节一级叶轮1的桨叶，减小迎风面积，使气流经过一级叶轮1，直接驱动二级叶轮2转动，且为了减小启动风速，第二离合器处于分离状态，仅第一发电机工作。

当风力增大到第一阈值和第二阈值时，第一叶轮也开始转动，并通过第二叶轮有效利用剩余风能，第一叶轮和第二叶轮的转速经叶轮转速合并机构叠加后驱动第一发电机工作。

当风力继续增大到大于第二阈值后，由于叶轮的转速不能无限提升，但驱动力提高，将第二离合器啮合，同时驱动第一发电机和第二发电机发电，提高发电效率。

本实施例提供的风力发电机相对传统单叶伦的风机具有更大的风机效率，从而提高风场的发电量，降低度电成本。

另一实施例提供了一种上述双叶轮风机的叶片选型方法S100，参照图3。所述方法S100包括：

步骤S101：确定风电场的装机总容量；

步骤S102：获取多个预定位置坐标处的风力数据，包括风速、方向、风力持续时间等。

步骤S103：根据所述装机总容量和所述多个预定位置坐标处的风力数据，确定上述多个预定位置坐标处的风机装机容量，具体确定过程工程人员可以通过所属技术领域的技术经验，根据具体的风力数据和总装机容量，合理分布各单台风机的装机容量，上述技术经验属于本领域的常用技术常识，在此不再赘述。

步骤S104：根据每一风机的装机容量、该位置坐标处的风力数据和期望度电成本，确定叶片长度，具体确定方式本领域已经存在成熟算法，在此不再赘述。但经过发明人大量实验表明，当一级叶轮的叶片长度是所述二级叶轮的叶片长度的2倍以上，此时，可以使上一实施例中的双叶轮风机的叶片尾流效应最低，发电效率最高，应属于最优实施方式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双叶轮风机的叶片选型方法，其特征在于：

所述双叶轮风机包括：

一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴；

所述叶片选型方法具体包括：

确定风电场的装机总容量；

获取多个预定位置坐标处的风力数据；

根据所述装机总容量和所述多个预定位置坐标处的风力数据，确定上述多个预定位置坐标处的风机装机容量；

根据每一风机的装机容量、该位置坐标处的风力数据和度电成本，确定叶片长度，其中，一级叶轮的叶片长度是所述二级叶轮的叶片长度的2倍以上。