CN112943539A - 大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置 - Google Patents

大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，该大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置包括主轴、多个增速结构以及多个发电机，主轴用于与垂直轴涡轮发电装置固定设置，每个所述增速结构的输入端与所述主轴驱动连接，每个所述发电机分别与对应的所述增速结构的输出端驱动连接。采用多个增速结构分别带动多个发电机代替单个大型的增速机，实现功率分配模式，以降低增速机和发电机的设计制造运行维护成本。

Description

大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置。
背景技术
随着新能源技术的突飞猛进的发展，对风力发电、太阳能发电技术的要求越来越高，近年来，风力发电技术的不断提高，诸多技术的创新也降低了建设成本。对于水平轴风力发电装置，一方面通过垂直轴涡轮发电装置的气动力学上的研究，提高风能利用效率，另一方面加大单机功率，降低单位KWh的建设成本，因此，水平轴风力发电的单元功率由2MWh发展到现在单机功率10～12MWh，叶片长度已达到100m以上，塔体高度已达到160m以上。叶轮叶片扫风总高度达到260m以上，由于整个发电机、增速机和一些部件均布置在空中的机仓中，使得整个机组重心上移。功率越大，重心上移越大，运行越不稳定，使水平轴风力发电机组的安全运行的保证性大幅度降低。如果水平轴风力发电机组再利用加高塔体和加长叶片来索取高空能量，给设计、制造、运行均带来很多困难和风险。在这种情况下，大功率垂直轴涡轮风力发电机组应运而生，由于垂直轴涡轮风力发电装置，具有牢固的塔架结构，并将发电机、增速机和一些大的部件都布置在地面上，整个垂直轴风力发电机组在高度上可加高到300m以上，在受风面积上除加高涡轮转子的高度之外，还可以加大垂直轴涡轮风力发电机组的直径，如此整个垂直轴风力发电机组的受风面积大幅度提高，也大幅度提高了单机功率。
目前大功率垂直轴涡轮风力发电机组的设计功率较大(功率可达到50MWh)，未来的发展可使单机功率达到100MWh以上，而且所有风力发电机组都是低转速运行，而为了降低发电机的制造成本，提高发电机的效率，必须把风力发电机组由垂直轴涡轮发电装置的低转速升高至发电机的高转速，这就要在垂直轴涡轮发电装置和发电机之间加装增速机，对一个单机功率高达50MWh的增速机，目前是无法生产的，或是即使生产出来也会导致价格昂贵。
发明内容
本发明提供一种大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，用以解决现有技术中单机功率高达50MWh的增速机无法生产或成本高的问题。
本发明提供一种大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，包括：
主轴，用于与垂直轴涡轮发电装置固定设置；
多个增速结构，每个所述增速结构的输入端与所述主轴驱动连接；以及，
多个发电机，每个所述发电机分别与对应的所述增速结构的输出端驱动连接。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，每个所述增速结构包括：
第一级增速级，一端与所述主轴驱动连接；以及，
第二级增速级，一端与所述第一级增速级的另一端驱动连接，另一端与所述发电机驱动连接。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，每个所述增速结构包括：
第一级增速级，一端与所述主轴驱动连接；
第二级增速级，一端与所述第一级增速级的另一端驱动连接；以及，
转向结构，所述转向结构的一端与所述第二级增速级的另一端驱动连接，另一端与所述发电机驱动连接。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，所述第一级增速级包括：
第一主动齿轮，与主轴固定设置；以及，
第一从动齿轮，与所述第一主动齿轮啮合配合，并与第二级增速级的一端固定设置。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，所述第二级增速级为行星增速齿轮结构。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，所述第二级增速级包括：
曲轴，一端与所述第一级增速级的另一端固定连接；
齿圈，用于固定在塔架上，且具有与所述第二从动齿轮的轴线同轴的轴线；
第二从动齿轮，与所述发电机的驱动轴固定设置；以及，
第二主动齿轮，与所述曲轴固定驱动连接，以通过曲轴的转动带动所述第二主动齿轮转动，且所述第二主动齿轮与所述齿圈和所述第二从动齿轮啮合。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，所述转向结构包括：
主动锥形齿轮，与第二级增速级的另一端驱动连接，以通过第二级增速级带动所述主动锥形齿轮转动；以及，
从动锥形齿轮，与所述主动锥形齿轮啮合配合，所述从动锥形齿轮与所述发电机的驱动轴驱动连接，以通过从动锥形齿轮转动带动发电机发电。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，每个所述发电机分别可选择地与对应的所述增速结构的输出端驱动连接。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，每个所述发电机与对应的所述增速结构的输出端之间连接有离合器；
所述大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置还包括控制器，所述控制器与所述离合器电性连接。
根据本发明提供一种的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，还包括刹车装置，所述刹车装置安装在所述主轴的外周，用于对所述主轴刹车。
本发明提供的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，通过设置多个增速结构与多个发电机相适配，每个所述发电机分别与对应的所述增速结构的输出端驱动连接，如此，采用多个增速结构(可以为小功率的增速结构)分别带动多个发电机(可以为小功率的发电机)代替单个大型的增速机，实现功率分配模式，以降低增速机和发电机的设计制造运行维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明提供的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置的结构示意图；
图2为图1中大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置的传动***示意图；
图3为图2中传动***的平面示意图；
图4为图2中第一级增速级的传动***示意图；
图5为图2中第二级增速级的传动***示意图；
图6为图2中第三级增速级的传动***示意图；
附图标记：
1：主轴； 2：增速结构； 21：第一级增速级；
211：第一主动齿轮； 212：第一从动齿轮； 22：第二级增速级；
221：曲轴； 222：齿圈； 223：第二从动齿轮；
224：第二主动齿轮； 23：转向结构； 231：主动锥形齿轮；
232：从动锥形齿轮； 233：从动齿轮轴； 3：发电机；
4：离合器； 5：刹车装置； 51：液压缸；
52：液压调节器； 53：刹车板； 6：塔架；
7：滚轮推力轴承； 81：转子； 82：机仓房空间；
9：柔性联轴器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明提供一种大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，请参阅图1至图3，该大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置包括主轴1、多个增速结构2以及多个发电机3，主轴1用于与垂直轴涡轮发电装置固定设置，每个所述增速结构2的输入端与所述主轴1驱动连接，每个所述发电机3分别与对应的所述增速结构2的输出端驱动连接。在本实施例中，主轴1用于与垂直轴涡轮发电装置的转子81固定设置。其中，在本实施例中，主轴1传递由风能转化而来的机械能，在其他实施例中，主轴1也可以是传递其他转化而来的机械能，例如水能等，在此不做具体限制。
本发明通过设置多个增速结构2与多个发电机3相适配，每个所述发电机3分别与对应的所述增速结构2的输出端驱动连接，如此，采用多个增速结构2(可以为小功率的增速结构2)分别带动多个发电机3(可以为小功率的发电机3)代替单个大型的增速结构，实现功率分配模式，以降低增速结构2和发电机3的设计制造运行维护成本。
具体地，多个增速结构2分布在主轴1的外周，共同驱动所述主轴1，如此，可以将垂直轴涡轮风力发电机3组的数10MWh总功率，分解成几个MWh级的发电机3。
其中，发电机3可以采用卧式机组，也可以采用立式机组，对于立式发电机3可减少转向结构23，但是立式发电机3在轴承选择和润滑方面要求较高，且安装精度要求比较高，在本实施例中，采用卧式发电机3。
每个增速结构2的设置形式也需根据发电机3的选择而定，在发电机3采用立式发电机3时，每个所述增速结构2包括第一级增速级21以及第二级增速级22，第一级增速级21的一端与所述主轴1驱动连接，第二级增速级22一端与所述第一级增速级21的另一端驱动连接，另一端与所述发电机3驱动连接，如此无需转向结构23；而在发电机3采用卧式发电机3时，每个所述增速结构2包括第一级增速级21、第二级增速级22以及转向结构23，第一级增速级21一端与所述主轴1驱动连接，第二级增速级22一端与所述第一级增速级21的另一端驱动连接，所述转向结构23的一端与所述第二级增速级22的另一端驱动连接，另一端与所述发电机3驱动连接。
具体地，请参阅图4，第一级增速级21包括第一主动齿轮211以及第一从动齿轮212，第一主动齿轮211与主轴1固定设置，第一从动齿轮212与所述第一主动齿轮211啮合配合，并与第二级增速级22的一端固定设置。在本实施例中，多个增速结构2的第一级增速级21可以包括一个第一主动齿轮211以及多个第二从动齿轮223，第一主动齿轮211与主轴1驱动连接，多个第二从动齿轮223分别与第一主动齿轮211啮合。第一主动齿轮211与主轴1驱动连接可以是第一主动齿轮211的齿轮轴与主轴1固定，以使主轴1旋转时带动第一主动齿轮211旋转。第一主动齿轮211与主轴1驱动连接可以是通过柔性联轴器9连接在一起，也可以是采用其他连接方式连接，在此不做具体限制。柔性联轴器9还可以保证上下两端轴的同心，并有一定的补偿量，保证了增速结构2和垂直轴涡轮风力发电机3整体具有一定补偿量的同心连接。请参阅图2，多个增速结构2的第一主动齿轮211可以是共用一个(即一个第一主动齿轮211的周向布置多个与其啮合配合的第一从动齿轮212，以形成多个增速结构2的第一主动齿轮211与第一从动齿轮212)，也可以是多个增速结构2的第一主动齿轮211各自单独设置(图中未示出)。
其中第一级增速级21的第一级增速比比大于第二级增速级22的第二级增速比，第一主动齿轮211选择较大直径的齿轮，使之具有充分的空间将第二级增速级22分布在第一主动齿轮211的外周，使第一从动齿轮212获得第一级增速比下的高转速。
大直径的第一主动齿轮211是一个大重量的设备，它可以通过主轴1直接坐落在塔架6的支架上，并在主轴1的最下部装设能承载第一主动齿轮211和主轴1联合的动载荷和静载荷的推力轴承。第一主动齿轮211的节圆直径加大，可以在第一主动齿轮211的外周设置多个第一从动齿轮212(具体数量可以根据实际需要而定)来分担风力发电机3组的总功率，这样每个第一从动齿轮212所承担的功率在减小，这就对第一主动齿轮211的单齿强度要求要降低，同样第一从动齿轮212的单齿强度要求也会降低，便于大功率第一主动齿轮211和第一从动齿轮212的设计和制造，但是第一主动齿轮211的节圆直径不能过大，过大会增加制造成本和运输成本。
所述第二级增速级22可以为行星增速齿轮结构，也可以为其他传动结构。第一从动齿轮212获得预设的高转速后，将转速传递给第二级增速级22。请参阅图5，第二级增速级22包括曲轴221、第二从动齿轮223、齿圈222以及第二主动齿轮224，曲轴221一端与所述第一级增速级21的另一端固定连接，第二从动齿轮223与所述发电机的驱动轴固定设置，齿圈222用于固定在塔架6上，且具有与所述第二从动齿轮223的轴线同轴的轴线，第二主动齿轮224与所述曲轴221固定驱动连接，以通过曲轴221的转动带动所述第二主动齿轮224转动，且所述第二主动齿轮224与所述齿圈222和所述第二从动齿轮223啮合。多个增速结构2的第二级增速级22分别布置在主轴1的外周，且分别与对应的第一级增速级21传动连接。第一从动齿轮212的转速通过曲轴221传递给第二主动齿轮224，第二主动齿轮224在曲轴221的旋转带动下，沿着齿圈222作自传和公转运动，在公转的过程中获得增速，在自转的过程中带动第二从动齿轮223旋转。在本实施例中齿圈222与塔架6固定。确定第二主动齿轮224和第二从动齿轮223的节圆直径，就确定了第二主动齿轮224和第二从动齿轮223的增速比，在第二主动齿轮224沿固定齿圈222转动时，在确定了固定齿圈222和主动齿轮的节圆直径时，也确定了一个增速比，实际上在第二级增速级22中存在两次增速，而第二级增速级22的增速比应是这两个增速比的乘积。
在采用卧式发电机时，第二从动齿轮223连接转向结构23，通过转向结构23将竖向的转速转换形成卧式发电机所需的横向。
具体地，请参阅图6，所述转向结构23包括主动锥形齿轮231以及从动锥形齿轮232，主动锥形齿轮231与第二级增速级22的另一端驱动连接，以通过第二级增速级22带动所述主动锥形齿轮231转动，从动锥形齿轮232与所述主动锥形齿轮231啮合配合，所述从动锥形齿轮232(具体地，从动锥形齿轮232的从动齿轮轴233)与所述发电机3的驱动轴驱动连接，以通过从动锥形齿轮232转动带动发电机发电。采用锥型齿轮增速的转向结构23的增速比不能选择太高，增速比过高，主动锥形齿轮231尺寸比较大，使之制造困难，和从动锥形齿轮232的上齿啮调整都比较困难，适用于在2MWh以下的增速比，这种结构主要是用作转向，如此，可以将竖向的转速转向为横向。
每个所述发电机3分别可选择地与对应的所述增速结构2的输出端驱动连接，如此可以适应垂直轴风力发电机3组获得风能的能量大小所发出的功率，当风速很小时，可以选择部分发电机3与对应的增速结构2的输出端驱动连接(在本实施例中，选择一台发电机3与对应的增速结构2的输出端连接)，此时的启动力矩小，小风速可使一台发电机3有效工作；在风速逐渐增大时，可以相继投入多台发电机3工作，在本实施例中，当风速达到额定风速时，可以80％的发电机3投入工作，当出现超大风速时，100％发电机3投入工作，如果风速再加大，所有发电机3在设计工况允许的情况下，超负荷运行。如此设置加宽了垂直轴涡轮风力发电装置有效的输出功率，大幅度提高了垂直轴涡轮风力发电装置的年满发小时数，为垂直轴涡轮风力发电装置带来了巨大的经济效益。在本实施例中，每个所述发电机3与对应的所述增速结构2的输出端之间连接有离合器4；该大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置还包括控制器，所述控制器与所述离合器4电性连接，如此可以通过控制器控制离合器4的离合，以控制对应的发电机3和增速结构2是否接合。
为了增大该大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置的安全性，该大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置还包括刹车装置5，所述刹车装置5安装在所述主轴1的外周，用于对所述主轴1刹车。在本实施例中，刹车装置5包括液压抱闸式刹车装置5，该液压抱闸式刹车装置5包括液压缸51、液压调节器52以及刹车板53。液压抱闸式刹车装置5的数量为多个，多个液压抱闸式刹车装置5布置在主轴1的***，在本实施例中，液压抱闸式刹车装置5的数量为四组，当出现垂直轴涡轮风力发电装置不可接受的转速时，先由对称的两组液压抱闸式刹车装置5启动对主轴1实施抱紧力来进行刹车，将转速降下来，然后再启动另外两组刹车组件，使垂直轴涡轮发电装置停机，如此可以实施具有缓冲作用的刹车装置5，这种运转模式一方面保护了垂直轴涡轮发电装置不会因惯性力而损坏涡轮转子81的部件，另一方面也保护了增速结构2的齿轮不会受损伤。安装时，该刹车装置5坐落在塔架6立柱的牛腿上。
塔架6是由型钢组装连接而成，它支撑着滚轮推力轴承7，使之主轴1的动载荷和静载荷通过滚动推力轴承传给塔架6，大大减轻了增速结构2所承担的静载荷和动载荷。塔架6还支撑着液压抱闸式刹车装置5，液压抱闸式刹车装置5所承担的强大的刹车扭矩也要传递给塔架6，塔架6强度和刚度都有较高的要求。由塔架6的内立柱围绕成一个大的机仓房空间82，机仓房具有一定的高度，便于对机仓房中的各部套组件进行安装，检修，运行维护。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，包括：
主轴，用于与垂直轴涡轮发电装置固定设置；
多个增速结构，每个所述增速结构的输入端与所述主轴驱动连接；以及，
多个发电机，每个所述发电机分别与对应的所述增速结构的输出端驱动连接。
2.如权利要求1所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，每个所述增速结构包括：
第一级增速级，一端与所述主轴驱动连接；以及，
第二级增速级，一端与所述第一级增速级的另一端驱动连接，另一端与所述发电机驱动连接。
3.如权利要求1所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，每个所述增速结构包括：
第一级增速级，一端与所述主轴驱动连接；
第二级增速级，一端与所述第一级增速级的另一端驱动连接；以及，
转向结构，所述转向结构的一端与所述第二级增速级的另一端驱动连接，另一端与所述发电机驱动连接。
4.如权利要求2或3所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，所述第一级增速级包括：
第一主动齿轮，与主轴固定设置；以及，
第一从动齿轮，与所述第一主动齿轮啮合配合，并与第二级增速级的一端固定设置。
5.如权利要求2或3所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，所述第二级增速级为行星增速齿轮结构。
6.如权利要求5所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，所述第二级增速级包括：
曲轴，一端与所述第一级增速级的另一端固定连接；
齿圈，用于固定在塔架上，且具有与所述第二从动齿轮的轴线同轴的轴线；
第二从动齿轮，与所述发电机的驱动轴固定设置；以及，
第二主动齿轮，与所述曲轴固定驱动连接，以通过曲轴的转动带动所述第二主动齿轮转动，且所述第二主动齿轮与所述齿圈和所述第二从动齿轮啮合。
7.如权利要求3所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，所述转向结构包括：
主动锥形齿轮，与第二级增速级的另一端驱动连接，以通过第二级增速级带动所述主动锥形齿轮转动；以及，
从动锥形齿轮，与所述主动锥形齿轮啮合配合，所述从动锥形齿轮与所述发电机的驱动轴驱动连接，以通过从动锥形齿轮转动带动发电机发电。
8.如权利要求1所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，每个所述发电机分别可选择地与对应的所述增速结构的输出端驱动连接。
9.如权利要求1所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，每个所述发电机与对应的所述增速结构的输出端之间连接有离合器；
所述大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置还包括控制器，所述控制器与所述离合器电性连接。
10.如权利要求1所述的大功率垂直轴涡轮风力发电功率配置装置，其特征在于，还包括刹车装置，所述刹车装置安装在所述主轴的外周，用于对所述主轴刹车。
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