CN114483458B - 一种三机头风力发电机组及安装方法 - Google Patents

一种三机头风力发电机组及安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三机头风力发电机组及安装方法。三机头风力发电机组包括机头，塔架，回转支撑臂，拉索。机头由机舱及叶轮组成，机头共有三个。塔架分为第一塔架和第二塔架，第一塔架底部与基础连接，其顶部通过过渡结构件与第二塔架底部连接。第一机头设置在第二塔架的顶部；回转支撑臂设置在过渡结构件外部，以及第一塔架的顶部；第二机头和第三机头设置在回转支撑臂上。拉索分为斜置拉索和水平横置拉索，斜置拉索连接第一机头与第二机头，以及第一机头与第三机头。水平横置拉索连接第二机头与第三机头。这种方案使得塔架和回转支承臂组成的支撑结构有效的承受重力载荷及气动载荷，提高了大容量机组的经济性。

Description

一种三机头风力发电机组及安装方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种三机头风力发电机组及安装方法。
背景技术
成本是全球风电发展的瓶颈问题，机组大型化（单机容量增加）是解决成本问题的最有效途径。海上风电项目的不断开展使得机组大型化成为了必然的发展趋势。随着机组容量的增加，传统的单叶轮风电机组的升级遇到的挑战越来越严峻，机组载荷急剧增加，超长、超重叶片和超大扭矩给机组中的各个部件（如变桨执行机构，支撑结构等等）的设计、生产制造和安装等带来了很多难题。例如目前10兆瓦以上的机组若采用百米以上级别的叶片，变桨轴承的径向尺寸将超过5米，这对国内生产加工水平来说难度巨大。
多机头风力发电机组通过增加机头的数量实现扫风面积和容量的提升，降低了单个零部件的尺度（如叶片长度），同时也避免了超大载荷（如扭矩载荷）的出现。
德国知名风电设计公司Aerodyn以及欧盟资助的WIP+大型风电项目都提出了双机头风电机组。但从风电机组单机容量提升的经济性的角度，双机头的方案比三机头都要稍微逊色一些。例如要达到10兆瓦的容量，则至少需要两个5兆瓦的机头。
目前国外研究机构或整机商提供的概念设计或原理样机中展示的多机头（或多转子）风力发电机组，使用的是传统单一叶轮风电机组采用的圆锥钢制塔筒再加上悬臂梁结构作为主支撑形式。每一个水平高度都有两个对称布置机组放置在悬臂梁上，即机头的总数是偶数个，每个高度的机头可以单独相对于塔筒进行偏航回转。这种结构方案在较低容量级别的机组上可以应用，但不适用于大容量（多兆瓦）机组。原因是单个机头叶轮直径增加会导致悬臂不得不增加，机头重量随之上升后，在回转部件与悬臂连接处受到的弯矩载荷（由推力及重力造成）会急剧增加，回转部件的尺寸重量以及两组回转支承的承载能力要求不断加大，使得方案变得不经济。其次，每一个高度的机头捕获风能的同时获得的推力载荷和弯矩载荷都需要由悬臂梁和塔架承担并传递到基础。也就是说，机头个数越多，轮毂中心越高，塔架以及悬臂梁的结构强度要求就越高，随之而来的成本也越来越高。因此，需要一种合理配置的多机头风电机组，通过多个机头并行发电提升机组容量的同时，既可以支撑和传递机头重量带来的载荷，也能够更加合理的承受气动载荷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三机头风力发电机组，其通过斜置拉索、水平横置拉索以及三个机头的设置共同构成了三角形的稳定结构，以解决背景技术中的提到的合理承受重力载荷及气动载荷的技术问题。
本发明的另一目的在于提供一种三机头风力发电机组的安装方法，用来简化现场施工难度，使得机组零部件受载更加合理。
为达上述目的，第一方面提供一种三机头风力发电机组，主要包含机头，塔架，回转支撑臂，拉索。
所述机头由机舱及叶轮组成，所述机头共有三个，第一机头、第二机头和第三机头。所述塔架分为第一塔架和第二塔架，所述第一塔架底部与基础连接，其顶部通过过渡结构件与所述第二塔架底部连接；所述第一机头设置在所述第二塔架的顶部。
所述回转支撑臂设置在所述过渡结构件外部，以及所述第一塔架的顶部；所述第二机头和第三机头设置在所述回转支撑臂上。
所述拉索分为斜置拉索和水平横置拉索，所述斜置拉索连接所述第一机头与所述第二机头，以及所述第一机头与所述第三机头。所述水平横置拉索连接所述第二机头与所述第三机头。
在进一步技术方案中，所述机舱设置有底座，所述第二机头和第三机头通过所述底座与所述回转支撑臂连接。
在进一步技术方案中，所述第一机头设置偏航回转支承，所述第一机头通过所述偏航回转支承与所述第二塔架顶部连接，并且能够相对于所述第二塔架回转。
在进一步技术方案中，所述回转支撑臂能够相对所述第一塔架，所述第二塔架，以及所述过渡结构件发生回转。
在进一步技术方案中，所述回转支撑臂的回转轴线与所述偏航回转支承的回转轴线相同。所述回转支撑臂与所述偏航回转支承同时相对于所述第二塔架回转。
在进一步技术方案中，所述回转支撑臂由两个支撑臂连接组成；或者由两个支撑臂及回转结构件连接组成。
在进一步技术方案中，所述斜置拉索分为第一斜置拉索以及第二斜置拉索。所述第一斜置拉索两端分别与所述第一种机头的底座以及所述第二种机头的底座连接，所述第二斜置拉索两端分别与所述第一种机头的底座以及所述第三种机头的底座连接。
在进一步技术方案中，所述第一斜置拉索以及所述第二斜置拉索的数量相同，并且关于所述第二塔架对称设置。
在进一步技术方案中，所述水平横置拉索与水平面平行，其两端分别与所述第二种机头的底座以及所述第三种机头的底座连接；或者所述水平横置拉索两端与回转支撑臂连接。所述水平横置拉索设置在所述第一塔架、所述第二塔架以及所述过渡结构件的上风向。
第二方面，提供一种三机头风力发电机组的安装方法，其包括如下步骤：
S1、将所述第一塔架安装在所述三机头风力发电机组的基础上；
S2、将所述过渡结构件安装在所述第一塔架的顶部；
S3、将所述回转支撑臂安装在所述过渡结构件的外部，以及所述第一塔架的顶部；
S4、将所述第二塔架安装在所述过渡结构件的顶部；
S5、将所述第一机头吊起并安装在所述第二塔架的顶部；
S6、吊起并在所述回转支撑臂上安装所述第二机头与所述第三机头的底座，通过所述斜置拉索连接所述第一机头的底座与所述第二机头的底座，以及所述第一机头的底座与所述第三机头的底座；
S7、通过所述水平横置拉索连接所述第二机头的底座与所述第三机头的底座；
S8、将所述第二机头与所述第三机头的剩余部分吊起并安装在所述回转支撑臂上。
上述技术方案的有益效果包括：
本发明实施例将三个机头放置在由两个塔架和回转支撑臂组成的支撑结构上实现机组容量增大的目的，通过斜置拉索、水平横置拉索配合支撑结构的布局，以及三个机头的设置共同构成了三角形的稳定结构，使得机组支撑能力得到提升。这种方案为多机头概念应用到大容量机组提供了一条可行的技术路线，使得塔架和回转支撑臂组成的支撑结构有效的承受重力载荷及气动载荷，提高了机组的经济性。
附图说明
图1为本发明实施例的一种三机头风力发电机组示意图；
图2为本发明实施例的一种三机头风力发电机组轴侧图；
图3为本发明实施例的一种三机头风力发电机组机头局部示意图；
图4为本发明实施例的一种三机头风力发电机组水平横置拉索受力示意图；
图5为本发明实施例的一种三机头风力发电机组斜置拉索受力示意图；
图6为本发明实施例的一种三机头风力发电机组拉索与底座连接示意图；
图7为本发明实施例的一种三机头风力发电机组回转支撑臂连接方案图；
图8为本发明实施例的一种三机头风力发电机组塔架***连接示意图；
图9为本发明实施例的一种三机头风力发电机组安装的流程图。
附图标号说明：1、机头，1.1、第一机头，1.2、第二机头，1.3、第三机头，101、机舱，101.1、底座，101.2、机舱罩，102、叶轮，102.1、叶片，2、塔架***，2.1、第一塔架，2.2、第二塔架，2.3、过渡结构件，3、回转支撑臂，3.1、支撑臂，3.2、回转结构件，4、拉索，401、斜置拉索，401.1、第一斜置拉索，401.1、第二斜置拉索，402、水平横置拉索，5、气动推力，6、拉索拉力，7、基础。
值得注意的是上述附图是用于说明本发明的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本发明的原理，并且为了避免不必要的细节使本发明的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域的技术人员在理解本发明时不会带来不便，而实际的三机头风力发电机组可以包括更多的部件。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例的相关附图，对本发明实施例进行完整的描述。本专利描述的仅是一部分实施例，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做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。
如图1和2所示，一种三机头风力发电机组主要由机头1，塔架***2，回转支撑臂3以及拉索4组成。
其中，机头1由机舱101及叶轮102组成。叶轮102主要包括轮毂和叶片102.1；机舱101由机舱罩101.2将底座101.1、传动系和发电单元等关键部件包围在其内部。机头1共有三个，分别是第一机头1.1、第二机头1.2和第三机头1.3。塔架***2分为第一塔架2.1和第二塔架2.2以及过渡结构件2.3。第一塔架2.1底部与基础7连接，由于塔架***2整体高度较高，第一塔架2.1底部载荷（即基础载荷）值较大，若采用钢制圆筒塔，会导致第一塔架2.1底部直径过大，对运输产生影响。在一些实施例中，第一塔架2.1可采用钢制桁架塔，可以分体运输及安装，基础7可以采用斜桩式基础。第一塔架2.1的顶部通过过渡结构件2.3与第二塔架2.2底部连接，在一些实施例中，第二塔架2.2可以采用钢制圆筒塔的形式。值得说明的是，即使第一塔架2.1和第二塔架2.2都采用了钢制圆筒塔的形式，与第二塔架2.2的连接方式一般也不能采取直接连接。原因是回转支撑臂3需要第一塔架2.1的顶部作为支撑。第一机头1.1安装在第二塔架2.2的顶部。
回转支撑臂3与塔架***2的连接，在一些实施例中，可以将过渡结构件2.3包围在内部，第一塔架2.1为回转支撑臂提供回转时的支撑。第一塔架2.1、第二塔架2.2以及过渡结构件2.3之间存在固连关系，回转支撑臂能够相对它们发生回转，实现偏航对风。
在一些实施例中，第二机头1.2和第三机头1.3分别设置在回转支撑臂3的两端，位于第一塔架2.1和第二塔架2.2的两侧。回转支撑臂3的总长度根据叶轮102的直径计算，为了保证第二机头1.2和第三机头1.3的叶片102.1之间不发生机械干涉，回转支撑臂3的总长度要略大于第二机头1.2和第三机头1.3的叶轮直径。一般地，第二机头1.2和第三机头1.3的叶轮直径相等且采用相同的叶片102.1。
三机头机组中的拉索4分为斜置拉索401和水平横置拉索402两种。其中斜置拉索401用于连接第一机头1.1与第二机头1.2，以及第一机头1.1与第三机头1.3；水平横置拉索402用于连接第二机头1.2与第三机头1.3。斜置拉索401的主要作用是抵抗来自于第二机头1.2与第三机头1.3的重力载荷，水平横置拉索402的主要作用是抵抗来自于第二机头1.2与第三机头1.3的气动载荷。如图3所示，第二机头1.2和第三机头1.3在发电运行状态时，叶轮102产生巨大的气动推力5，依靠水平横置拉索402的连接，使得大部分气动推力5被转化成拉索拉力6，大大减少了回转支撑臂3根部需要承受的弯矩载荷。如图4所示，第一机头1.1在运行发电时，依靠斜置拉索401的连接，部分气动推力5被转化成了拉索拉力6。同时，来自第二机头1.2与第三机头1.3的重力载荷成为有益载荷，限制了第一机头机舱101在气动推力5作用下的位移，以及第一塔架2.1的形变。
斜置拉索401和水平横置拉索402的连接位置都是机舱101中的底座101.1。在一些实施例中，第一机头1.1的底座101.1通过偏航回转支撑与第二塔架2.2顶部连接，斜置拉索401的连接位置，需要位于第二塔架2.2顶部外轮廓之外，目的是避免斜置拉索401与第二塔架2.2顶部发生干涉。因此，与常规方案不同的是，第一机头1.1的底座101.1的外轮廓需要位于第二塔架2.2顶部外轮廓之外。
第二机头1.2与第三机头1.3分别通过第一斜置拉索401.1以及第二斜置拉索401.2与第一机头1.1固连。在一些实施例中，第一机头1.1需要偏航对风时，第二机头1.2与第三机头1.3必须同时跟随回转支撑臂3偏航对风。考虑到高度差，和水平方向尺度带来的风资源差异，偏航误差的计算需要对三个机头1的风向测量值进行综合处理，如加权平均，统一形成偏航指令。
回转支撑臂3可以采用多种结构配置，图7给出了两种可行的方式。如图7左示图所示，回转支撑臂3可以采用两个支撑臂3.1及回转结构件3.2连接组成。如图7右示图所示，回转支撑臂3可以由两个支撑臂3.1连接组成。回转支撑臂3在一些实施例中的尺寸可超过140米，过渡结构件2.3的直径大于目前常规塔架最大直径4.8米，因此回转结构件3.2以及支撑臂3.1会采用分体式结构，在现场进行对接安装。
水平横置拉索402的两端分别与第二机头1.2的底座101.1以及第三机头1.3的底座101.1连接。在一些实施例中，也可以在回转支撑臂3的两侧设置水平横置拉索402的连接接口。为了布置水平横置拉索402，两个支撑臂3.1之间的夹角显然不能为180°。在一些实施例中，两个支撑臂3.1之间的夹角可以在150°到175°之间取值。如果两个支撑臂3.1之间的夹角选的太大，则水平横置拉索402效果不明显；如两个支撑臂3.1之间的夹角选的太小，为了避免第二机头1.2和第三机头1.3的叶片102.1之间不发生机械干涉，两个支撑臂3.1的长度必须要增加，因此选择夹角时需要在进行平衡考虑。对于常规的上风向机组，水平横置拉索402设置在塔架***2的上风向。
参阅图9中所示的流程，三机头风力发电机组的安装的工作方法包括如下步骤：
S1、将第一塔架2.2安装在三机头风力发电机组的基础7上；
S2、将过渡结构件2.3安装在第一塔架2.2的顶部；
S3、将回转结构件3.2安装在过渡结构件2.3的外部，第一塔架2.1的顶部，继续连接支撑臂3.1需要考虑支撑臂3.1的悬臂过长带来的影响（如使用辅助吊车等）；
S4、将第二塔架2.2安装在过渡结构件2.3的顶部；
S5、将第一机头1.1吊起并安装在第二塔架2.2的顶部；
S6、利用吊车将支撑臂3.1安装在回转结构件3.2的两端；
S7、在回转支撑臂3的两端安装第二机头1.2与第三机头1.3的底座101.1，通过斜置拉索401连接第一机头1.1的底座101.1与第二机头1.2的底座101.1，以及第一机头1.1的底座101.1与第三机头1.3的底座101.1；
S8、通过水平横置拉索402连接第二机头1.2的底座101.1与第三机头1.3的底座101.1；
S9、将第二机头1.2与第三机头1.3的剩余部分吊起并安装在所述回转支撑臂3上。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上风向”这两个指示的方位或位置关系的词语是基于中华人民共和国国家标准 “GB/T 18451.1-2012：风力发电机组设计要求”中第3章节“术语和定义”中的相关解释选取的。这样做是为了避免“前方”等较模糊的描述方位或位置的词语，对本领域的普通技术人员造成理解上的不便，甚至造成歧义。不能理解为对本发明的限制。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种三机头风力发电机组，其特征是：所述三机头风力发电机组包括机头，塔架，回转支撑臂，拉索；
所述机头由机舱及叶轮组成，所述机头共有三个，第一机头、第二机头和第三机头；
所述塔架分为第一塔架和第二塔架，所述第一塔架底部与基础连接，其顶部通过过渡结构件与所述第二塔架底部连接；所述第一机头设置在所述第二塔架的顶部；所述回转支撑臂设置在所述过渡结构件外部，以及所述第一塔架的顶部；所述第二机头和第三机头设置在所述回转支撑臂上；
所述第一机头设置偏航回转支承；所述第一机头通过所述偏航回转支承与所述第二塔架顶部连接，并且能够相对于所述第二塔架回转；所述回转支撑臂能够相对所述第一塔架，所述第二塔架，以及所述过渡结构件发生回转；
所述回转支撑臂由两个支撑臂连接组成，或者由两个支撑臂及回转结构件连接组成；所述两个支撑臂之间的夹角在150°到175°之间取值；
所述拉索分为斜置拉索和水平横置拉索，所述斜置拉索连接所述第一机头与所述第二机头，以及所述第一机头与所述第三机头；
所述水平横置拉索连接所述第二机头与所述第三机头，所述水平横置拉索与水平面平行，并且设置在所述第一塔架、所述第二塔架以及所述过渡结构件的上风向。
2.根据权利要求1所述的一种三机头风力发电机组，其特征是：所述机舱设置有底座，所述第二机头和第三机头通过所述底座与所述回转支撑臂连接。
3.根据权利要求1所述的一种三机头风力发电机组，其特征是：所述回转支撑臂的回转轴线与所述偏航回转支承的回转轴线相同；所述回转支撑臂与所述偏航回转支承同时相对于所述第二塔架回转。
4.根据权利要求2所述的一种三机头风力发电机组，其特征是：
所述斜置拉索分为第一斜置拉索以及第二斜置拉索，所述第一斜置拉索两端分别与所述第一种机头的底座以及所述第二种机头的底座连接；所述第二斜置拉索两端分别与所述第一种机头的底座以及所述第三种机头的底座连接。
5.根据权利要求4所述的一种三机头风力发电机组，其特征是：所述第一斜置拉索以及所述第二斜置拉索的数量相同，并且关于所述第二塔架对称设置。
6.根据权利要求1所述的一种三机头风力发电机组，其特征是：其两端分别与所述第二种机头的底座以及所述第三种机头的底座连接；或者所述水平横置拉索两端与回转支撑臂连接。
7.一种三机头风力发电机组的安装方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-6中任意一项所述的三机头风力发电机组，所述安装方法包括如下步骤：
S1、将所述第一塔架安装在所述三机头风力发电机组的基础上；
S2、将所述过渡结构件安装在所述第一塔架的顶部；
S3、将所述回转支撑臂安装在所述过渡结构件的外部，以及所述第一塔架的顶部；
S4、将所述第二塔架安装在所述过渡结构件的顶部；
S5、将所述第一机头吊起并安装在所述第二塔架的顶部；
S6、吊起并在所述回转支撑臂上安装所述第二机头与所述第三机头的底座，通过所述斜置拉索连接所述第一机头的底座与所述第二机头的底座，以及所述第一机头的底座与所述第三机头的底座；
S7、通过所述水平横置拉索连接所述第二机头的底座与所述第三机头的底座；
S8、将所述第二机头与所述第三机头的剩余部分吊起并安装在所述回转支撑臂上。
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