CN112523967B - 一种格构式综合轴风机塔架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种格构式综合轴风机塔架，所述塔架与水平轴风机的机舱连接，所述水平轴风机的叶片连接到所述的机舱上；所述塔架包括上塔架、过渡段和下塔架；所述上塔架的顶端连接所述水平轴风机的机舱；所述的过渡段连接所述上塔架和所述下塔架；所述下塔架呈格构式，并且所述下塔架的内部设有垂直轴风机。本发明将水平轴风机与垂直轴风机结合，有效利用了塔架全高范围内的风力资源。

Description

一种格构式综合轴风机塔架

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，具体涉及一种格构式综合轴风机塔架。

背景技术

风能作为一种绿色无污染的清洁能源,具有大规模开发和商业化发展前景。风力发电技术是一项综合性高技术,涉及空气动力学、结构动力学、材料科学、海洋环境科学、机械工程、电气工程、控制技术、安装技术等多个学科和多种领域。目前陆上或者海上的风力发电塔，其风机的主要形式可以分为水平轴风机和垂直轴风机。其中，水平轴风机的风轮旋转轴为水平方向，其主要原理是：利用风轮直径范围内的风吹动风轮转动，进而带动水平放置在风轮中心处的发电机发电。

垂直轴风机的风轮旋转轴为垂直方向，主要为中小型风机。根据叶片形状的不同，垂直轴风机主要可以分为Φ型风机和H型风机。Φ型风机的主要工作原理是：通过两端分别连接塔筒顶部和地面的拉索提供水平刚度。当风吹动风轮时，风轮围绕塔筒转动，带动放在基础上面的发电机发电。H型风机的主要原理是：通过立于基础上面的塔架支撑塔顶的发电机，当风吹动风轮时，风轮通过两端分别连接风轮和发电机的水平撑杆带动发电机发电。

由于风能利用率较高，目前工程上主要采用水平轴风机，但是上述的水平轴风机主要存在以下几个问题：

(1)仅能利用风轮叶片旋转范围内的风能，风轮叶片底部至地面范围内的风能却不加以利用，仅仅作为外荷载作用于塔筒上。

(2)传统水平轴风机增大机组发电量，需要增加叶片的长度。而较长的叶片在运输上比较困难。

(3)传统水平轴风机的风轮质量和机组质量均作用于风轮中心，质量集中在塔顶，这导致机组质量对塔架固有频率的影响极大。增加叶片长度或者增加机组型号均增大了塔顶的质量，需要增大塔筒的直径以提高塔筒的抗弯刚度，造成了极大的材料浪费，增加了塔架的占地成本。

(4)在实际工程项目中，水平轴风机只能在风速较大的时候才能启动，不能利用低速的风力资源。

(5)水平轴风机在风轮叶片旋转范围内的风速较低时，风力发电机基本处于停滞状态，不发电。因此，水平轴风机的发电不平稳。

发明内容

本发明依据传统风机塔架的受力特点，开发一种将水平轴风机与垂直轴风机结合，能够利用塔架全高范围内风力资源的风力发电机组塔架。

为了达到上述目的，本发明提供了一种格构式综合轴风机塔架，所述塔架与水平轴风机的机舱连接，所述水平轴风机的叶片连接到所述的机舱上；所述塔架包括上塔架、过渡段和下塔架；所述上塔架的顶端连接所述水平轴风机的机舱；所述的过渡段连接所述上塔架和所述下塔；所述下塔架呈格构式，并且所述下塔架的内部设有垂直轴风机。

可选的，所述上塔架为钢制的塔段。

可选的，所述过渡段包括：若干根连接所述上塔架和所述下塔架的连接杆。

可选的，所述下塔架包括：若干竖向设置的支撑柱、连接所述支撑柱的横向支撑、架设到所述横向支撑与所述支撑柱上的拉索；所述支撑柱围绕在所述垂直轴风机的外侧。

可选的，所述垂直轴风机包括：垂直轴风机基础、发电机、带动所述发电机发电的传力轴、与所述传力轴固定连接的垂直轴风机叶片；所述垂直轴风机基础设于地面；所述发电机设于所述垂直轴风机基础和所述传力轴之间。

可选的，所述垂直轴风机叶片交叠布置在所述传力轴上。

可选的，所述垂直轴风机还包括：两端分别连接所述传力轴和所述支撑柱的水平撑杆。

可选的，所述垂直轴风机还包括：设于所述传力轴顶部的支撑型阻尼器。

可选的，所述垂直轴风机为Φ型或H型。

可选的，所述综合轴风机塔架用于海上风机。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)本发明将水平轴风机与垂直轴风机结合，有效利用了塔架全高范围内的风力资源。

(2)本发明突破了增大机组容量只能增加水平轴风机叶片长度的限制，做到不增加水平轴风机叶片的长度也可以增大机组的容量。

(3)本发明提高了单台风机机组的发电量，降低了格构式风机塔架的占地成本。

(4)本发明利用垂直轴风机启动风速低的优点，弥补了当风速较低时水平轴风机停滞发电所造成的损失，综合利用高速与低速风资源，延长了风机的综合发电时间。

(5)本发明使得单台风机发电平稳，平抑单台风机的峰谷值，进而减小了对电网的压力。

附图说明

图1为本发明的一种格构式综合轴风机塔架的结构示意图。

图2为本发明没有安装垂直轴风机的空腔塔架的结构示意图。

图3为本发明垂直轴风机的结构示意图。

图4为本发明垂直轴风机叶片的第一布置形式。

图5为本发明垂直轴风机叶片的第二布置形式。

图6为本发明传力轴和水平撑杆的连接示意图。

图7为本发明传力轴连接头和发电机连接头的结构示意图。

图8为本发明塔内电缆的安装示意图。

图9为本发明发电机和垂直轴风机基础的连接示意图。

图10为本发明下塔架的安装示意图。

图11为本发明发电机和垂直轴风机基础的安装示意图。

图12为本发明传力轴和垂直轴风机叶片的安装示意图。

图13为本发明水平撑杆的安装示意图。

图14为本发明上塔架和过渡段的连接示意图。

图15为本发明上塔架的安装示意图。

图16为本发明支撑型阻尼器的安装示意图。

10-上塔架，20-过渡段，

30-下塔架、31-支撑柱、32-横向支撑、33-拉索、34-人孔，

40-垂直轴风机、41-轴承、42-环向支撑、43-水平撑杆、44-传力轴、45-支撑型阻尼器、46-发电机、47-垂直轴风机基础、48-垂直轴风机叶片、49-固定块、481-连接拉索，

50-综合轴风机基础，60-空腔塔架、61-塔内电缆，

70-传力轴连接头、71-球形节点、72-传力轴连接头连接板，

80-发电机连接头、81-槽孔、82-球形凹槽。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，为本发明的一种格构式综合轴风机塔架的结构示意图。本发明的塔架与水平轴风机的机舱连接，水平轴风机的叶片连接到所述的机舱上(图中未示出水平轴风机的机舱及叶片)。本发明的一种格构式综合轴风机塔架包括上塔架10、过渡段20和下塔架30。上塔架10为一种钢制的塔段，其顶端连接水平轴风机的机舱；过渡段20为若干根连接上塔架10和下塔架30的连接杆，使上塔架10和下塔架30形成整体受力支撑水平轴风机的叶片；下塔架30呈格构式，并且下塔架30的内部设有垂直轴风机40。通过将垂直轴风机40与水平轴风机相互结合，利用了塔架全高范围内的风力资源，提高了单台风力机机组的发电量，降低了格构式风机塔架的占地成本。

请继续参阅图1，下塔架30包括：竖向设置的支撑柱31、连接支撑柱31的横向支撑32、架设到所述横向支撑32与所述支撑柱31上的拉索33。其中，支撑柱31围绕在垂直轴风机40的外侧，支撑柱31的底部与综合轴风机基础50连接，将本发明固定到综合轴风机基础50上。

由上塔架10、过渡段20、下塔架30所形成，未安装有垂直轴风机40的空腔塔架60如图2所示。一些实施例中，根据垂直轴风机40的容量，支撑柱31可以为4柱、6柱、8柱、12柱。图1中的实施例仅以8柱作为示意，容量大可以采用多柱，容量小可以采用少柱。

本发明中所述的“综合轴风机”指水平轴风机与垂直轴风机40的结合。本发明针对海上风机高度较高的特点，风资源在水平轴风机叶片范围以下的风速仍然较大，风能利用仍然有可利用的空间。因此，利用下塔架30柱距较大的特点，在水平轴风机叶片以下的范围内安装垂直轴风机40。由于垂直轴风机40的启动风速低，因此可以弥补当风速较低时水平轴风机停滞发电所造成的损失，综合利用高速与低速风资源，延长风机综合发电时间。本发明突破了增大机组容量只能增加水平轴风机叶片长度的限制，做到不增加水平轴风机叶片的长度也可以增大机组的容量。

如图3和图4所示，垂直轴风机40主要包括：垂直轴风机基础47、发电机46、传力轴44、垂直轴风机叶片48、水平撑杆43、轴承41、支撑型阻尼器45、环向支撑42。其中，传力轴44固定在轴承41上面，轴承41通过水平撑杆43、支撑型阻尼器45与下塔架30的支撑柱31固定连接。

本发明的支撑型阻尼器45的作用为隔绝垂直轴风机40的过振动向塔架上传递，并且当垂直轴风机40正常运行时起到支撑作用。

在一些实施例中，垂直轴风机40可以为Φ型或H型，下面以Φ型垂直轴风机叶片48举例示意垂直轴风机叶片48的布置形式。

如图4所示，垂直轴风机叶片48通过固定块49固定在传力轴44上，当风吹过垂直轴风机叶片48时，垂直轴风机叶片48带动传力轴44转动，进而带动底部的发电机46发电。较佳地，当垂直轴风机叶片48的直径较大时，可以设置连接拉索481固定连接垂直轴风机叶片48中部和传力轴44以抵抗惯性力，增加垂直轴风机叶片48的承载力。

一些实施例中，为了增加风能利用，可以将垂直轴风机叶片48交替120°交叠布置，如图5所示。

如图6所示，在一些实施例中，由于无需频繁的开机关机，传力轴44可以采用普通钢管或者无缝钢管通过法兰连接拼接而成。

本发明传力轴44与发电机46的连接如图7所示。其中，传力轴连接头70包括：球形节点71和传力轴连接头连接板72。传力轴44与球形节点71焊接连接，球形节点71与传力轴连接头连接板72焊接连接；发电机连接头80的外侧设有球形凹槽82(发电机转子连接头凹槽)，球形凹槽82内设有槽孔81。

具体连接时可将传力轴连接头70插入发电机连接头80内，使传力轴44在传递扭矩绕轴向转动的过程中可以绕各方向微转动，以减少塔架变形传递到传力轴44上的作用力，进而减小塔架变形对发电机46的转子产生的影响。

如图8所示，塔内电缆61通过上塔架10、过渡段20、支撑柱31内部的空腔连接安装到地面。后期运维人员，通过人孔34进入支撑柱31内部，攀爬到上塔架10的内部，进而抵达塔顶对水平轴风机进行维护。同时，如图9所示，发电机46仅在垂直轴风机基础47的顶面设置，垂直轴机组的维护均在地面上进行，运维人员无需登高维护。

实施例1

本发明的一种格构式综合轴风机塔架的安装步骤如下：

(1)如图10所示，当综合轴风机基础50安装完毕后，将下塔架30安装到综合轴风机基础50上

(2)如图11所示，在下塔架30的内部施工垂直轴风机基础47并安装发电机46。

(3)如图12和图13所示，将垂直轴风机叶片48、传力轴44组装完毕后，吊装到下塔架30的内部，然后进行水平撑杆43的安装。

(4)如图14和图15所示，安装完水平撑杆43后，在地面将过渡段20与上塔架10进行连接。连接后，将上塔架10吊装到下塔架30上。

(5)如图16所示，上塔架10吊装完成后，进行支撑型阻尼器45的安装。

(6)如图8所示，支撑型阻尼器45安装完成后，安装塔内电缆61。其中，上塔架10内的电缆可预先安装在塔筒内。

综上所述，本发明的一种格构式综合轴风机塔架将水平轴风机与垂直轴风机结合，有效利用了塔架全高范围内的风力资源。利用垂直轴风机启动风速低的优点，弥补了当风速较低时水平轴风机停滞发电所造成的损失，使得单台风机发电平稳，平抑单台风力机的峰谷值，进而减小了对电网压力。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种格构式综合轴风机塔架，所述塔架与水平轴风机的机舱连接，所述水平轴风机的叶片连接到所述的机舱上；其特征在于，所述塔架包括上塔架(10)、过渡段(20)和下塔架(30)；

所述上塔架(10)的顶端连接所述水平轴风机的机舱；

所述的过渡段(20)连接所述上塔架(10)和所述下塔架(30)；

所述下塔架(30)呈格构式，并且所述下塔架(30)的内部设有垂直轴风机(40)；所述下塔架(30)包括：若干竖向设置的支撑柱(31)；所述垂直轴风机(40)包括：垂直轴风机基础(47)、发电机(46)、带动所述发电机(46)发电的传力轴(44)、与所述传力轴(44)固定连接的垂直轴风机叶片(48)；所述传力轴(44)固定在轴承(41)上，所述轴承(41)至少通过水平撑杆(43)与所述下塔架(30)的支撑柱(31)固定连接；

所述传力轴(44)与所述发电机(46)通过传力轴连接头(70)连接；所述传力轴连接头(70)包括：球形节点(71)和传力轴连接头连接板(72)；传力轴(44)与球形节点(71)连接，球形节点(71)与传力轴连接头连接板(72)连接；所述发电机(46)的发电机连接头(80)的外侧设有球形凹槽(82)，球形凹槽(82)内设有槽孔(81)。

2.如权利要求1所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述上塔架(10)为钢制的塔段。

3.如权利要求1所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述过渡段(20)包括：若干根连接所述上塔架(10)和所述下塔架(30)的连接杆。

4.如权利要求1所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述下塔架(30)包括：若干竖向设置的支撑柱(31)、连接所述支撑柱(31)的横向支撑(32)、架设到所述横向支撑(32)与所述支撑柱(31)上的拉索(33)；所述支撑柱(31)围绕在所述垂直轴风机(40)的外侧。

5.如权利要求4所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述垂直轴风机基础(47)设于地面；所述发电机(46)设于所述垂直轴风机基础(47)和所述传力轴(44)之间。

6.如权利要求5所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述垂直轴风机叶片(48)交叠布置在所述传力轴(44)上。

7.如权利要求5所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述垂直轴风机(40)还包括：两端分别连接所述传力轴(44)和所述支撑柱(31)的水平撑杆(43)。

8.如权利要求5所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述垂直轴风机(40)还包括：设于所述传力轴(44)顶部的支撑型阻尼器(45)。

9.如权利要求1所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述垂直轴风机(40)为Φ型或H型。

10.如权利要求1所述的格构式综合轴风机塔架，其特征在于，所述综合轴风机塔架用于海上风机。

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