一种并列式交叉旋转双风轮风力发电机组的制作方法

1.本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种并列式交叉旋转双风轮风力发电机组。


背景技术：

2.随着陆上电价补贴结束和海上平价时代的来临，国内风电行业的发展面临一个亟待解决的问题，即如何降低度电成本，从而提高风力发电的竞争力。对于风电机组的开发设计来说，根据经典风功率计算公式想要继续提高机组的装机容量，无非存在三个方向，即增大风轮面积s，提高轮毂高度风速v以及提升风轮捕风效率c
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。其中，增大扫风面积和提高轮毂高度是提升机组额定功率最直接的方法，采用成熟的技术路线，通过合理的结构设计，进一步挖掘材料和设备的使用潜力，因此也是目前国内外各大主机厂商广泛采用的策略。考虑到叶片重量与长度之间存在2～3次方的比例关系，以及风轮直径增大带来的切入风速提高等不利因素，上述技术路线可能导致机组的设计制造成本随着结构大型化出现剧烈的攀升，进而导致风场收益和设备竞争力下降。由于地形和大气的影响，风速大小往往随高度发生变化，当风切变因子大于零时，风速随高度的增加而增大，因此提高风速通常通过提高塔筒高度的方式实现，塔筒成本与高度之间同样存在2～3次方的比例关系，考虑到高度增加导致的风速提高幅度有限且不稳定，这一技术路线通常并不足以单独作为一个发展方向，仅用于辅助大直径风轮进行叶尖离地高度的限制设计。
3.通过提升风轮捕风效率提高机组额定功率的思路，虽然也存在0.593的贝茨极限，但对于目前广泛采用的三叶片布局方式，其捕风效率大多在0.49左右，距离极限值尚有较大的提升空间，而且捕风效率与机组功率呈线性关系，在不影响风轮切入风速的条件下，捕风效率的增加对机组功率的提升是最直接有效的。
4.目前国内外主机厂商对于提升风轮捕风效率的方法研究和新型风轮局部方案设计较少，部分单位分别提出了串列式双风轮的新型风轮布局方式和机组控制策略，使得机组风轮的捕风效率较大幅度增加，因此证明了提升风轮捕风效率这一技术路线的巨大潜力。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种并列式交叉旋转双风轮风力发电机组，通过借助风轮系统旋转产生的流场结构对叶片升力的影响来提高风轮功率，同时通过提高双风轮扫掠面积的重叠区域来减小风轮系统扫掠面积的总和，从而提升风轮系统的整体捕风效率。
6.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种并列式交叉旋转双风轮风力发电机组，包括基础、塔筒、机舱系统和两个风轮系统，所述塔筒装于基础的顶部，所述机舱系统装于塔筒的顶部，两个风轮系统对称装于机舱系统的一端的两侧，该两个风轮系统的
中轴线的延长线相交并具有夹角，两个风轮系统的叶片数量相一致且一一对应，每个叶片与相对应的叶片之间具有相位角差，风轮系统运行时，两个风轮系统的转速相同，旋转方向相反，两个风轮系统的叶片的扫掠面积具有重叠区域，通过两个风轮系统的叶片依次通过重叠区域，其中任一个风轮系统在重叠区域内旋转产生的尾流结构会受到另一个风轮系统逆向旋转的影响，从而消减或抵消尾流强度并提升叶片的气动效率，最终实现提升风轮系统捕风效率的目的。
7.进一步，所述机舱系统包括传动链以及与传动链连接的双转子发动机，所述传动链的中轴线相对水平面具有倾角，其中，所述传动链包括两个机头、两根低速轴、差速器、变速箱、两根过渡轴以及两根高速轴，所述的两个机头分别与两个风轮系统相连接，两根低速轴的一端分别与两个机头连接，通过两个机头将两个风轮系统的动能传递至两根低速轴上，两根低速轴的另一端分别通过万向节与差速器连接，通过差速器调节两根低速轴的转速达到一致，所述差速器通过两根过渡轴连接变速箱，两根过渡轴同轴设置且直径不同，所述变速箱分别与两根高速轴连接，两根高速轴同轴设置且直径不同，通过变速箱对两根直径不同的过渡轴进行转速和转矩的调整，并将机械能传递至两根高速轴上，两根高速轴分别与双转子发电机的内转子和外转子相连，最终通过两根旋转方向相反的高速轴带动双转子发动机工作并产生电能。
8.进一步，两个机头的中轴线的延长线具有夹角，且夹角与两个风轮系统的两个中轴线的夹角保持一致。
9.进一步，所述倾角的范围为0～10度。
10.进一步，所述双转子发动机采用笼式励磁异步发电机或永磁同步发电机。
11.进一步，所述夹角的范围为15～35度。
12.进一步，所述相位角差的范围为60
±
30度。
13.进一步，所述风轮系统包括轮毂以及沿轮毂周向均布的多个叶片，每个叶片通过其叶根法兰与轮毂相连，且所述叶片相对于机舱系统的传动链的中轴线具有锥角，该叶片能够在轮毂内的变桨轴承的驱动下进行桨距角控制。
14.进一步，所述叶片由高强度复合材料制成。
15.进一步，所述叶片为两叶片或三叶片。
16.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
17.在大型化、大装机容量风电机组的发展趋势下，大直径风轮系统的设计制造是机组制造成本的重要构成部分。本发明的并列式交叉旋转双风轮风力发电机组相比于传统机组，通过更加充分地利用风轮旋转产生的流场结构，在双风轮扫掠面积的重叠区域内提高捕风效率，因此可以使用较小直径的风轮实现更大的装机容量，同时在较小的风速条件下实现启动并更容易达到额定状态，从而进一步提高机组年发电小时数。此外，相比于采用相同风轮的两台常规机组，并列式交叉旋转双风轮风力发电机组由于可以共用一套塔筒、偏航系统和传动链系统等部件，因此在制造成本上相比常规机组也展示出较大的优势。从装机容量和设计制造成本等角度考虑，并列式交叉旋转双风轮风力发电机组在技术难度和制造成本之间做好了很好的平衡，因此具备较大的产品竞争力。
附图说明
18.图1为本发明的双风轮风力发电机组的立体结构示意图一。
19.图2为本发明的双风轮风力发电机组的立体结构示意图二。
20.图3为本发明的双风轮风力发电机组的立体结构示意图三。
21.图4为本发明的双风轮风力发电机组的俯视图。
22.图5为本发明的机舱系统内部的结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的使用方式不限于此。
24.如图1至图5所示，本实施例所述的并列式交叉旋转双风轮风力发电机组，包括基础(图中未示出)、塔筒1、机舱系统2和两个风轮系统3，所述塔筒1为混塔或钢塔，通过基础法兰固定在基础上，用于支撑机舱系统2和风轮系统3并保证其稳定性，塔筒1顶端为偏航系统，所述机舱系统2通过偏航系统装于塔筒1的顶部，用于吸收来自风轮系统3的机械能，并将机械能转化为电能，两个风轮系统3对称装于机舱系统2的一端的两侧，通过偏航系统在不同风向条件下调整风轮系统3和机舱系统2的对风方向，使机组发电功率最大化；其中，两个风轮系统3的中轴线的延长线相交并具有夹角a，两个风轮系统3的叶片数量相一致且一一对应，每个叶片与相对应的叶片之间具有相位角差，风轮系统3运行时，两个风轮系统3的转速相同，旋转方向相反，两个风轮系统3的叶片的扫掠面积具有重叠区域。
25.机舱系统2内部包括传动链以及与传动链连接的双转子发动机207，通过机舱外壳将其内部部件与周围环境隔开，所述传动链的中轴线相对水平面具有倾角，倾角的范围为0～10度。
26.所述传动链包括两个机头201、两根低速轴202、差速器203、变速箱204、两根过渡轴205以及两根高速轴206，两个机头201的上游分别与两个轮毂对接，两个机头201的中轴线的延长线相交并具有夹角，且夹角与两个轮毂的中轴线的夹角保持一致，两根低速轴202的旋转方向相反，其一端分别与两个机头201的下游连接，通过两个机头201将两个风轮系统3的动能传递至两根低速轴202上，两根低速轴202的另一端分别通过万向节与差速器203的上游连接，当两根低速轴202的转速不一致时，差速器203通过齿轮介入的方式，重新分配低速轴202的转速和转矩，强制两根低速轴202的转速相等，以避免低速轴202转速不一致导致叶片发生碰撞，差速器203的下游通过两根过渡轴205连接变速箱204，两根过渡轴205同轴设置且直径不同，通过差速器使两根过渡轴205具有等大反向的转速，所述变速箱204分别与两根高速轴206连接，两根高速轴206同轴设置且直径不同，通过变速箱204对两根直径不同的过渡轴205进行转速和转矩的调整，并将机械能传递至两根高速轴206上，两根高速轴206分别与双转子发电机207的内转子和外转子相连，最终通过两根旋转方向相反的高速轴206带动双转子发电机工作并产生电能。
27.机舱系统2中由于差速器203和过渡轴205的存在，机舱系统2的长度会有所增加，但考虑到双风轮结构，两个风轮系统3质量有所增加，因此机舱系统2的重心位置需要适当后移，以便整个机组的机舱系统2和风轮系统3关于塔筒轴的力矩配平。
28.具体的，双转子发电机可采用笼式励磁异步发电机或永磁同步发电机。
29.机舱系统2的上游为两个型号相同的风轮系统3，所述风轮系统3包括轮毂以及沿
轮毂周向均布的多个叶片，每个叶片通过其叶根法兰与轮毂相连，且叶片相对于机舱系统2的传动链的中轴线具有锥角，叶片能够在轮毂内的变桨轴承的驱动下进行桨距角控制。为了保证风轮系统3在侧风或其他极端条件下不会发生叶片碰撞，从上游来流方向看去，一侧的风轮系统3在安装时，每个叶片与另一侧风轮系统3相对应的叶片之间应具有相位角差，相位角差的范围为60
±
30度，优选60度。
30.具体的，叶片由玻璃纤维、碳纤维或其他高强度复合材料制成。
31.具体的，叶片为两叶片或三叶片。
32.所述并列式交叉旋转双风轮风力发电机组的工作原理如下：
33.机组正常运行时，当来流风速达到切入风速，通过控制器下达开机指令，使两台风轮系统以相反的旋转方向和相同的转速开始旋转，两个风轮系统的叶片先后交替经过扫掠重叠区域。风向发生变化或存在侧风时，通过控制器检测到两台风轮系统所传递的转矩存在差异，此时通过差速器介入并调整两个低速轴的转速和转矩，控制器则根据低速轴的转矩差异判断并调整风向以及考虑变桨。
34.机组停机维护时，通过控制器对风轮系统下达停机指令，两个风轮系统同时锁定并停止运转。若某个风轮系统的叶片出现损伤并需要维修，则需要调整两个风轮系统的方位角，使得损伤待修的叶片处于合适的角度下，以便维修人员探伤和维修。
35.传统风电机组的风轮系统旋转时，在叶片的叶根和叶尖位置由于气流在压力面和吸力面的压强差产生了诱导涡，尾流从叶片后缘脱落后向下游继续运动，在近场尾流中形成了螺旋形的涡结构，诱导涡的存在降低了风轮系统并增加了叶片气动阻力，从而降低了风轮捕风效率。本实施例的并列式交叉旋转双风轮风力发电机组运行时，两个风轮系统的叶片会依次通过重叠区域，其中一个风轮系统在重叠区域内旋转产生的尾流结构会受到另一个风轮系统逆向旋转的影响，从而消减或抵消尾流强度并提升叶片的气动效率，最终在一定程度上提升了风轮系统的捕风效率。
36.同时为了尽可能增加风轮系统扫掠面积的重叠区域，两个风轮系统的轮毂之间需要保持较近的距离，这样也使得风轮系统的扫掠面积更小。为了避免叶片受载变形或侧向突风条件对风轮系统产生干扰时，轮毂距离过近可能引起结构碰撞的问题，本实施例通过将两个风轮系统的轮毂的中轴线设置一定夹角，夹角的范围为15～35度，从而保证任意一个风轮系统的叶片即使在承受极端载荷并出现变形位移的情况下，也不会与另一个风轮系统的轮毂发生结构接触。同时由于轮毂之间距离很近时，任意一个风轮系统与另一个风轮系统的轮毂距离最近的位置往往为叶片的叶根位置，该部位通常结构强度较高，因此出现大变形的概率更小，也进一步保证了风轮系统在各种极端风条件下的安全性。
37.由于两个风轮系统各自对应的叶片之间存在一定的相位角差距，风轮系统运转时，两个风轮系统的转速相同，旋转方向相反，来自两个风轮系统的对应叶片会依次先后通过重叠区域，由于相位差的存在不会发生叶片的结构碰撞。
38.本发明通过采用两个型号相同的风轮系统，通过合理的轮毂和机舱系统布置，使风轮系统的扫掠面积大幅重叠，且机组单台风轮系统的捕风功率基本不变，甚至其在复杂的流动结构影响下得到进一步提升。根据捕风效率计算公式捕风效率的提升意味着单位扫掠面积内，风轮捕风功率的提升，相比于两台同样型号的传统风电机
组，并列式交叉旋转双风轮风力发电机组的整体扫掠面积更小，即使假设机组单台风轮捕风功率基本不变，机组的捕风效率也得到了进一步提升。
39.以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。