风力发电机组及其偏航扭缆结构的制作方法

1.本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组及其偏航扭缆结构。


背景技术：

2.风力发电机组是通过叶片捕获风能，形成动能，再通过发电机将动能转换成电能，然后利用输电系统把电能传输出去的旋转机械，动力电缆是输电系统的重要组成部分。为了有利于捕获风能，无论是直驱或双馈风力发电机组，都有一个偏航系统。风机在偏航过程中，输电系统电缆需要有一段电缆参与机组偏航转动，此段电缆一般选用风力发电机用耐扭曲软电缆，此处电缆即为扭揽段电缆。相对于整机输电系统电缆而言，扭揽段电缆工况复杂多变，电缆敷设、扭揽结构设计最为复杂，扭揽原理不清楚，电缆敷设结构设计不好，容易导致此处电缆出现与周边机构碰撞等问题，进而影响机组的安全运行。
3.风力发电机组输电系统扭揽段电缆从机头旋转中心电缆夹板处出发，向下穿过防撞平台的过孔，通过u型悬垂弯后，到达塔筒壁马鞍托架处，再沿塔壁向下延伸传送。风力发电机组运行时，机组受到复杂工况影响，扭揽段电缆会发生旋扭、晃动、碰撞等情况。
4.为了避免以上风险发生，需要更好的设计偏航扭缆系统，该系统包括电缆在风机机舱中电缆夹板、具有电缆过孔的防撞平台、塔筒壁马鞍托架等结构，以防止扭揽段电缆碰撞防撞平台。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的在于提供一种风力发电机组及其偏航扭缆结构，以解决现有技术中的偏航扭缆段电缆与防撞平台碰撞的问题。
6.根据发明的一方面，提供一种风力发电机组偏航扭缆结构，包括：
7.电缆夹板，设置于机舱内且位于塔筒旋转轴线的延长线；
8.防撞平台，水平设置于塔筒内部顶端，所述防撞平台设置过孔；
9.马鞍托架，设置于所述防撞平台下方的塔筒侧壁；
10.扭缆电缆，所述扭缆电缆的起始端连接所述电缆夹板，所述扭缆电缆穿过所述防撞平台的过孔，在所述马鞍托架的下方形成u形悬垂弯，所述扭缆电缆的结束端连接至所述马鞍托架；
11.其中，所述扭缆电缆的起始端随机舱偏航绕所述塔筒旋转轴线扭转过程中，所述u形悬垂弯最低点向上提升，且所述扭缆电缆与所述防撞平台的过孔边缘不接触。
12.可选地，所述扭缆电缆的起始端随机舱偏航绕所述塔筒旋转轴线扭转范围为0度至720度。
13.可选地，所述扭缆电缆的起始端随机舱偏航绕所述塔筒旋转轴线扭转过程中，所述扭缆电缆的悬垂长度缩短，并且，起始端切线与水平线夹角θb的变化范围80度至85度，终止端切线与水平线夹角θa的变化范围为75度至85度。
14.可选地，所述扭缆电缆的起始端随机舱偏航绕所述塔筒旋转轴线扭转过程中，所
述扭缆电缆穿过防撞平台的位置偏离塔筒旋转轴线的距离大于5厘米。
15.可选地，所述扭缆电缆的起始端和结束端之间形成柔性悬索结构。
16.可选地，所述马鞍托架与所述电缆夹板之间的垂直距离范围为900厘米至1100厘米。
17.可选地，所述马鞍托架与所述电缆夹板之间的水平距离范围为90厘米至130厘米。
18.根据发明的另一方面，提供一种风力发电机组包括设置于机舱内部的发电机、塔筒以及上文所述的偏航扭缆结构；其中，所述发电机输出的动力电缆连接至所述电缆夹板。
19.根据本发明的实施例的风力发电机组及其偏航扭缆结构，与现有结构相比，可以在机舱偏航导致扭缆电缆长度缩短的前提下，防止扭揽段电缆碰撞防撞平台。
附图说明
20.通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述以及其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：
21.图1是根据本发明的实施例的风力发电机组偏航扭缆结构示意图。
22.图2是根据本发明的实施例的输电导线形态示意图。
23.图3是根据本发明的实施例的扭缆电缆的仿形曲线形态示意图。
具体实施方式
24.现在，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。
25.风力发电机组偏航扭揽结构示意图如图1所示。风力发电机组偏航扭揽电缆固定方式为：a为电缆在塔筒壁马鞍托架100上的固定位置，b为电缆在风机机舱200中电缆夹板300上固定位置，o为扭揽电缆最低悬垂点，bb1为风机机舱200的塔筒旋转轴线，c为塔筒400内的1#防撞平台中心孔位置，d为2#防撞平台中心孔位置，e为3#防撞平台中心孔位置，c1、d1、e1为扭揽电缆在c、d、e平台孔位置的自然悬垂偏移点，h为弧垂高度，h为扭揽悬挂点的高度差，l为扭揽悬挂点的档距。此处的结构设计包括：b处电缆夹板300、c处1#防撞平台、d/e处塔筒400内的防撞平台、a处马鞍托架100等位置布局及结构设计。
26.风力发电机组输电系统扭揽段电缆从机头旋转中心电缆夹板300的b处出发，向下通过u型悬垂弯后，到达塔壁马鞍托架100的a处，再沿塔壁向下延伸传送。风力发电机组运行时，机组受到复杂工况影响，扭揽段电缆会发生旋扭、与防撞平台碰撞等情况。为了避免以上风险发生，更好的设计此段电缆的敷设结构，有必要对扭揽段电缆形态进行研究。根据图1所示，扭揽电缆一端通过电缆夹板300固定、另一端在马鞍托架100上固定，两个固定点间的电缆成索结构的悬链形式，是一种典型的柔性悬索结构，没有抗弯和抗压能力，电缆的初始形态就是在电缆自重或外载荷作用下的平衡位置形态，类似于架空输电导线悬链线形态。
27.需要说明的是，通常机舱200偏航的角度范围为0度至720度。在机舱200偏航导致扭缆电缆长度缩短的前提下，悬链线形态发生变化，例如u形悬垂弯最低点向上提升，扭缆电缆的悬垂长度缩短，扭缆电缆穿过防撞平台的位置偏离塔筒旋转轴线，更接近于防撞平台过孔的边缘，导致发生碰撞的风险增大。
28.如图1所示，本发明的实施例提供一种风力发电机组偏航扭缆结构，包括：
29.电缆夹板300，设置于机舱200内且位于塔筒旋转轴线的延长线；
30.防撞平台，水平设置于塔筒400内部顶端，所述防撞平台设置过孔；
31.马鞍托架100，设置于所述防撞平台下方的塔筒侧壁；
32.扭缆电缆，所述扭缆电缆的起始端连接所述电缆夹板300，所述扭缆电缆穿过所述防撞平台的过孔，在所述马鞍托架100的下方形成u形悬垂弯，所述扭缆电缆的结束端连接至所述马鞍托架100；
33.其中，所述扭缆电缆的起始端随机舱200偏航绕所述塔筒旋转轴线扭转过程中，所述u形悬垂弯最低点向上提升，且所述扭缆电缆与所述防撞平台的过孔边缘不接触。
34.其中，所述扭缆电缆的起始端随机舱200偏航绕所述塔筒旋转轴线扭转范围为0度至720度。所述扭缆电缆的起始端和结束端之间形成柔性悬索结构，所述扭缆电缆的起始端随机舱200偏航绕所述塔筒旋转轴线扭转过程中，所述扭缆电缆的悬垂长度缩短。
35.以不等高悬点架空线的悬链线方程为例，如图2所示为输电导线形态示意图。a、b为两悬挂点，档距为l，高差为h，沿线均布垂直向下比载γ，方向垂直向下，o为弧垂最低点，选取较低点a为坐标原点，自重载荷下所形成的形状为不等高悬链线。
36.在图2中，l为导线档距，h为两输电线挂点高度差，fm为跨中弧垂，σa为a点处应力，σb为b点处应力，a为最低点至左端距离，b为最低点至右端距离，θa为a点切线和水平线夹角，θb为b点切线和水平线夹角，β为ab点切线与水平夹角，σ0为最低点处应力，xm为跨中距离，γ为输电线比载。
37.为了防止机舱200偏航过程中扭缆段与防撞平台碰撞，所述扭缆电缆的起始端绕塔筒旋转轴线扭转过程中，起始端切线与水平线夹角θb的变化范围80度至85度，终止端切线与水平线夹角θa的变化范围为75度至85度。以上夹角θb角度范围的设计，可以防止起始端附近的扭缆段与防撞平台的边缘接触。以上夹角θa角度范围的设计，还可以防止结束端与马鞍托架100之间的水平拉力过大，保证马鞍托架100的安全稳定性。
38.根据架空输电线路的档距比导线的横截面尺寸大的多，也即是输电导线的线长远大于其线缆自身直径，同时输电线缆自身是通过多股细金属丝绞合而成，架空线的自身刚性对其悬挂下垂空间曲线形状影响非常小，可以做如下两个假设：
39.1)假定架空线是没有刚性的柔性索链，只拉不弯；
40.2)假设作用在架空线上的荷载沿其线长均布。
41.根据以上两个假设，坐标原点位于左悬挂点时的不等高悬点的架空输电线路悬链线方程：
[0042][0043]
其中：自重比载单位n/m
·
mm2或mpa/m，q为架空线的单位长度质量，kg/km，a为导线截面积，单位mm2。
[0044]
图3是根据本发明的实施例的扭缆电缆的仿形曲线形态示意图。所述扭缆电缆的起始端随机舱200偏航绕所述塔筒旋转轴线扭转过程中，所述扭缆电缆穿过防撞平台的位置偏离塔筒旋转轴线的距离(即图3中的c1c距离)大于5厘米。所述马鞍托架100与所述电缆
夹板300之间的垂直距离h的范围为900厘米至1100厘米。所述马鞍托架100与所述电缆夹板300之间的水平距离l的范围为90厘米至130厘米。在如图3所示的实施例中，马鞍托架100所在的a处与电缆夹板300所在的b处之间的垂直距离h为1000厘米，水平距离l为120.8厘米，弧垂高度h为180厘米，电缆夹板300所在的b处与1#防撞平台中心孔所在的c处的垂直距离h0为358.5厘米，1#防撞平台中心孔所在的c处与2#防撞平台中心孔所在的d处的垂直距离h1为270厘米，2#防撞平台中心孔所在的d处与3#防撞平台中心孔所在的e处的垂直距离h2为270厘米。
[0045]
根据以上结论，得到了风机偏航扭拦电缆敷设结构和防撞结构设计的边界，在设计平台分布、开孔、护圈及防撞结构时，可依据扭揽电缆的偏移量进行设计，从而有效解决常规扭揽电缆的碰撞和磨损问题。
[0046]
本发明的实施例还提供一种风力发电机组，包括设置于机舱200内部的发电机、塔筒400以及根据上文所述的风力发电机组偏航扭缆结构；其中，所述发电机输出的动力电缆连接至所述电缆夹板300。
[0047]
虽然上面已经详细描述了本发明的实施例，但本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的实施例的精神和范围内。