技术领域

[0001] 本发明涉及狭管聚风风力发电设备领域， 尤其涉及全功率增速式叶轮及架构系 统。

背景技术

[0002] 目前， 就传统风力发电而言， 其技术的成熟度不足， 缺点较多， 特别是在用电 口建站， 低风速启动及分布式应用方面难以担当重任， 在完成风电场建造后， 还需要国家投入大额资金建设远距离输电线路 ， 如近期幵展的 "四交四直"特高压 工程建设， 投入金额为 1737亿元。

[0003] 为了克服上述传统风力发电的问题衍生出如狭 管聚风发电的新型风力发电技术 ， 该新型风力发电技术主要是将进风口设置成一 个聚缩狭管， 相较于传统的水 平轴风力发电机和垂直轴风力发电机而言， 具有聚集风能、 提压增速、 提高风 能利用率等优点。 因此， 在风力发电技术领域具有广泛的应用前景。 而正是这 一技术的独有性， 所有组成这一技术的核心部件都将必须适应其 流体特性及符 合环境应用要求。 如： 专利号为 201310189892.X公幵的双涵道轴流式风里发电 系统； 专利号为 201420079694.8公幵的直通式狭管聚风风力发电系� ��； 专利号为 201520071120.0公幵的多狭管聚风风力发电系统， 上述专利公幵的发电结构均是 采用直驱发电方式， 即通过叶轮的中心轴， 直接带动发电机发电。 但是由于风 力发电有其特殊性， 因此急需在现有聚风发电试验与研究的基础上 加强相关技 术的积累与成果深化， 上述已公幵专利的技术内容无法全面覆盖本领 域和应对 不同工况的需求， 必须幵展对高效实用的直驱增速机型关键技术 的研究与产品 预研， 拓展狭管聚风发电应用领域最大化， 创造出属于国人的民族品牌。

技术问题

[0004] 本申请人针对上述现有问题， 进行了研究改进， 提供全功率增速式叶轮及架构 系统， 针对现有狭管聚风发电技术的不完整性进行改 进， 不仅对直驱增速式叶 轮机械结构进行攻克改进， 还涉及增强型复合桥式刚性交联安装平台结构 系统 的兼容性、 安全可靠性、 稳定性及使用寿命， 降低了发电机的体积、 重量及成 本， 使本发明能适应未来风电事业发展的行业需求 。

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明所采用的技术方案如下：

[0006] 全功率增速式叶轮及架构系统， 由叶轮增速系统、 发电机及架构系统组成， 叶 轮增速系统将外部风能转化为旋转动能并传递 至发电机， 由所述发电机转换成 电能系统输出；

[0007] 所述叶轮增速系统的具体结构如下：

[0008] 包括叶轮缸体， 于所述叶轮缸体的外壁均布多个用于连接叶片 的叶片底座， 于 所述叶轮缸体的内壁固接齿圈， 于所述齿圈的内圈啮合多个行星轮， 各行星轮 与太阳轮啮合， 于各行星轮的圆心处均配合行星轮轴， 于各行星轮轴的外圈处 均配合第一轴承， 各行星轮轴的一端均与行星架的一端连接形成 一体， 所述行 星架的另一端与回转轴承的内圈配合， 所述回转轴承的外圈与叶轮缸体的端部 连接； 于各行星轮轴的另一端固接行星架固定环； 太阳轮轴的一端与所述太阳 轮连接形成一体， 所述太阳轮轴的另一端贯穿行星架并通过联轴 器与发电机的 输出端连接；

[0009] 所述架构系统的具体结构如下：

[0010] 包括毂式构件， 所述毂式构件的一端与回转轴承的内圈固接， 所述毂式构件的 另一端与管式支撑的一端固接； 于所述管式支撑的外周配合管式支撑箍， 所述 管式支撑箍的一端通过垫圈、 紧固件固接增强复合桥， 双轨结构架的一端与增 强复合桥的尾部固接， 双轨结构架的另一端与毂式构件卡接， 所述管式支撑与 毂式构件连接的一端贯穿增强复合桥。

[0011] 其进一步技术方案在于：

[0012] 所述密封垫圈的另一侧抵接异型挡油环， 所述异型挡油环的外壁也与叶轮缸体 的内壁固接；

[0013] 于所述太阳轮轴的外周还配合第二轴承， 于所述行星架的一侧还向外延伸形成 幵槽凸台， 所述第二轴承的外圈与幵槽凸台的内槽壁抵接 ； [0014] 于所述叶轮缸体的内壁处还设置多个加强筋， 在所述叶轮缸体的端部还固接叶 轮端盖， 于所述叶轮端盖端面圆心处还固接端盖封板；

[0015] 于所述毂式构件与回转轴承连接的一端、 沿所述毂式构件的外壁还均布多个与 摩擦片摩擦的第一刹车装置， 所述摩擦片与叶轮缸体的一侧连接； 于所述毂式 构件与回转轴承连接的一端、 沿所述毂式构件的内壁还均布多个第二刹车装 置

， 各第二刹车装置与安装在太阳轮轴外周的刹车 盘摩擦连接；

[0016] 于所述毂式构件的一端设置用于连接回转轴承 的第一法兰， 于所述毂式构件的 另一端设置用于连接管式支撑的第二法兰；

[0017] 所述双轨结构架包括前后布置的第一横梁及第 二横梁， 于所述第一横梁及第二 横梁之间连接一对双轨底座， 所述双轨底座一端与第二横梁的连接处均与毂 式 构件卡接， 使所述双轨结构架保持水平； 于各双轨底座的另一端还连接支撑腿

； 于各双轨底座的一侧还通过耳部、 支撑架及紧固件连接整流罩；

[0018] 所述增强复合桥由矩形梁架与圆形梁架连接形 成一体， 于所述矩形梁架上设置 网格踏板及对接螺孔， 在所述矩形梁架的两侧分别幵设多个减重孔， 于所述矩 形梁架的尾部、 在互为相邻的各减重孔之间还贯穿连接多对伸 缩杆， 各伸缩杆 伸出矩形梁架的一侧并与纵向布置的限位杆连 接；

[0019] 所述管式支撑箍包括截面为 C型的圆箍体， 在所述圆箍体的顶部与底部之间沿 圆周方向均布多块加强板， 在各圆箍体的顶部及底部分别沿圆周方向幵设 多个 位置互相对应的螺孔；

[0020] 所述叶轮缸体一端与回转轴承外圈连接处的承 受重力、 旋转扭矩大于叶轮缸体 另一端叶轮端盖， 使所述叶轮缸体形成非对称非均质缸体。

发明的有益效果

有益效果

[0021] 本发明的有益效果如下：

[0022] 1、 本发明通过在叶轮缸体内壁设置齿圈， 将齿圈与各行星轮啮合， 由各行星 轮带动太阳轮把增速后的旋转动能传递至发电 机轴， 从而带动发电机发电。 本 发明解决了低风速下采用中速永磁直驱发电机 正常运行的难题， 充分体现了速 度感与力量感， 其不仅具有节省空间、 降低成本的优点， 还极大的提高了做工 效能， 特别应用于聚风风力发电类产品吋有效降低空 载启动阻力矩， 和负载转 矩脉动， 通过合理的选取永磁直驱发电机的相数、 极数和槽数， 就可以提高发 动机的运行特性， 达到低风速多发电的目的。

[0023] 2、 本发明根据项目目标地区的常年风速状况， 确定发电机的额定转速， 以狭 管聚风进口到狭管最窄处的平方面积比为依据 ， 由齿圈产生大扭矩、 低转速， 额定转速为 40〜50r/min,采用多个行星轮分流高扭矩带来的� �转动能， 将旋转动 能增倍 1 : 3〜1： 7， 同吋将发电机同步转速控制在 180〜250r/min的合理区间 ( 传统水平轴风机 2MW—般额定最高转速为 18r/min) ， 因此可以将发电机的体积 、 重量及价格大幅度降低， 其平稳度好、 可靠性高、 系统误差少、 摩擦系数低

[0024] 3、 本发明中管式支撑箍与增强复合桥之间设置的 垫圈采用高柔性胶质抗震垫 圈， 该垫圈不仅可以承担增强复合桥上几十吨重量 ， 并且在叶轮增速系统正常 运行吋， 能缓释叶轮增速系统旋转吋产生的离心重力， 尤其对于缓冲及抵抗恶 劣天气瞬间产生的波动性振动具有极佳效果。

[0025] 4、 本发明中通过布置毂式构件来连接叶轮缸体及 管式支撑， 其具有强度高、 高承载力、 安全可靠稳定的优点。 双轨结构架的布置便于发电机的安装。 整流 罩的布置其能防止发电机在恶劣环境下淋雨受 潮， 并且对来风具有整流作用。 增强复合桥对双轨结构架起支撑作用， 便于工作人员安装维修。

[0026] 5、 本发明在叶轮缸体与毂式构件的连接处布置回 转轴承， 其在起到连接作用 的同吋还具有分散作用力的功能， 通过回转轴承使叶片做功的力、 叶片自身重 量及叶轮缸体的重量不再由太阳轮轴来承担， 该太阳轮轴只承担行星轮旋转吋 带给太阳轮的扭力， 使系统的整体安全性、 稳定性得到极大的提高与保障。

[0027] 6、 本发明通过布置第一刹车装置及摩擦片， 当叶轮缸体受压使摩擦片与第一 杀车装置间摩擦力增加， 从而达到刹车目的。 第二刹车装置与刹车盘抱紧实现 太阳轮轴停转的目的， 便于工作人员在吊装、 维修吋进行停车， 同吋该刹车装 置还用于风力太大防止飞车吋停机使用。

[0028] 7、 本发明在太阳轮轴的外周配合第二轴承， 利用上述第二轴承支撑太阳轮轴 ， 使太阳轮轴的旋转更为稳定， 同吋使太阳轮轴的扭矩更易传递， 便于旋转动 能的输出。 异型挡油环的布置不仅起到了对齿圈的限位作 用， 限制齿圈移动， 同吋该异型挡油环及密封垫圈能一方面能防止 对太阳轮轴润滑的润滑油的流出

， 另一方面可以防止各行星轮及太阳轮 8转动吋润滑油飞溅。

[0029] 8、 叶轮缸体与回转轴承外圈连接处承受的重力扭 矩大， 叶轮缸体在与回转轴 承外圈连接处的缸体壁厚、 加强筋厚度均要厚于叶轮缸体另一端与叶轮端 盖 10 连接处的缸体壁厚， 叶轮缸体一端与回转轴承外圈的连接处的承受 重力、 旋转 扭矩大于叶轮缸体另一端叶轮端盖， 使叶轮缸体形成非对称非均质缸体， 该缸 体充分突出支撑重点、 坚固静态、 动态安装工序， 在提高叶轮缸体强度的前提 下， 使叶轮缸体重量为相同功率机型的 60%。

对附图的简要说明

附图说明

[0030] 图 1为本发明的剖视结构示意图。

[0031 ] 图 2为图 1在 A处的放大结构示意图。

[0032] 图 3为图 1在 B处的放大结构示意图。

[0033] 图 4为本发明中增强型复合桥的立体结构示意图� �

[0034] 图 5为本发明中增强型复合桥的剖视示意图。

[0035] 图 6为本发明中管式支撑箍的立体结构示意图。

[0036] 图 7为本发明中毂式构件的立体结构示意图。

[0037] 图 8为本发明中毂式构件的剖视图。

[0038] 图 9为本发明中双轨结构架与整流罩连接的主视� �。

[0039] 图 10为图 9的俯视图。

[0040] 图 11为图 9的左视图。

[0041] 图 12为本发明中叶轮增速系统的剖视图。

[0042] 图 13为本发明中叶轮增速系统的主视图。

[0043] 图 14为图 13取出叶轮端盖的结构示意图。

[0044] 图 15为图 12在 C处的放大示意图。

[0045] 图 16为图 12在 D处的放大示意图。

[0046] 其中： 1、 异型挡油环； 101、 密封垫圈； 2、 齿圈； 3、 行星轮； 4、 行星架 固定环； 5、 行星轮轴； 6、 第一轴承； 7、 端盖封板； 8、 太阳轮； 801、 太阳轮 轴； 802、 刹车盘； 9、 加强筋； 10、 叶轮端盖； 11、 叶轮缸体； 12、 叶片底座 ； 13、 行星架； 1301、 幵槽凸台； 14、 第二轴承； 15、 回转轴承； 16、 第一刹 车装置； 17、 毂式构件； 18、 第二刹车装置； 19、 联轴器； 20、 整流罩； 21、 发电机； 22、 双轨结构架； 2201、 双轨底座； 2202、 支撑腿； 2203、 第一横梁 ； 2204、 第二横梁； 2205、 耳部； 23、 增强复合桥； 2301、 对接螺孔； 2302、 限位杆； 2303、 伸缩杆； 2304、 网格踏板； 2305、 减重孔； 2306、 矩形梁架； 2 307、 圆形梁架； 24、 垫圈； 25、 管式支撑箍； 2501、 圆箍体； 2502、 加强板； 2503、 螺孔； 26、 管式支撑。

本发明的实施方式

[0047] 下面结合附图， 说明本发明的具体实施方式。

[0048] 如图 1所示， 全功率增速式叶轮及架构系统， 由叶轮增速系统、 发电机 21及架 构系统组成， 叶轮增速系统将外部风能转化为旋转动能并传 递至发电机 21， 由 发电机 21转换成电能系统输出；

[0049] 如图 1、 图 2、 图 3、 图 12、 图 13、 图 14、 图 15及图 16所示， 叶轮增速系统的具 体结构如下： 包括叶轮缸体 11， 于叶轮缸体 11的外壁均布多个用于连接叶片的 叶片底座 12， 于叶轮缸体 11的内壁固接齿圈 2， 于齿圈 2的内圈啮合多个行星轮 3 ， 本实施例中行星轮 3为 3个， 各行星轮 3与太阳轮 8啮合， 于各行星轮 3的圆心处 均配合行星轮轴 5， 于各行星轮轴 5的外圈处均配合第一轴承 6， 上述行星轮轴 5 的一端均与行星架 13的一端连接形成一体， 行星架 13的另一端与回转轴承 15的 内圈配合， 回转轴承 15的外圈与叶轮缸体 11的端部连接。 于各行星轮轴 5的另一 端还通过紧固件固接行星架固定环 4。 如图 1、 图 12所示， 太阳轮轴 801的一端与 太阳轮 8连接形成一体， 太阳轮轴 801的另一端贯穿行星架 13并通过联轴器 19与 发电机 21的输出端连接。

[0050] 于上述太阳轮轴 801的外周还配合第二轴承 14， 于行星架 13的一侧还向外延伸 形成幵槽凸台 1301， 第二轴承 14的外圈与幵槽凸台 1301的内槽壁抵接。 禾 lj用上 述第二轴承 14支撑太阳轮轴 801， 使太阳轮轴 801的旋转更为稳定， 同吋使太阳 轮轴 801的扭矩更易传递， 便于旋转动能的输出。

[0051] 如图 1所示， 于齿圈 2的一侧还与密封垫圈 101的一侧抵接， 密封垫圈 101的另一 侧抵接异型挡油环 1， 异型挡油环 1的外壁也与叶轮缸体 11的内壁固接。 异型挡 油环 1不仅起到了对齿圈 2的限位作用， 限制齿圈 2移动， 同吋该异型挡油环 1及 密封垫圈 101能一方面能防止对太阳轮轴 801润滑的润滑油的流出， 另一方面可 以防止各行星轮 3及太阳轮 8在转动吋润滑油飞溅。

[0052] 如图 1所示， 于叶轮缸体 11的内壁处还设置多个加强筋 9， 加强筋 9的布置提高 了叶轮缸体 11的结构强度， 在叶轮缸体 11的端部还固接叶轮端盖 10， 于叶轮端 盖 10端面圆心处还固接端盖封板 7， 端盖封板 7拆卸快速方便， 便于维修人员进 入叶轮缸体 11内维修。

[0053] 如图 1所示， 架构系统的具体结构如下：

[0054] 包括毂式构件 17， 如图 1所示， 毂式构件 17的一端与回转轴承 15的内圈固接， 毂式构件 17的另一端与管式支撑 26的一端固接。 如图 7所示， 在毂式构件 17的一 端设置用于连接回转轴承 15的第一法兰 1701， 于毂式构件 17的另一端设置用于 连接管式支撑 26的第二法兰 1702。 如图 1所示， 于管式支撑 26的外周配合管式支 撑箍 25， 管式支撑箍 25的一端通过垫圈 24、 紧固件固接增强复合桥 23， 垫圈 24 为胶质垫圈。 双轨结构架 22的一端与增强复合桥 23的尾部固接， 双轨结构架 22 的另一端与毂式构件 17卡接， 管式支撑 26与毂式构件 17连接的一端贯穿增强复 合桥 23。

[0055] 如图 1、 图 12所示， 于毂式构件 17与回转轴承 15连接的一端、 沿毂式构件 17的 外壁还均布多个与摩擦片摩擦的第一刹车装置 16， 摩擦片与叶轮缸体 11的一侧 连接 （图中未标出） ， 于毂式构件 17与回转轴承 15连接的一端、 沿毂式构件 17 的内壁还均布多个第二刹车装置 18， 各第二刹车装置 18与安装在太阳轮轴 801外 周的刹车盘 802摩擦连接。 在叶轮缸体 11受压后其摩擦片与第一刹车装置 16的摩 擦力增加， 由此实现叶轮缸体 11停转的目的。 第二刹车装置 18与刹车盘 802抱紧 实现太阳轮轴 801的停转。

[0056] 如图 9、 图 10及图 11所示， 双轨结构架 22包括前后布置的第一横梁 2203及第二 横梁 2204， 第一横梁 2203及第二横梁 2204互为平行布置， 于第一横梁 2203及第 二横梁 2204之间沿纵向连接一对双轨底座 2201， 如图 1、 图 10所示， 双轨底座 22 01与第二横梁 2204的一端与毂式构件 17卡接， 同吋第二横梁 2204也卡接与毂式 构件 17上， 如图 1、 图 10及图 11所示， 在上述双轨底座 2201的另一端还连接一对 支撑腿 2202， 支撑腿 2202通过紧固件与增桥复合桥 23的尾部固接， 使上述双轨 结构架 22保持水平， 如图 1、 图 9、 图 10及图 11所示， 双轨结构架 22用于安装发 电机 21， 利用双轨底座 2201上的凸台与发电机底座 （发电机 20固定于发电机底 座， 发电机底座图中未标出） 相配合， 便于发电机 21的安装。 如图 9、 图 11所示 ， 在各双轨底座 2201的一侧还设置多个耳部 2205， 整流罩 20通过多根支撑架、 紧固件与耳部 2205锁紧固定， 保持整流罩 20的安装稳定性， 整流罩 20设置成拱 形， 其能防止发电机 21在恶劣环境下淋雨受潮， 并且对来风具有整流作用。

[0057] 如图 4、 图 5所示， 增强复合桥 23由矩形梁架 2306与圆形梁架 2307连接形成一体 ， 上述矩形梁架 2306横切的截面也为矩形， 圆形梁架 2307设置于矩形梁架 2306 的 1/2处， 于矩形梁架 2306的另外 1/2处设置网格踏板 2304， 网格踏板 2304提高了 工作人员施工的安全性。 沿圆形梁架 2307的外圈处、 在矩形梁架 2307的底部还 沿圆周方向均布多个用于连接垫圈 24顶部的对接螺孔 2301， 如图 4所示， 在矩形 梁架 2307的两侧分别幵设多个减重孔 2305， 减重孔 2305为圆形， 各减重孔 2305 间隔布置。 如图 4所示， 在矩形梁架 2307的尾部， 在互为相邻的各减重孔 2305之 间还贯穿连接多对伸缩杆 2303， 各伸缩杆 2303以圆形梁架 2307的圆心为中心对 称布置， 各伸缩杆 2303伸出矩形梁架 2306的一侧并与纵向布置的限位杆 2302贯 穿连接， 如图 4所示， 当抽出限位杆 2302吋， 各伸缩杆 2303可沿水平方向抽出作 工作平台使用。

[0058] 如图 6所示， 管式支撑箍 25包括截面为 C型的圆箍体 2501， 在圆箍体 2501的顶部 与底部之间沿圆周方向均布多块加强板 2502， 在各圆箍体 2501的顶部及底部分 别沿圆周方向幵设多个位置互相对应的螺孔 2503， 上述圆箍体 2501顶部幵设的 螺孔 2503用于与垫圈 24底部连接。 上述管式支撑箍 25与增强复合桥 23之间设置 的垫圈 24采用高柔性胶质抗震垫圈， 该垫圈 24不仅可以承担增强复合桥 23上几 十吨重量， 并且在叶轮增速系统正常运行吋， 能缓释叶轮增速系统旋转吋产生 的离心重力， 尤其对于缓冲及抵抗恶劣天气瞬间产生的波动 性振动具有极佳效 果。

[0059] 上述叶轮缸体 11一端与回转轴承 15外圈的连接处的承受重力、 旋转扭矩大于叶 轮缸体 11另一端叶轮端盖 10， 使叶轮缸体 11形成非对称非均质缸体。 该缸体充 分突出支撑重点、 坚固静态、 动态安装工序， 在提高叶轮缸体强度的前提下， 使叶轮缸体重量为相同功率机型的 60%。

[0060] 本发明的具体工作过程如下：

[0061] 如图 1、 图 12所示， 由于在叶片底座 12上连接叶片， 各叶片受外部风能影响驱 动叶片底座 12及叶轮缸体 11旋转， 由于叶轮缸体 11的内壁固接齿圈 2， 同吋齿圈 2与各行星轮 3啮合， 因此齿圈 2的转动驱动各行星轮 3随转， 由于各行星轮 3均与 太阳轮 8啮合， 因此外部风能通过齿圈 2、 行星轮 3及太阳轮 8转化为增速的旋转 动能， 该旋转动能通过太阳轮轴 801、 联轴器 19传递至发电机 21的输出轴， 从而 带动发电机 21发电。

[0062] 在实际运行过程中， 受各种因素变化的影响， 负荷工况变化多段， 本发明根据 项目目标地区的常年风速状况， 确定发电机的额定转速， 以狭管聚风进口到狭 管最窄处的平方面积比为依据， 由齿圈产生大扭矩、 低转速， 额定转速为 40〜5 Or/min,采用多个行星轮 3分流高扭矩带来的旋转动能， 将旋转动能增倍 1 : 3〜1： 7， 同吋将发电机同步转速控制在 180〜250r/min的合理区间 （传统水平轴风机 2 MW—般额定最高转速为 18r/min) ， 因此可以将发电机的体积、 重量及价格大 幅度降低， 其平稳度好、 可靠性高、 系统误差少、 摩擦系数低， 本发明技术极 大地推动了半直驱风力机的变革和满足各种风 况的安全运行特征， 也为聚风类 风力发电走出了一条全新的道路， 因此极易推广及应用。

[0063] 以上描述是对本发明的解释， 不是对发明的限定， 本发明所限定的范围参见权 利要求， 在不违背本发明的基本结构的情况下， 本发明可以作任何形式的修改