大型风力发电机承载式框架多级风轮发电机

【摘 要】积极开发风能资源，加快风电发展步伐，是调整我国能源结构，合理利用资源，保护环境，解决能源短缺的科学发展之路、战略选择。大型风力发电机承载式框架多级风轮发电机的发明是新能源发展与利用的必然要求。

【关键词】技术 加快 发展 优点 未来

一、技术领域

随着社会的发展和人们经济生活水平的提高，对能源的需求越来越大，能源短缺现象日益加剧，迫切需要全人类来共同解决，风力发电作为一种经济、环保的能源已引起人们的高度关注。目前国际上多采用三叶片螺旋桨式风力发电机，从它的结构可以看出存在未能解决的技术难题：三叶式靠单叶沿伸，以撬力固定于中心，难以发展大型风轮；三叶式叶片不能调节或只微小调节，限于3-7级风才能发电，7级风以上超负荷烧电机，只有关死不发电，很可惜；三叶式重力在内径中心，起不到运转惯性作用，不能调节不规律阵风影响，造成转速不均匀，电压不稳定、不能直接上电网，需要增加高贵的充放电设备，增加成本和电量损耗。（四）综合经济效益低成本高。为此大型风力发电机承载式框架多级风轮发电机的发明就是科学发展的当务之急。

二、发明目的

本发明目的是为了解决三叶片风轮发电难以发展大型风轮，叶片不能大角度调节，不能较有效的捕风及防台风，风轮惯性律差，转速不均匀，电压不稳定等技术难题。

本发明的技术方案是构造一种“承载式框架多级风轮发电机”风轮级数与大小可按需要而定，现以风轮直径286.8米，单机容量3.5万千瓦三级风轮发电机为例，包括与地相连的中心轴和环形稳定框本发明目的是为了解决三叶片风轮发电难以发展大型风轮，叶片不能大角度调节，不能较有效的捕风及防台风，风轮惯性律差，转速不均匀，电压不稳定等技术难题。

本发明的技术方案是通过回转装置安装于该环形稳定框之上的“+”形承载转动架，设于该“+”形承载转动架上面的支撑架和发电机，支撑加上设有迎风指令装置和多级不同直径的框架风轮组，每一风轮装置液压齿轮泵和液压伸缩器，装置与外电源连接导电环，“+”形承载转动架上的中部设有第一齿轮箱，支撑架顶上设有与该第一齿轮箱相对的第二齿轮箱，第一齿轮箱与第二齿轮箱之间经相套的内、外传动轴连接。

本发明的较佳实施例，所述的一对行星轮系分别对称设于左、右大锥齿轮的轮背，行星轮系包括：固定套接于第二齿轮箱内左、右大锥齿轮转轴上的中心轮、通过支撑框与第二齿轮箱箱体内圆周固定连接的内齿轮，四颗均布的行星轮，各行星的转臂轴构成一套筒，并向第二齿轮箱箱体外伸出形成空套于左、右大锥齿轮转轴上的空心转轴，所述二级风轮、三级风轮分别连接于左右行星轮系的空心转轴上，并与一级风轮形成依次安装的风轮组。

一级驱动轮组经支架与所述“+”形承载转动架外端的底部连接，其滚轮外圆设有橡胶层；“+"形承载转动架的支架内侧面设有适配环形轨道弧度的槽钢，所述的二级驱动轮组竖直安装于槽钢内，该驱动轮组的滚轮上、下端设有挡圈；三级驱动轮组两侧轴段上设有支撑板，两支撑板之间设有由一层钢板及布于钢板上的橡胶垫构成的承重板。

本发明采用对称设置的齿轮传动机构，通过调节以便一、二级风轮顺时转，三级风轮逆时转，从而使得齿轮轴和轴承等支撑构件受力平衡、设备运转平稳、寿命延长。在设备承受强风时，设备能轻微倾斜抬起并得到缓冲，可有效保护回转装置。与现有技术相比本发明提高了对风能的利用率，发电机靠近第一齿轮箱并前配置高速惯性轮，能有效地稳定电机转速，提供稳定的电压，从而提高发电效益。

三、运用的原理及优点下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明

（一）运用原理：

1.运用框架，转化单叶撬力为钢结构拉力、框架顶力，能发展大形风轮，直径286.8米，单机容量3万千瓦以上，比目前国际上最先进，扫风面积最大直径92米，单机容量2750千瓦大9.7倍，按捕风面积大107倍，断估不止三万千瓦。

2.运用大角度风叶调节，从最大捕风45度至最小捕风10度，既能足够面积捕风又以最小面积抗台风，风力三级至十二级台风照常安全发电。增加最有效――满负荷发电时间。

3.运用多级，大小风轮转动线速一致（62米秒）增强捕风效能，前置风轮顺转，后置风轮逆转，扭力对消而集中，减少磨擦力和支架承受力。

4.运用承载转动，可设计大跨度（150米）“金字塔支架”支架前拉后顶旁撑，平衡加压，自动转向迎风等，坚固稳妥，生产安全。

5.运用自身结构，施工程序，解决起吊安装，实地力学检测等。

（二）经济效益：

1.施工方便，除传动装置，发电机需厂方定造外，全部直接在工地焊接完成。即刻可施工，第一部机组建造约需要一年，熟练后每部机组几个月可完成，每年增加人力资金翻倍增长，10年内可建造1023部。 施工结构设计，按风轮扫风面积64569平方米，叶片捕风面积20744平方米，挡风面积5927平方米，十二级台风秒速32.6米，压力81.6公斤每平方米。轮机受压力484吨，设计抗风1100吨（18级）材料全部采用国产普通钢材，价格便宜成本低，单机容量3万千瓦，每部投资五千四百万元，约是同容量成本四分之一（惠来石碑山风电投资七亿，总容量10万千瓦）。

2.中国风能资源丰富，未能大开发，能自由选择最好的地点，年有效风能达到5千―6千小时的地点优先建造前景宏观

3.风能属于绿色能源，是人类追求的最好能源，得到人类欢迎，国家制定了多种支持，优惠的政策，电力保证收购

4.生产安全、叶片设计大角度调节，达到捕风抗台风能力。

四、具体实施方式

图1示出了本发明较佳实施例的基本结构，所述的承载式框架多级风轮发电机， “+”形承载转动架上设有由顺序排列的顶力架、承载架和拉力架构成的支撑架，该支撑架的前后左右还配有副支撑架，即通过前拉后顶为主，左右傍撑为辅而形成“金字塔”状的副支撑架结构。上述支撑架顶端水平设有由多级不同直径的框架式风轮构成的风轮组，风轮组每一风轮如图1所示，风轮包括环形设置的多层次框架径向均布的稳定主力架和叶片架该风轮组.由同轴线依次安装的一、二、三级框架式风轮组成，叶片捕风面向顺时针安装。所有的叶片通过一中央控制器控制，所述中央控制器包括在每一风轮的一端设有通与外电源的导电环每一风轮靠中间位置设一电动齿轮液压泵通过管道带动置于稳定主力架与环形连杆连接的液压伸缩器通过环形连杆连动叶片。可根据风力调整叶片的迎风角度，调整角度为10度至45度，实现叶片最佳捕风角度和抗台风能力。由于内、外传动轴实际应用时，其长度导致加工难度大、安装不方便，本实施例中提出采用内、外传动轴分多段连接而成，每段间连接用卡环、套牙稳定。

第一齿轮箱包括：水平设于第一齿轮箱箱体内齿面相对同轴心的上、下大锥齿轮，上、下大锥齿轮之间设有与两者同时啮合的第一锥齿轮，上大锥齿轮安装于竖直插入第一齿轮箱7的外传动轴下端上、而下大锥齿轮安装于内传动轴的下端上。由于发电机转轴上设置了惯性轮，该惯性轮计算重量为八吨以配合重型风轮，通过运转惯性平衡稳定发电机的转速。

第二齿轮箱包括：竖直设于该箱体内的主传动轴，该主传动轴上端设有第二锥齿轮，下端穿出第二齿轮箱箱体与内传动轴的上端连接，第二齿轮箱底部设有与第二锥齿轮对称设置的并空套于主传动轴下端的第三锥齿轮，其下端伸出第二齿轮箱与外传动轴的上端连接。

本实施例中选用的行星轮系结构及安装，该行星轮系使用两套，分别对称设于左、右大锥齿轮的轮背。行星轮系包括：与第二齿轮箱内左、右大锥齿轮空心轴）固定套接的中心轮，通过支撑杆与第二齿轮箱箱体内圆周固定连接的内齿轮。由于内齿轮是固定轮，而中心轮与左、右大锥齿轮的空心轴固定连接，当二或三级风轮转动时，就会带动行星轮转动（自转同时公转）而驱动中心轮与左、右大锥齿轮一同转动。本实施例中，一级风轮直接安装于右大锥齿轮的空心轴上，二级风轮安装于右侧行星轮系的空心转轴上，右边的行星轮系采用2：l的传动比可以使得中心轮的转速和右大锥齿轮的转速相同，即可使得一、二级风轮驱动右大锥齿轮的转速是协调统一的。三级风轮安装于左侧行星轮系的空心转轴上，左边的行星轮系采用2.87：l的传动比可以使得左边中心轮的转速和左大锥齿轮的转速相同。

由上述的结构可知，各级风轮受风力作用而产生的转动通过第二齿轮箱中的左、右行星轮系和左、右大锥齿轮、第二、三锥齿轮3和主传动轴的传动，再经过相套的内、外传动轴传到第一齿轮箱中的上、下大锥齿轮，然后通过与其啮合第一锥齿轮转动发电机轴，发电机通过中心轴上设置的导电环将其产生的电流传输至电网，从而完成风能转换成电能的全过程。

如图l、所示，所述支撑架的迎风面上还安装有迎风指令装置，该装置可发送指令驱动回转装置而使“+”形承载转动架2在环形稳定框上转动，使风轮360度大范围的自动变换迎风角度，即使得风轮的迎风面尽可能正对风向，在“+”形承载转动架的迎风横梁的末端（右端），设有一平衡池以平衡风轮受力，避免风轮倾翻。

一级驱动轮组中的驱动轮为同轴双滚轮，其滚轮外圆周包有橡胶层，该驱动轮组经支架与所述“+”形承载转动架外端底部连接，并水平压放于环形稳定框外圈的下级阶梯平面上；二级驱动轮组竖直安装于槽钢内，该驱动轮组中的滚轮上、下端设有挡圈，其滚轮外圆面与环形轨道外圆面接触；三级驱动轮组水平放置在“+”形承载转动架上级阶梯平面上，也可以在该级阶梯平面上开设环形凹槽，使滚轮置于凹槽中做圆周运动。由于本发明外形较大，当风轮组受到突然强风吹袭时，“+”形承载转动架可以略微抬起倾斜，采用的回转装置就可给予“+”形承载转动架一定的上、下位移的空间，加上承重板上的橡胶垫和一级驱动轮组滚轮外的橡胶层起到减震的作用，这样可以避免风轮组受突然强风吹袭时，导致回转装置的损坏。

本发明采用框架式多级风轮结构，增强捕风能力，一、二级风轮顺时转，三级风轮逆时转，并优化齿轮结构组合，使得齿轮轴、轴承和支架等构件受力平衡、设备运转平稳、寿命延长。在设备承受强风时，设备能轻微倾斜抬起并得到缓冲，可有效保护回转装置。在施工程序上，设置全部风轮组靠地面平放焊接完成后，利用本身结构前拉力架为支撑点，用多部卷扬机上拉成立置安装到位，这一全过程也是实地力学检测过程，风轮计重1100吨，焊接时是平放，上拉安装到位是立置，能焊接完成、上拉安装到位，抗台风大于1100吨，保证生产安全。与现有技术相比本发明提高了对风能的利用率；发电机靠近第一齿轮箱并前配置高速惯性轮，能有效地稳定电机转速，提供稳定的电压，从而提高发电效益。

五、结论

上述实施方式是解决半个中国有风能未能有效开发利用而可惜的问题。我国虽然风能丰富，但风能不可以直接储存。所以大力开发风能，利用高效的风能转化设备，将风能造福于人类，这样就可以把越来越有限的煤等自然资源可以储存留给后代子孙是最好的节能减排。再加上此发明的风机有成本低、效益高、能调节、抗台风，保证生产安全。这就使得超大型高空风能得到利用，顺应了我们社会发展的方向与需求。

参考文献：

[1]《中国新能源》 作者：谢振才

[2]李俊峰；高虎；王仲颖2008中国风电发展报告 2008

[3]酒泉地区千万千万级风电基地建设工作会议在京召开 2008

作者简介：

孙娟（1985-）女，中国共产党员，现在内蒙古电力（集团）有限责任公司乌兰察布电业局从事电网监控工作。

蔡鹏（1986-）男，中国共产党员，2011年7月毕业于西安电子科技大学电气工程及其自动化专业，现在内蒙古电力（集团）有限责任公司乌兰察布电业局从事电网调度运行工作。