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风电大变革即将来临

北极星风力发电网  来源:北极星风力发电网    2019/8/19 9:17:55  我要投稿  

北极星风力发电网讯:决定风力发电效率的关键是叶轮效率,如果能将风轮扭矩提高几倍?

对于风力发电来说将是一场革命。现有三叶片风力发电机的叶尖部分(如左下图),虽然仅占整体叶片长度的20%,但是它所产生的升力既可达到整体叶片的50%(杠杆原理)。假设将叶片全部变为多个只有几平方米的小叶尖,叶轮扭矩(根据轮径不同)至少提升100%以上。(如右下图)

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(图1) 三叶片结构 (图2)全叶尖结构

通过以上两图对比:叶尖位置均在叶轮最边沿,但是叶尖面积及数量确倍增了。显而易见,叶轮扭矩自然也会倍增。这不是天方夜潭!实验机已经证实了这一设计可行性,轮径相同,扭矩倍增。

风轮结构:安装在主轴前端的两片碟状法兰,利用斜拉索交叉牵引V形轮缘内侧,形成轮体。然后将多个只有几平方米的小叶片(叶尖),均布在V形轮缘上,形成单支撑、水平轴、全叶尖叶轮。如:图3所示。

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图3 全叶尖叶轮结构图 图3-1局部放大图

效率倍增的科学依据:全叶尖结构的轮缘周长是现有三叶片轮毂的几十倍,可设置叶片空间大、数量多(等于增加了动力)。同时叶片设置在轮缘上,距中心轴距离远(又等于延长了动力臂)。物理学杠杆定理是:动力×动力臂=阻力×阻力臂。

虽然全叶尖结构的叶轮风载比三叶片风轮大几倍,可靠性是毋庸置疑的。因为,全叶尖叶轮支撑结构是:法兰与轮缘之间是利用斜拉索(钢缆)以放射状交叉牵引的双支撑结构,是抗拉强度。而三叶片则是将叶根安装在轮毂上的单支撑结构,是抗弯曲强度。道理很简单,一根筷子可轻易掰断,要想拉断确很难,存在着天壤之别。用钢缆双支撑结构,取代了三叶片靠叶根和叶中的过渡支撑,叶轮可靠性大幅度提升。决定风力发电效率的关键是叶轮效率,应成为创新的主体。据说,额定功率14mw的叶轮轮径达到200多米。如果采用相同轮径的全叶尖叶轮,可靠性高,扭矩可提高100%以上,单机容量可突破30mw。单支撑的三叶片放大己接近极值,必须另辟蹊径。

变桨结构:设置在V形轮缘上的叶片具有双轴变桨功能。如:图3-1局部放大图所示其中,一轴调整叶片攻角,另一轴可使叶片与轮缘处于合二为一的闭合状态。叶片全部闭合时只有1~2厘米左右的(截面)厚度,叶轮基本上只是轮体框架。双轴变桨功能,实现了可根据空气密度、风速调整出力叶片多少,在启动风速、满负荷风速、与切岀风速之间大范围优化控制,可利用小时更长。适用于高风速及低风速多种风力发电场所。

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图4

传动结构:如图4所示,主轴经过双轴承支撑,中间直驱一台永磁发电机,再利用主轴未端的内齿圈与外齿轮轴啮合。由于齿轮轴的齿数比内齿圈齿数少,因此,实现了传动扭距和增速的双重目的。只有全叶尖叶轮扭矩倍增及传动方式,才可以半直驱第二台发电机。实现了一个叶轮可同时直驱、半直驱两台发电机。从而解决了永磁直驱发电机机舱配重不均前倾、单一发电机极对多、体积大的问题。

偏航方式:根据滚动摩擦力与滚动体半径相关,(也是杠杆原理)釆用自驱式滚动轮偏航装置。

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图5 偏航装置示意图

它改变了现有偏航轴承采用的内齿圈或外齿圈中间滚动体的结构,也改变了只能安装在塔筒最顶端,着力点集中的弊端。具体实施方案是:在塔筒上段的内、外壁上分别固定承重圈、限位圈,其中,带有驱动电机的滚动轮轮缘的下踏面在承重圈上滚动、滚动轮轮缘的上踏面在倒凹字形轨道内滚动并承载机架及之上载荷,所述滚动轮中间设置驱动电机。形象的比喻:承重圈如同轴承下圈,倒凹字形轨如同轴承上圈,多个可驱动的滚动轮如同滚动体。无需再用电动机齿轮轴与齿圈啮合的偏航方式。其中,塔筒与套筒之间的限位圈及限位轮、斜置限位轮等,将轴向、径向、倾覆力矩等综合载荷分解至上段塔筒内、外壁多处。具有稳定性好、工况要求低、造价低、载荷大的特点。

轴承解决方案:根据滚动摩擦力与接触面积大小无关,不管是点、线、面接触只跟滑动摩擦系数和正压力有关。因此,本专利主轴、从动轴,均釆用无滚动体的适应低速、重载、抗冲击、可调心的关节滑动轴承。关键在于:轴颈和轴瓦是在存油型轴承座内的润滑油中滑动。因滑动轴承没有滚动体和保持架,摩擦阻力小且不易产生高温。每转动一圈均有完整、足够的油膜厚度,(0.05mm-0.1mm)消除了轴颈与轴瓦两摩擦表面的直接接触,还具有吸振、低噪声、使用远远超出整机全生命周期。其中,变桨只需小型轴承。偏航釆用可自驱动滚动轮结构。全部解决了现有风机轴承使用中出现的难题。

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图6:关节滑动轴承图片

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