一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统的制作方法

1.本发明涉及海上风力发电装置技术领域，尤其是涉及一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统。


背景技术：

2.风电在能源结构中占有越来越大的份额。大规模陆上风电资源目前已得到较充分开发，海上风电开发方兴未艾。深远海风力资源丰富、风力稳定优质，但对海上风电机组和浮动平台、安装和运维等提出了更加严苛的技术挑战，对经济性和安全性提出了更高要求。
3.传统的水平轴风力发电机组已经难以应对深远海的严苛环境。大型水平轴机组的风轮、传动链和发电机以及控制系统可达数百吨重，结构上头重脚轻。机组置于高达百米的风塔上，而风塔又固定于运动的平台上，头重脚轻的结构特征提高了对浮式平台尺寸及重量的高要求，对机组和平台系统的稳定性形成挑战。如果进一步提高浮式平台的尺寸和改进结构，由于深远海平台成本占整个投资的40％以上，必将产生成本和效益的巨大压力，且随着机组容量提高，这个问题将更为严重。
4.垂直轴风电机组在海上风力发电领域展现出巨大的成本优势，包括：(1)在机组构型方面，垂直轴机组的传动链、发电机、控制设备以及其它辅助设备都置于平台上，结构低重心的特点极大降低了对浮式平台的要求，显著降低了浮式平台的成本；(2)随着升力型风轮的发展，能够保证垂直轴风力发电机的风能利用效率大大提高；(3)不需要对风偏航控制，不受风向影响，可最大程度利用风能；(4)h型大尺寸直叶片受重力弯矩影响小，相比于水平轴风机叶片设计简单，易于制造；(5)维护成本低，整个动力系统和大部分控制系统置于平台上，极大简化安装和维护作业。(6)垂直轴机组相对水平轴机组能够极大减重，符合浮式风电机组的技术发展趋势，提高了机组的市场竞争力。
5.垂直轴风力发电机根据其工作原理可以分为两种类型：阻力型风机和升力型风机。阻力型风机利用空气对叶片产生的阻力来发电。升力型风机则利用叶片产生的升力来发电，达里厄风机是其典型代表。达里厄风机的叶片设计通常包括φ型和h型两种，其中h型风机更适合作为大型和超大型风力发电机的结构方案。
6.目前针对10兆瓦级的海上浮式垂直轴风力发电机系统结构形式的可行方案甚少。根据大多数浮式垂直轴风力发电机专利技术，很难做到兼顾结构稳定可靠同时保证风力机风轮的气动效率，难以体现出垂直轴风力发电机在海上风力发电领域相比于水平轴风力发电机的技术优势。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，包括垂直轴风轮机构、置于浮体上的机舱和半潜式浮式平台机构，垂直轴风轮机构包括上轮
毂和下轮毂，上轮毂通过轮毂连接件与下轮毂连接，轮毂连接件环绕设置于锥型塔筒外，上轮毂通过上斜支撑与升力型直叶片连接，下轮毂通过下斜支撑与升力型直叶片连接，叶片变桨机构位于上斜支撑、下斜支撑末端，叶片变桨机构与升力型直叶片连接，上斜支撑之间通过上横拉杆连接，上轮毂通过下斜拉杆与下斜支撑连接，下轮毂与锥形塔筒连接，下轮毂与机舱内部连接，机舱固定设置在半潜式浮式平台机构之上。
9.优选的，锥形塔筒的顶端通过推力轴承和顶部径向回转支撑轴承与上轮毂连接。
10.优选的，下轮毂通过底部径向回转支撑轴承与锥形塔筒连接。
11.优选的，机舱的内部设置有储电电控部件和发电机，发电机与变速箱连接，发电机和变速箱设置在减振弹性支撑板上。
12.优选的，下轮毂的下端与传动齿轮组连接，传动齿轮组与变速箱连接，传动齿轮组的下方设置有机械制动锁紧结构。
13.优选的，机械制动锁紧结构包括制动盘，制动盘的上方设置有定位轴环，制动盘上设置有若干定位槽。
14.优选的，锥形塔筒的底部设置有用于夹紧制动盘的液压制动钳，锥形塔筒的底部设置有用于锁紧制动盘的锁紧定位柱，液压制动钳的上方和液压制动钳的下方均设置有肋板，肋板设置在锥形塔筒上。
15.优选的，锥形塔筒的底端设置有塔底螺栓孔，锥形塔筒通过螺栓与半潜式浮式平台机构连接。
16.优选的，锥形塔筒设置为分段型，每段锥形塔筒之间通过法兰连接。
17.优选的，半潜式浮式平台机构包括中部浮力舱，中部浮力舱通过桁架桥与压载舱，压载舱设置有三个，三个压载舱呈正三角形布置，中部浮力舱位于正三角形形心处，三个压载舱底部设置垂荡板与系泊缆绳。
18.因此，本发明采用上述结构的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，具有以下有益效果：
19.1、上横拉杆和下斜拉杆的结构使得风轮系统更加轻量化，机舱安装于浮式平台之上，有利于保持风电机组系统的低重心结构，降低对浮体的要求，同时保证了整体系统的稳定性；
20.2、上斜支撑和下斜支撑的结构大大降低了锥型塔筒的高度，使得锥形塔筒具有更好的刚度和承载能力，降低了锥型塔筒的成本；
21.3、升力型直叶片使风轮气动性能提高，叶片变桨结构优化了风力机在低于或超过额定风速时的气动效率；
22.4、机舱等大型部件置于浮式平台之上，便于安装、维护和检修。
23.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
24.图1为本发明一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统实施例的结构示意图；
25.图2为本发明图1的正视示意图；
26.图3为本发明图1的俯视示意图；
27.图4为本发明图2中b—b局部剖面图；
28.图5为本发明图2中c—c局部剖面图；
29.图6为本发明实施例的机舱内各部件布置示意图；
30.图7为本发明实施例的下斜支撑外形结构示意图；
31.图8为本发明图7中部分放大结构示意图；
32.图9为本发明实施例的锥型塔筒外形结构示意图；
33.图10为本发明图9部分放大结构示意图；
34.图11为本发明图9中e—e剖面图；
35.图12为本发明实施例的半潜式浮式平台机构示意图。
36.附图标记
37.1、升力型直叶片；2、上斜支撑；3、锥形塔筒；4、轮毂连接件；5、下斜支撑；6、叶片变桨结构；7、上横拉杆；8、下斜拉杆；9、上轮毂；10、下轮毂；11、机舱；12、半潜式浮式平台机构；12a、中部浮力舱；12b、压载舱；12c、桁架桥；13、垂荡板；14、系泊缆绳；15、传动齿轮组；16、变速箱；17、发电机；18、减振弹性支撑板；19、机械制动锁紧结构；20、储电电控部件；21、法兰；22、径向轴承支撑座；23、液压制动钳；24、锁紧定位柱；25、定位槽；26、制动盘；27、推力轴承；28、顶部径向回转支承轴承；29、底部径向回转支承轴承；30、定位轴环；31、肋板；32、塔底螺栓孔。
具体实施方式
38.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
39.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
40.实施例
41.图1为本发明一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统实施例的结构示意图；图2为本发明图1的正视示意图；图3为本发明图1的俯视示意图；图4为本发明图2中b—b局部剖面图；图5为本发明图2中c—c局部剖面图；图6为本发明实施例的机舱内各部件布置示意图；图7为本发明实施例的下斜支撑外形结构示意图；图8为本发明图7中部分放大结构示意图；图9为本发明实施例的锥型塔筒外形结构示意图；图10为本发明图9部分放大结构示意图；图11为本发明图9中e—e剖面图；图12为本发明实施例的半潜式浮式平台机构示意图。
42.本实施例所提供海上浮式10兆瓦级垂直轴风电系统的一种新型结构型式，适用于水深超过50米的深远海域，抗风等级14级和抗浪等级6级。
43.如图1-图3所示，本发明所述的一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，主要
包括垂直轴风轮机构、置于浮体上的机舱11和半潜式浮式平台机构12。
44.垂直轴风轮机构包括上轮毂9和下轮毂10，上轮毂9通过轮毂连接件4与下轮毂10连接。上轮毂9通过上斜支撑2与升力型直叶片1连接，下轮毂10通过下斜支撑5与升力型直叶片1连接，叶片变桨机构6位于上斜支撑2和下斜支撑5末端与升力型直叶片1连接配合。升力型直叶片1设置有三个，三个升力型直叶片1与布置在上斜支撑2、下斜支撑5末端的叶片变桨结构6配合固定。三个升力型直叶片1的作用是将风能转化为风轮旋转的机械能。叶片变桨结构6采用现有的结构。上斜支撑2、下斜支撑5内部采用桁架结构，外部采用蒙皮进行整流设计，其采用焊接的方式分别安装固定在上轮毂9、下轮毂10上。上斜支撑2、下斜支撑5分别固定在上轮毂9上、下轮毂10上，且同一轮毂上，每两斜支撑水平方向上投影的夹角为120
°
。
45.上斜支撑2之间通过上横拉杆7连接，上轮毂9通过下斜拉杆8与下斜支撑5连接。其中上横拉杆7将上斜支撑2顶端两两连接，下斜拉杆8将上轮毂9与下斜支撑5顶端两两对应进行连接。上横拉杆7和下斜拉杆8安装时施加预紧力，上横拉杆7、下斜拉杆8保证上斜支撑2、下斜支撑5因风轮自身结构重力产生的挠度处于合理安全范围。上轮毂9拉杆连接点、下斜支撑5顶端拉杆连接点与风轮旋转轴共面，且连接点设置在下斜支撑5顶部内部桁架的受力点处。
46.如图4-图5所示，上轮毂9与固定在锥形塔筒3顶部的推力轴承27和顶部径向回转支承轴承28配合连接，下轮毂10与固定在锥形塔筒3底部段的底部径向回转支承轴承29配合连接。其中推力轴承27固定在锥形塔筒3的顶部，它将主要承受整个风轮系统沿垂直轴向的分力；顶部径向回转支承轴承28与底部径向回转支承轴承29分别固定在径向轴承支撑座22上，主要承受风轮捕获风能转化为机械能，运转过程中由上轮毂9、下轮毂10传递径向载荷。上轮毂9、下轮毂10由轮毂连接件4进行连接，采用法兰21连接，从而保证上轮毂9、下轮毂10、上斜支撑2、下斜支撑5等结构为一个整体，保证上轮毂9、下轮毂10的旋转同步。轮毂连接件4根据实际运输、装配情况可采用分段结构，各段之间通过法兰21连接。
47.下轮毂10与机舱11内部连接，机舱11固定设置在半潜式浮式平台机构12之上。如图6、图7、图8、图10所示，机舱11的内部设置有储电电控部件20和发电机17，发电机17与变速箱16连接，发电机17和变速箱16设置在减振弹性支撑板18上。储电电控部件20采用现有的储电与电控装置。下轮毂10的下端与传动齿轮组15连接，传动齿轮组15与变速箱16连接，传动齿轮组15的下方设置有机械制动锁紧结构19。机械制动锁紧结构19包括制动盘26，制动盘26的上方设置有定位轴环30，制动盘26外环上设置有若干定位槽25。锥形塔筒3的底部设置有用于夹紧制动盘26的液压制动钳23，锥形塔筒3的底部设置有用于锁紧制动盘26的锁紧定位柱24。液压制动钳23的上方和液压制动钳23的下方均设置有肋板31，肋板31设置在锥形塔筒3上。
48.下轮毂10的下端连接空心轴，起到固定安装传动齿轮组15和制动盘26的作用。制动盘26固定在下轮毂10下端的空心轴上，制动盘26位于空心轴下端环状结构内环，定位槽25位于外环。传动齿轮组15由一对平行轴齿轮与一对锥齿轮组成。其中传动齿轮组15通过空心轴上的定位轴环30进行轴向定位，再通过键进行周向固定，从而传递上轮毂9、下轮毂10的扭矩到传动齿轮组15。接着通过变速箱16进行增速或者减速，变速箱16通过传动轴连接发电机17，发电机17将机械能转化为电能，通过变压等系统，经过电控装置，最终汇入电
网。
49.变速箱16与发电机17等对振动敏感部件布置安装在减振弹性支撑板18上，减振弹性支撑板18通过螺栓连接的方式固定在浮式平台上。减振弹性支撑板18采用现有的减震器实现减震作用。
50.如图11所示，锥形塔筒3的底端设置有塔底螺栓孔32，锥形塔筒3通过螺栓与半潜式浮式平台机构12连接。如图9所示，锥型塔筒由低到高分为5段，其壁厚由强度和抗弯计算确定，并满足制造与加工要求。锥形塔筒3内部可以采用桁架结构支撑，以保证锥形塔筒3结构具有足够的刚度。锥型塔筒由低到高分为1-5段，其中第1段外形为直圆筒，没有锥度。如图11所示，第1段塔筒底端呈环状向内、外扩展适当距离，环面上螺栓孔呈三列圆周排布，与位于半潜式浮式平台机构12上的螺栓配合固定，从而保证浮体与风轮系统的一体性。第1段塔筒底部偏上处设置一大一小两环状结构，大环状结构下方和小环状结构上方沿筒壁周向布置肋板31。两环状结构作用在于安装布置液压制动钳23和锁紧定位柱24，其中液压制动钳23为四对，每对制动钳等间距固定在两环状结构内圈，锁紧定位柱24固定在下环状结构的外圈。
51.垂直轴风轮制动停机时，首先通过叶片变桨结构进行气动刹车，等风轮转速低于设定转速度后进行机械制动，液压制动钳23夹紧制动盘26，产生阻止风轮旋转的摩擦力矩，直到风轮停转，最后锁紧定位柱24弹出与定位槽25配合锁紧，将风轮固定，以实现风机停机。锁紧定位柱24采用现有的液压装置以实现其弹出与缩进的功能。第2-5段外形为锥形圆筒，由抗弯计算确定合适的锥度。第1段与第5段设置径向轴承支撑座22，作用是定位和固定径向回转支承轴承。锥型塔筒分段之间通过法兰21进行连接装配。
52.如图12所示，半潜式浮式平台机构12包括中部浮力舱12a，锥型塔筒与机舱11安装在中部浮力舱12a的平台上。中部浮力舱12a通过上下桁架桥12c与压载舱12b连接，以保证整个浮式平台系统的一体性。压载舱12b设置有三个，三个压载舱12b呈正三角形布置，中部浮力舱12a位于正三角形形心处。三个压载舱12b底部设置垂荡板13与系泊缆绳14。位于正三角形顶点处的三压载舱12b底部设置垂荡板13，其作用是减小浮式平台的大幅运动，提高浮式平台稳定性，系泊缆绳14设置在三个压载舱12b底部。
53.因此，本发明采用上述结构的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，相比水平轴风电系统，具有重量轻、重心低、安装维护便捷、度电成本低等显著优点，有望成为深远海风力发电的重要装备。
54.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：包括垂直轴风轮机构、置于浮体上的机舱和半潜式浮式平台机构，垂直轴风轮机构包括上轮毂和下轮毂，上轮毂通过轮毂连接件与下轮毂连接，轮毂连接件环绕设置于锥型塔筒外，上轮毂通过上斜支撑与升力型直叶片连接，下轮毂通过下斜支撑与升力型直叶片连接，叶片变桨机构位于上斜支撑、下斜支撑末端，叶片变桨机构与升力型直叶片连接，上斜支撑之间通过上横拉杆连接，上轮毂通过下斜拉杆与下斜支撑连接，下轮毂与锥形塔筒连接，下轮毂与机舱内部连接，机舱设置在半潜式浮式平台机构之上。2.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：锥形塔筒的顶端通过推力轴承和顶部径向回转支撑轴承与上轮毂连接。3.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：下轮毂通过底部径向回转支撑轴承与锥形塔筒连接。4.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：机舱的内部设置有储电电控部件和发电机，发电机与变速箱连接，发电机和变速箱设置在减振弹性支撑板上。5.根据权利要求4所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：下轮毂的下端与传动齿轮组连接，传动齿轮组与变速箱连接，传动齿轮组的下方设置有机械制动锁紧结构。6.根据权利要求5所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：机械制动锁紧结构包括制动盘，制动盘的上方设置有定位轴环，制动盘上设置有若干定位槽。7.根据权利要求6所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：锥形塔筒的底部设置有用于夹紧制动盘的液压制动钳，锥形塔筒的底部设置有用于锁紧制动盘的锁紧定位柱，液压制动钳的上方和液压制动钳的下方均设置有肋板，肋板设置在锥形塔筒上。8.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：锥形塔筒的底端设置有塔底螺栓孔，锥形塔筒通过螺栓与半潜式浮式平台机构连接。9.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：锥形塔筒设置为分段型，每段锥形塔筒之间通过法兰连接。10.根据权利要求1所述的海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，其特征在于：半潜式浮式平台机构包括中部浮力舱，中部浮力舱通过桁架桥与压载舱，压载舱设置有三个，三个压载舱呈正三角形布置，中部浮力舱位于正三角形形心处，三个压载舱底部设置垂荡板与系泊缆绳。

技术总结
本发明涉及海上风力发电装置技术领域，且公开了一种海上浮式10兆瓦级垂直轴风力发电系统，包括垂直轴风轮机构、置于浮体上的机舱和半潜式浮式平台机构，垂直轴风轮机构包括上轮毂和下轮毂，上轮毂通过轮毂连接件与下轮毂连接，轮毂连接件环绕于锥形塔筒外，上轮毂通过上斜支撑与升力型直叶片连接，下轮毂通过下斜支撑与升力型直叶片连接，叶片变桨机构位于上、下斜支撑末端与升力型直叶片连接，上斜支撑之间通过上横拉杆连接，上轮毂通过下斜拉杆与下斜支撑连接，下轮毂与机舱内部连接，机舱设置在半潜式浮式平台机构之上。本发明采用上述结构的风力发电系统，相比水平轴风电系统，具有重量轻、重心低、安装维护便捷、度电成本低等显著优点。等显著优点。等显著优点。


技术研发人员：刘占芳 陈宇康 董晔弘 刘牛 张浩 程志龙 何涛 段连龙
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团海装风电股份有限公司
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/8/24