[实用新型]水平轴多叶式风力机风能变水能发电系统

说明书

本实用新型属于风能发电领域，尤其涉及一种水平轴多叶式风力机风能 变水能发电系统。

现行的水平轴多叶式风力机为低速风力机，它在低风速时低速运行，常 用于风力提水等作业。由于转速低，而发电机又要高转速，如果用于发电需 配很大升速比的升速器才能在理论上与发电机相匹配，这种大升速比的升速 器传动效率很低，甚至会锁死，不能用于发电。现行的高速风力机采用大升 速比的升速器，其效率只有0.73(见风能与风力发电技术第145页)而且故 障多，由于其大而笨重，安装高度达100米，制造安装费用高，又由于风速 风向多变，运行中反复调向、停机、制动，风能得不到充分利用。控制系统 很复杂。

本实用新型的目的在于提供一种水平轴多叶式风力机风能变水能发电 系统，由于水平轴多叶式风力机转速低，扭力大(功率P＝FV、F-作用力，V 速度)，其可输出较恒定的大扭矩做功，(P＝Mω、M-转矩，ω角速度)，因此 其可用于风电场开发利用中、低风层的风能，将现有的高速风力机未能捕获 利用的低层风能利用起来发电。

本实用新型的目的是这样实现的：水平轴多叶式风力机风能变水能发电 系统(以下简称本系统)由水平轴多叶式风力机(以下简称多叶式风力机)、 低速活塞式高压水泵(以下简称高压水泵)、单机蓄能器、总蓄能器、水轮 机、发电机、单机水箱、总水箱、单向水泵、止回阀、电动阀、高压水泵总 吸水管路、高压水泵总出水管路、有三条通道的回转接头(以下简称回转接 头)、总蓄能器进水管路、总蓄能器出水管路、高压水泵接漏盘泄水管路、 管路加热器、粗过滤器及多段输水管路依特定顺序组装而成。高压水泵总吸 水管路下分初循环吸水管支路和正常运行吸水管支路，初循环吸水管支路之 吸水管口接单机水箱，由单机水箱向高压水泵方向依次装有粗过滤器、止回 阀、电动阀、单向水泵，在单向水泵和电动阀之间又接一分路，分路管口接 单机水箱，依次装有粗过滤器、止回阀、管路加热器、电动阀；正常运行吸 水管支路管口接单机水箱，依次装有粗过滤器、止回筏、电动阀，支路上电 动阀之前又装一分路，管口接单机水箱，依次装有粗过滤器、止回阀、管路 加热器、电动阀。回转接头上、下接通高压水泵总吸水管路、高压水泵总出 水管路及高压水泵接漏盘之泄水管路。高压水泵总出水管路上依次装有回转 接头、电动阀、止回阀、单机蓄能器，单机蓄能器后有二条分路，其一条分 路为总蓄能器进水管路，分路中装一电动阀，另有多条相同的装有电动阀的 并联分路与总蓄能器相接通；总蓄能器出水管路装一电动阀，并与水轮机进 水管路接通；另一条分路上装一电动阀，并与水轮机进水管路接通，还有多 条并联的分路也装有电动阀与水轮机进水管相接通；水轮机出水管接总水 箱，总水箱与单机水箱接连通管；高压水泵下部装高压水泵接漏盘，并有管 路通到单机水箱；水轮机输出轴与发电机主轴相接联。在总蓄能器和单机蓄 能器上，均装有带远程发送器的指针压力表、空气压缩机、空气过滤器、液 面计。本系统启动的程序是：(见图1、图2)(启动前所有的电动阀处于关 闭状态)打开初循环吸水管支路27之电动阀26和高压水泵总出水管路30 之电动阀31、单机蓄能器4出水管分路之电动阀35、启动单向水泵28、水 即由单机水箱19经粗过滤器7″′、止回阀40、电动阀26、单向水泵28、支 路27、高压水泵总吸水管路29、回转接头3流至高压水泵2，多叶式风力机 带动高压水泵2，将水压向回转接头3、高压水泵总出水管路30、电动阀31、 止回阀32、单机蓄能器4、单机蓄能器出水管路33、单机蓄能器出水管分路 电动阀35、分路36、水轮机进水管路39、驱动水轮机8带动发电机9发电。 经水轮机8泄能的水流至总水箱18，完成单机初循环运行程序。此时打开电 动阀24、关闭电动阀26和单向水泵28、水即从单机水箱19、经粗过滤器7 ″、止回阀20′、电动阀24、支路25、高压水泵总吸水管路29、回转接头 3。多叶式风力机1带动高压水泵2，将水压向回转接头3，高压水泵总出水 管路30、电动阀31、止回阀32、单机蓄能器4、单机蓄能器4之出水管分 路电动阀35、分路36、水轮机进水管路39驱动水轮机8带动发电机9发电， 经水轮机8的泄能水注入总水箱18、总水箱18的水经管路6流至单机水箱 19、完成单机正常运行程序。当风大时，有多余的水能需要蓄存时，打开总 蓄能器5进水管分路的电动阀34，(多机并联时打开电动阀34′)调节流量， 将多余的水能蓄存在总蓄能器5中；当风小水能不足时，打开总蓄能器5出 水管路37中的电动阀38，总蓄能器5所蓄之水能经总蓄能器出水管路37、 电动阀38补充到水轮机进水管路39驱动水轮机8带动发电机9发电。当需 多台单机并联发电时，打开多台并联管路相同的电动阀35′进行相同的操作， 即实现多台单机并联发电运行程序。高压水泵下所装接漏盘泄水管路45，将 漏水流至单机水箱19。为了预防本系统在寒冷地区结冰，如果初循环需加热， 则打开电动阀44、关闭电动阀26，水由单机水箱经粗过滤器7″″、止回阀41、 经管路加热器42加热的水经分路43、电动阀44供初循环使用；如果正常运 行循环需加热，则关闭电动阀24、打开电动阀23、水由单机水箱经粗过滤 器7′、止回阀20、经管路加热器21加热的水经分路22、电动阀23向系统 供热水防止系统结冰。若本系统用于不冰冻地区，则去除分路43和22及所 装之粗过滤器7″″、7′，止回阀41、20，管路加热器42、21，电动阀44、23。 当单机蓄能器4及总蓄能器5的压力低于设定值时，带远程发送器的指针压 力表16及13发出信号，启动空气压缩机15及12，空气经空气过滤器14 及11向单机蓄能器4及总蓄能器5充气；同理当液面高于液面计17及10 所控制液面时，液面计亦发出信号进行同样充气程序。本系统具有单机运行 发电功能结构，也具有多机并联运行发电功能结构，具有风大时蓄能、风小 时补能发电的功能结构。本系统除水平轴多叶式风力机以外的其它各部件均 可由市场专业提供。当本系统用于不冰冻地区且只作单机运行，高压水泵的 安装度超过10米时，本系统作适当的调整变更为I型子系统如图3、图4(本 图的件号右边括号内的数字为图1、图2中的件号)高压水泵总吸水管路由 初循环吸水管支路和正常运行吸水管支路组成，二支路之吸水管口均接水 箱，由吸水管口向高压水泵方向：初循环支路依次装有粗过滤器、止回阀、 电动阀、单向水泵；正常运行循环支路依次装有粗过滤器、止回阀、电动阀， 二支路接高压水泵总吸水管路，回转接头上、下接通高压水泵总吸水管路， 高压水泵总出水管路及高压水泵接漏盘泄水管路；高压水泵总出水管路上依 次装有回转接头、电动阀、止回阀、蓄能器一、电动阀、蓄能器二、电动阀、 水轮机进水管路、水轮机，水轮机出水管接水箱，在蓄能器一之后接一支路 与水轮机进水管路接通，该支路上装一电动阀。高压水泵下接漏盘泄水管与 水箱接通，在蓄能器一和蓄能器二上均装有带远程发送器的指针压力表、空 气压缩机、空气过滤器、液面计。此I型子系统可将各部件缩小到合适尺寸 安装在钢筒塔架及机舱内。当本系统用于不冰冻地区、且只作单机运行、高 压水泵的安装高度低于10米时，本系统作适当的调整变更为II型子系统， 如图5、图6(本图件号右边括号内的数字为图1、图2中的件号)高压水泵 的吸水管口接水箱，向高压水泵方向依次装粗过滤器、止回阀、电动阀。回 转接头上、下接通高压水泵总吸水管路，高压水泵总出水管路及高压水泵接 漏盘泄水管路。高压水泵总出水管上依次装有回转接头，电动阀、止回阀、 蓄能器一、电动阀、蓄能器二、电动阀、水轮机进水管、水轮机，水轮机出水 管接水箱，在蓄能器一之后接一支路与水轮机进水管接通，该支路上装一电动 阀。高压水泵接漏盘泄水管与水箱接通。在蓄能器一和蓄能器二上均装有带远 程发送器的指针压力表、空气压缩机、空气过滤器、液面计。此I I型子系统 可将各部件缩小到合适尺寸安装在钢筒塔架及机舱内。水平轴多叶式风力机是 本系统最关键的部件，水平轴多叶式风力机之叶片与轮毂组成叶轮，轮毂之 底板以螺栓与主轴相安装，主轴装滚动轴承安装在主轴座内，主轴座及高压 水泵以螺栓安装在水平轴多叶式风力机底板上，联轴器将高压水泵动力输入轴与 主轴相联，将水平轴多叶式风力机所捕获之风能传送至高压水泵转换为水能，将 水压向回转接头，高压水泵总出水管路、电动阀、止回阀、单机蓄能器、单机蓄 能器出水管路，单机蓄能器出水管分路电动阀、分路及水轮机进水管路，驱动水 轮发电机组发电，多条装有电动阀的并联分路向水轮机进水管输送高压水驱动水 轮发电机组，实现多机并联发电；轮毂为正n边形，其有n根叶片主梁安装在边 数为n的正多边形轮毂板和轮毂内板孔内，n个斜面滑套以螺栓安装在n块轮毂 板上，斜面滑套中心到叶片主梁中心距离为R，以R为半径所划的弧线上开有d1、 d2、d3三个制动钢球定位套底孔，分别安装内径为d1、d2、d3三个定位套，d1 ＜d2＜d3，d1为叶片正常工位时制动钢球定位孔，d2为叶片失速时变桨距角调 节时制动钢球定位孔，d3为暴风时安全保护叶片制动钢球定位孔，内径为d3之 定位套称为斜面滑套，斜面滑套内装有斜面滑块和压力弹簧，并在斜面滑套内圆 孔口处安装内卡簧以限制斜面滑块弹出斜面滑套。多叶式风力机主轴穿过轮毂底 板孔以螺栓相安装。n个楔块滑座以螺栓安装在轮毂底板上，楔块滑座中心到主 轴中心距离为R₁(见图7、图13)，楔块滑座内装刹车制动楔块和压力弹簧，刹车 制动楔块之左端是楔形制动面，右端是斜面，刹车制动楔块与斜面滑块二者中心 线垂直相交，二者之斜面过交点相结合，二者之斜面与其自身轴心线夹角分别为 60°、30°。锥形盖以螺栓安装在轮毂端面上。多叶式风力机重心处底板上开一 孔，在底板下平面上与孔同心安装调向轴承，调向轴承外圈上端面有螺孔，以螺 栓相安装。主轴座下部侧壁开有过人孔，以螺栓安装在底板上平面多叶式风力机 纵向重心处，其两端内孔装轴承，其右端以螺栓安装有带刹车制动环槽之半径为 R₁的轴承盖，轴承盖与轮毂底板相对开有过人孔，刹车制动楔块之左端楔形制动 面与轴承盖之刹车制动环槽实现安全刹车制动。主轴座之左端装轴承盖。高压水 泵以螺栓安装在底板之上平面上，其下装有防漏接盘。联轴器将高压水泵之动力 输入轴与主轴相连。制动器转动盘与主轴相联，制动盘与主轴座以机构相联。调 向轴承防尘罩与调向轴承同心，以螺栓安装在底板下平面上。回转接头上、下连 接高压水泵总吸水管、高压水泵总出水管、高压水泵接漏盘泄水管。n个叶片与 轮毂组成叶轮，叶片端板上有孔，数块叶片筋板上亦有同心孔，穿过各同心孔将 叶片安装在叶片主梁上，叶片可绕叶片主梁转动一定角度。在n块叶片端板之内 侧平面上，装有n套钢球制动器，n个制动钢球座以螺栓安装在n块叶片端板上， 制动钢球座中心到叶片主梁中心距离为R，制动钢球座内装有制动钢球和压力弹 簧，压力弹簧调节螺塞旋在制动钢球座上。机罩以螺栓安装在底板上平面上。叶 片安装套的内孔穿装在叶片主梁所焊之同心套之外圆柱面上，(见图19、图20、 图21、图22)其外圆柱面上装推力轴承，穿装在叶片端板和轮毂板之孔内，以 双螺母调装锁紧，使叶片端板能绕其转动，并与轮毂板有一定相对滑动间隙。螺 母下装垫圈。径向穿过螺母和叶片安装套、同心套及叶片主梁钻一销孔并穿装一 销，防止螺母在叶片主梁上转脱，在双螺母端面上轴向钻孔并穿透轮毂板，孔内 装销，防止叶片主梁转动，叶片主梁还穿过轮毂内板之孔以轴肩定位，并在轮毂 内板两侧以双螺母锁紧，与上述同样钻孔装销，防止叶片主梁转动及甩出轮毂内 板之安装孔。叶片玻璃钢内预埋件，其有内、外螺纹，外螺纹埋在玻璃钢内，与 叶片端板沉孔内安装的螺栓相旋装，将叶片与叶片端板装固。在叶片端板和轮毂 板的相应位置上开有安装维修过人孔。扭力弹簧之一端钩头插在叶片主梁上钻的 孔内，另一端弯钩圈套在压力弹簧导向杆上。重锤外圆柱面上纵向对称有二凸轮 槽，其纵向中心之孔穿装在叶片主梁上、二个侧孔穿装在二根压力弹簧导向杆上， 压力弹簧导向杆之一端螺纹旋装在叶片端板上螺孔中，另一端穿过叶片筋板之孔 以双螺母锁紧，在压力弹簧导向杆上，还装有压力弹簧之压力调节双螺母，当弹 簧力调节好后，锁紧在压力弹簧导向杆上。滑动轴承内孔穿装在叶片主梁上焊装 的同心套之外圆柱面上，滑动轴承外圆柱面穿过筋板50之孔以螺栓安装在筋板 上，在筋板51、52、53上安装同样的滑动轴承，在叶片主梁上相应处焊装同样 的同心套，在上述筋板上还开有过人孔。滚动轴承之轴以螺纹旋装在叶片主梁螺 孔内焊固，其装之滚动轴承以双螺母锁紧，以带翅垫圈防松，二个滚动轴承之外 圈在凸轮槽之测壁上滚动。弹性橡胶圈以内孔套装在叶片主梁上，防止产生碰撞 声，重锤轴向位置调节套和调节螺母套装在叶片主梁外圆柱面上，二者之外螺纹 和内螺纹相互旋合，实现重锤轴向位置调节。重锤轴向定位挡圈套装在叶片主梁 上，并钻径向孔穿装销，以双螺母锁紧。当风速达到使叶片失速、叶轮转速加快 时，使重锤原来的离心力和压力弹簧的支承弹力失去平衡，离心力加大而压缩压 力弹簧，重锤产生轴向位移，使滚动轴承在凸轮槽侧壁上滚动，由于滚动轴 承之轴与叶片主梁固定，而叶片主梁又与轮毂板和轮毂内板固定，所以重锤 被扭转一个角度，并通过二根压力弹簧导向杆带动叶片端板与叶片转动一个 角度。叶片端板转过一个角度的同时，制动钢球由d₁孔转落到d₂孔，叶片从 失速状态转为变桨距角调节状态；当风速变小时，在扭力弹簧和压力弹簧的反 向作用下，重锤及叶片端板反转一个角度，制动钢球回落到d₁孔，叶片回到正 常工况。当发生暴风时，叶轮转速加快，重锤的离心力更大，压力弹簧被压缩 更多，重锤被扭转一个更大角度，制动钢球滑出d₁孔、滑过d₂孔而落入到直径 大的d₃孔内实现制动钢球制动。在n套钢球制动器内压力弹簧的推动下，制动 钢球落入d₃孔的同时向下推动斜面滑块在斜面滑套内下移，通过斜面推动刹车 制动楔块左移，制动在主轴座右端所安装之轴承盖之环形槽内，实现了两种 方式同时制动，使风力机得以安全制动。当风速降低时，叶片在扭力弹簧和 压力弹簧的作用下，重锤及叶片端板反向回转一个角度而带动叶片反向扭转 一个角度，制动钢球滑出d₃孔而落入d₂孔，风速再降低时，则制动钢球落入 d₁孔而恢复多叶式风力机正常工况。多叶式风力机自动实现了失速状态下变 桨距角调节的功能和安全保护的功能。刹车盘之刹车槽与调向轴承同心，其 上平面与调向轴承之内圈下端面以螺栓相安装，其下平面与钢筒塔架之法兰 以螺栓相安装。刹车楔块滑动在套内，套左端法兰孔以螺栓将套安装在套座 内，套座以螺栓安装在尾舵矩形管内，套内装有压力弹簧，压力弹簧将刹车 楔块推向刹车槽，实现多叶式风力机对风向后制动定位，刹车楔块之左端螺 孔中装有螺杆。V形斜面滑块由V形斜面块和侧板及滑块体组装而成，侧板 以螺栓装在滑块体上，V形斜面块以螺栓装在侧板端面上，滑块体在座内滑 动，其右端装一螺杆与刹车楔块左端之螺杆保持同心以螺套相连，并以螺母 锁紧，座以螺栓装在尾舵矩形管内，座之上平面以螺栓装盖。在尾舵矩形管 二侧壁上装有调节摆块摆动量的调节螺钉，并以螺母锁紧，摆块左端槽内以 螺栓安装尾舵，摆块以轴和套装在尾舵矩形管内，尾舵矩形管以螺栓装在底 板之下平面上，摆块右端有槽，斜面块滑动在槽内，槽内装有轴承，轴承装 在轴上，轴承内圈两端加垫片，穿装在轴上，轴压装在摆块之轴孔内。当有 侧风吹向尾舵时，在风力的推动下，摆块绕轴转动一个小角度而被调节螺钉 限位，此时轴承之外圈在斜面块之斜面上由斜面低位向斜面高位滚动而产生 拉力，滑块体被向左拉动，通过二根螺杆和螺套拉动刹车楔块左移，松开刹 车制动状态后，尾舵被侧向风力通过尾舵矩形管使底板带动多叶式风力机以 调向轴承为回转中心转动一个角度，使叶轮与风向垂直迎风。此后尾舵与风 向平行而无侧向风力，在压力弹簧的作用下，刹车楔块右移，制动在刹车盘 之刹车槽内，同时拉动滑块体，使轴承在斜面块之斜面上滚动回斜面低位(即 原位)尾舵处于中间位正常状态。在尾舵矩形管上平面开有安装维修工艺孔， 并以螺栓安装盖板。钢筒塔架下部开有门和出管孔，钢筒塔架内壁焊装有 形梯，钢筒塔架以预埋螺栓安装在地基上。市场已有小型水轮发电机组(杭 州亚太地区小水电研究培训中心设计有300W、600W、1000W几种机型。此外 北京华水水利水电技术开发公司、昆明电机厂、四川大邑县水轮机厂等也都 产生了同样的微型水电机组，其容量大的可达10Kw以上。)(摘自莫让江河 空自流书)相信与本实用新型相匹配的数十、数百千瓦级的机组更可设计制 造。由于采用上述方案，使原不能用于发电的水平轴多叶式风力机可以用于 发电，并以其为主体组成了水平轴多叶式风力机风能变水能发电系统，使现 有的高速风力机未能捕获的低层风能得到利用，并具有下述10项优点：1、 多叶式风力机启动风速低、转速低、转矩大、在低风速时仍有较大的扭矩输 出；2、多叶式风力机不需要特殊的升阻比(如叶片为弯板形状)，本系统设 定的多叶式风力机能自动变桨距角调节，不需要复杂的变桨距角调节机构； 3、不需要复杂的电力、电子控制器；4、不需要复杂的液压制动机构，不会 因为风向、风速的多变而反复制动、启动、停机、浪费风能；5、本系统设 定的多叶式风力机具有自动变桨距角调节、自动对风向、自动刹车制动机构， 本系统具有高风速时蓄水能、低风速时补充水能的功能结构；6、现有的高 速风力机用高升速比的升速器传动发电机，其功率系数是0.73，(摘自风能 与风力发电技术书第145页：发电机和变速箱的功率系数0.73。)本系统将 风能变为水轮发电其效率为：柱塞式高压水泵效率为0.9(见太原矿山机器 厂生产的ZB型轴向柱塞泵技术规格表)，活塞式高压水泵效率亦应为0.9， 水轮发电机的效率为0.96(摘自“莫让江河空自流书第124页表5-1)本系 统之管路损失0.1，本实用新型系统总效率为(0.9-0.1)×0.96＝0.768，不 低于现行的高速风机的效率；7、本系统将多台水平轴多叶式风力机并联、 集中用大功率水轮发电机发电，有利于提高能量利用率，且水可以循环利用， 不浪费水；8、本系统水平轴多叶式风力机与现行的高速风力机相比，结构 简单，制造安装容易、实施费用低、经济性好；9、本系统容易实现集中控 制；10、本系统开发利用了低层风能，提高了风能利用率。