[发明专利]水平轴无扭缆风力发电机

说明书

技术领域

本发明属于动力工业风力机械技术范围，是一种新型的水平轴风力发电机。

技术背景

当前世界上大型并网风力发电机主要是水平轴风力发电机。它自风轮至发电机的主驱动链都安装在机舱的底盘上。为了有效地捕获风能，需要机舱(主动或被动)偏航(即绕塔架轴线旋转)使风轮对风。当风向变化时，机舱自动偏航使风轮对准风向。偏航时，机舱与塔架间的电缆(含信号缆)随着转动，但电缆的另一端固定，故电缆有相对角位移；因此，原来按一定距离排列的电缆，像麻绳一样呈螺旋状绞在一起，并引起轴向缩短，称扭缆。扭缆会引起很多不良后果：其一，电缆须在机舱端悬挂点(图5件501)以下留出足够长的自由段(图5件502)，其长度要比悬挂点到固定点间的距离长很多(如图5双实线示)；避免电缆因扭缩短时拉断。这增加了电缆的消耗量，也增加电缆的电损耗。其二，电缆绞在一起后，电缆的散热面积大大减小，使电缆，尤其是发电机的输出电缆温度升高，甚至引起火灾。因此要采用更大截面的电缆，降低载流量使用，造成浪费。其三，电缆产生与相对位移成比例的扭剪应力。随着剪应力增大，电缆自由段长出的部分，会折叠、缠绕像麻花一样紧紧地抱在一起。占据了全部多余的长度(图5代号505点划线示)，增加了电缆束的扭转刚度。使其余部分的剪应力随扭转迅速增大，不采取措施很容易造成电缆断裂。

因此，电缆必须适时解扭(或称解缆)。而解扭带来的问题是：

对于主动偏航的上风向机组，可驱动机舱反向旋转直至角位移为0；但必须设置偏航驱动的软、硬件以及相应的传感器、记录器等。这不但增加成本，还增加了系统复杂性。

对于被动对风的下风向机组(如Model，100)，因无法反向偏航，一般在电缆中部，置插接件，到时由值守人员爬上塔架将插接件分离，手动解扭后再连接上。这不但有人身安全隐患，而且不能实现无人值守、完全自动运行。故很少应用。

无论是主动还是被动偏航机组，解扭时，必须停止发电运行，影响发电量。

发明内容

本发明是通过采取技术措施，使电缆不同截面间不产生相对角位移而根除扭缆。具体内容是：

1.将发电机移出作偏航运动的机舱，装在机舱之下上端与偏航轴承连接，下端固定于塔顶法兰之上的发电机舱中，机舱、发电机整体都固定，电缆不产生扭缆。

2.对于尺寸、体积较大的发电机，可将发电机舱与塔架和偏航轴承连接的法兰，直接在发电机壳体上制出，以电机的壳体代替发电机舱。

3.使发电机(的转子输入)轴垂直向上，并与发动机舱同轴安装。

4.发电机组齿轮箱的末级齿轮副，或单级齿轮箱采用相交轴齿轮传动，使风轮的水平轴功率转变为垂直轴功率，向下输送到发电机舱中驱动发电机发电。图1，图2所示的是一级相交轴转向传动齿轮箱。

5.齿轮箱安装位置保证从动齿轮与发电机轴顺利地连接。

6.偏航轴承与发电机舱的连接必须保证与发电机转子同轴。使偏航运动与发电机转子转动都绕同一几何轴线。偏航速度与发电机转子的转速相比很小，偏航对发电机的转速影响极微。

7.对于连接机舱上、下传递动力和信号的其它电缆，设置一个‘无扭缆供电、信号传导系统’(见图3，含图1的件7，9，10)。包括：置于发电机转子轴(件7)中心孔中的一个扭转筒(件901)，其上端用法兰(件904)固定在齿轮箱(图1的件4)壳体(图2，401)上，下端通过扭转筒上的中心轴(件903)与连接在塔架平台地板(件10)上的带轴承的复合支座(件905)配合形成对扭转筒下端的有效约束，即中心轴相对复合支座可自由转动，但平移自由度被限制，以增加扭转筒的弯曲刚度。中心轴上部装有一个实现静、动电连接的过孔型滑环(件902)。滑环转子固定于扭转筒的中心轴上。转子上引出的线缆固定于扭转筒中，偏航时它们和扭转筒一起，随机舱转动，线缆无相对运动，不产生扭缆；滑环定子通过连接件(件906)与复合支座相连，使它与它上面引出的线缆，相对塔架都保持静止也无扭缆。对于光缆，首先通过适当的光电信号转换器件，将光信号转变成电信号，通过滑环后，再用光电信号转换器件，将电信号还原为光信号解决扭缆问题。因通过滑环传递的功率很小，滑环体积不大；偏航时滑环的转子定子间的相对运动速度非常低，传导非常可靠。或者将约束扭转筒的复合支座(905)改为简单支座(图6，3a)，固定于发电机后端壳体上，如图6(1a中心轴，2a滑环，3a支座，4a连接件)。

由于本发明采取的措施，完全根除了扭缆，排出了扭缆、解缆带来的诸多问题：

·缩短了电力电缆的长度。这既节约了电缆本身的材料消耗，也减少了电缆中的能量耗损。