一种多轮风电系统的支撑结构及多轮风电系统

技术领域

本专利属于风力发电技术领域，具体涉及一种多轮风电系统的支撑结构及多轮风电系统。

背景技术

成本是全球风电发展的瓶颈问题，机组大型化（单机容量增加）是解决成本问题的最有效途径。海上风电项目的不断开展使得机组大型化成为了必然的发展趋势。随着机组容量的增加，传统的单叶轮风电机组的设计遇到的挑战越来越严峻，机组载荷急剧增加，超长、超重叶片和超大扭矩给机组中的各个部件（如变桨执行机构、轴承、支撑结构等等）的设计、生产制造和安装等带来了很多难题。

多轮风电系统是将多个较小型的叶轮安装在同一个支撑结构中实现风能到电能转换的新型风电装备。相比于常规单叶轮风电机组，多轮风电系统无需使用超长（百米级）、超重的叶片，也避免了超大载荷的出现，为海上风电机组大型化，降低机组成本提供了新的技术路线。

丹麦的维斯塔斯（Vestas）公司为多轮风电系统提出了悬臂梁支撑结构的方案(如CN 108700023A中公开的技术方案)。其采用结构是在一个常规的圆筒塔架上添加多层悬臂梁，每层悬臂梁可以安装两个较小型的叶轮。悬臂梁结构固有的缺点就是提高支撑能力时需要付出更多的材料成本。当较小型叶轮的直径增加后，悬臂梁的长度随之增加，悬臂支撑结构材料成本按非线性关系陡增，影响了支撑结构的经济性。因此，这种悬臂梁方案不适合安装有多个叶轮的大型和超大型的多轮风电系统。

还有一种支撑结构的形式是大跨度空间桁架结构，每个叶轮都安装在空间桁架结构节点位置。这种结构形式相比前述的悬臂梁方案在材料用量方面有所降低，但经济性仍不具有明显的优势，并且由于叶轮位于桁架结构节点位置，叶轮附近相互交错连接的杆件对来风产生大面积的阻挡，加剧了支撑结构的“塔影”效应，增加桁架杆件对流场的影响，对叶轮附近的气流形成干扰，进而影响叶轮捕风发电。

综上，目前多叶轮风电系统在支撑结构依然面临以下的问题：

1)需要满足叶轮之间不存在相互干涉的条件，因此支撑结构具有大跨度的特点，导致结构的材料用量大，无法很好的控制成本；

2)大跨度的框架结构必须在大范围空间内布置材料保证结构的稳定性，虽然桁架结构比钢制圆筒塔的漏风效果有所提升，但仍然在叶轮的扫掠面产生较明显的“塔影效应”，一方面折损了来风中的动能，另一方面也在一定程度干扰了叶轮扫掠面内的流场运动；

3)由于在竖直方向需排布多个叶轮，支撑结构具有较高的高度，其本质是高耸结构，不仅多个叶轮同时运行时支撑结构具有“多点受载”的特点，而且位于高处的叶轮运行带来的载荷，会对支撑结构产生较大的倾覆力矩，因此，对支撑结构的安全性和稳定性提出了较高的要求；

4)来自叶轮的载荷通过支撑结构传递至基础，目前的技术方案中采用交错布置的支撑结构面临抗倾覆能力不足的问题，需要直接且连续的载荷传递路径优化结构的刚度，保证抗倾覆能力的同时控制材料用量。

发明内容

本专利的目的在于提供一种多轮风电系统的支撑结构，用来解决上述至少一项技术问题。其特征在于，由环形框架和塔柱组成；

所述环形框架是由直线管桁架和弧线管桁架连接并形成的闭合空间桁架结构；其中，所述直线管桁架和所述弧线管桁架的数量相同且均至少是四个；所有所述弧线管桁架分别构成拱形承载结构并通过多根拉索支撑一个所述多轮风电系统的叶轮；

在所述支撑结构中，所述环形框架设置为垂直于水平面且数量至少是两个；多个所述环形框架沿竖直方向排布形成环形框架列或沿水平方向排布形成环形框架行，或者同时沿竖直方向和水平方向排布形成环形框架矩阵；

所述塔柱竖直设置且数量至少是两个，每个所述环形框架由两个所述塔柱支撑；所述塔柱是空间桁架结构或平面桁架结构。

在进一步技术方案中，所述直线管桁架和弧线管桁架都的截面都是三角形或四边形；所述直线管桁架的弦杆是直管，所述弧线管桁架的弦杆是弯管。

所述直线管桁架竖直设置在所述环形框架的两侧；并且所述直线管桁架水平设置在所述环形框架的上部和下部。

在进一步技术方案中，任意一个所述环形框架均位于两个所述塔柱之间，且通过两侧竖直设置的所述直线管桁架与所述塔柱连接，构成所述塔柱对所述环形框架的支撑。

位于同一所述环形框架列的相邻两个所述环形框架通过水平设置的所述直线管桁架连接在一起。

位于同一所述环形框架行的两个相邻所述环形框架结构通过竖直设置的所述直线管桁架连接在一起且与同一个所述塔柱连接。

所述环形框架的几何中心在所述叶轮的旋转轴线上。

在进一步技术方案中，所述塔柱底部沿着所述叶轮的旋转轴线方向的跨度，大于所述塔柱顶部沿着所述叶轮的旋转轴线方向的跨度。

任意两个所述塔柱之间的距离相等且两个所述塔柱之间的距离大于所述叶轮的直径。

第二方面，提供一种多轮风电系统，所述多轮风电系统包括所述的一种多轮风电系统的支撑结构。

本专利的有益效果是：叶轮通过多根拉索的柔性支撑方式固定在环形框架上，减少了“塔影效应”，降低了对叶轮扫掠圆内气流的干扰。塔柱自身的结构形式保证了抗倾覆能力，同时塔柱分别布置在环形框架的左右两侧固定支撑环形框架，且环形框架之间相互连接，增加结构的一体性，提高系统的结构刚度。

附图说明

图1为本发明第一种对比方案结构示意图；

图2为本发明第二种对比方案结构示意图；

图3为本发明实施例的一种支撑结构的环形框架与叶轮连接方式的示意图；

图4为本发明实施例的一种支撑结构的环形框架与支腿的示意图；

图5为本发明实施例的一种支撑结构的环形框架的示意图；

图6为本发明实施例的一种支撑结构的环形框架在平面投影的示意图；

图7为本发明实施例的一种支撑结构的环形框架上拉索设置位置示意图；

图8为本发明实施例的一种支撑结构的环形框架的对比方案示意图；

图9为本发明实施例的一种支撑结构的环形框架连接示意图；

图10为本发明实施例的一种支撑结构的塔柱示意图；

图11为本发明实施例的一种支撑结构的塔柱与环形框架直线管桁架截面关系示意图；

图12为本发明实施例的一种多叶轮风电系统的示意图；

附图标号说明：

1、叶轮扫掠圆，2、悬臂梁，3、钢制圆筒塔，4、空间桁架，5、环形框架，5.1、直线管桁架，5.101、直线管桁架弦杆，5.102、直线管桁架腹杆，5.2、弧线管桁架，6、叶轮，6.1、叶轮的旋转轴线，7、拉索，8、塔柱，8.1、塔柱弦杆，8.2、塔柱腹杆，9、六边形框架。

值得注意的是上述附图是用于说明本专利的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本专利的原理，并且为了避免不必要的细节使本专利的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域的技术人员在理解本专利时不会带来不便，而实际的实施例可以包括更多的模块或部件。

具体实施方式

为使本专利实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本专利实施例的相关附图，对本专利实施例进行完整的描述。本专利描述的仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利保护的范围。

一、支撑结构目前的技术方案以及需要解决的技术问题

常见的支撑结构技术方案：

早期的多叶轮风电系统的支撑结构受到常规单叶轮机组塔架的影响，从20世纪开始，很多都是基于钢制圆筒塔的技术方案，其中最著名的是丹麦的维斯塔斯（Vestas）公司为提出了悬臂梁支撑结构的方案。如图1给出的线框图所示(具体细节可以参考CN108700023A中公开的技术方案)，叶轮安装在悬臂梁（2）的末端，如果仅采用一个钢制圆通塔（3），那么这种方案每一排最多只能安装两个叶轮。为了避免叶轮之间的干涉，以及叶轮与钢制圆通塔（2）之间的干涉，叶轮扫掠圆（1）的圆心之间的距离（上下左右四个方向都需考虑）必须大于叶轮扫掠圆（1）的直径。也就是说，如果图1左视图的叶轮直径是60米（这种假设是非常现实的，因为增加多叶轮系统的容量，小叶片无法满足叶轮功率的要求，每个叶轮的叶轮直径不可能取5米这种很小的长度），那么每个悬臂梁（2）的长度将会超过30米。由于风力发电机组叶轮的运行特点，在每个悬臂梁（2）上都会至少产生推力造成的弯矩，重力造成的弯矩以及叶轮直径产生的附加弯矩等载荷。对于悬臂梁（2）来说，特别是悬臂梁（2）的根部，必须付出很多的材料成本，即足够强壮才能承受这些复杂的载荷。而悬臂梁（2）的固定点在钢制圆通塔（3）上，钢制圆通塔（3）本质也是悬臂结构。因此整个支撑结构的材料成本高，与获得的承载能力不成正比。

另一种方案是空间桁架结构方案（如图2给出的线框图所示），每个叶轮都安装在多段空间桁架（4）相交的节点位置。这种结构形式相比前述的悬臂梁方案没有采用悬臂梁方案中的钢制圆筒塔。但由于每段桁架（4）的支撑能力有限（如抗弯和抗扭能力），很多位置需要增加桁架（4）的数量来保证结构的承载能力和稳定性。比如图2所示的位于上面一排中间位置的叶轮扫掠圆（1）范围内可能存在七段桁架，对于这个位置的叶轮来说，支撑结构带来的“塔影效应”将明显的干扰上面一排中间位置的叶轮扫掠圆（1）内气流的运动。

目前支撑结构需要解决的几个主要的技术问题：

支撑结构需要解决的第一个技术问题就是减少悬臂支撑的使用。悬臂支撑是工程中常见的支撑形式，在风电工程中更是大量采用，比如叶片和钢制圆筒塔的支撑都是经典的悬臂支撑形式。支撑结构具有大跨度的特点，因此采用的悬臂支撑，悬臂的长度将会非常大。此外，悬臂支撑在机械稳定性和抗疲劳方面都处于劣势，因此需要尽量避免悬臂支撑。

支撑结构需要解决的第二个技术问题是减少叶轮扫掠面内支撑结构的迎风面积。但叶轮不可能自主悬置在空中，因此叶轮扫掠面内出现支撑结构是不可避免的，只有尽可能的减少支撑结构自身的迎风面积，以求降低对叶轮扫掠圆内气流的干扰。

支撑结构需要解决的第三个技术问题是有效增加抗倾覆能力，即以较少的成本提升，实现抗倾覆能力的提升。抗倾覆能力差不仅是多叶轮风电系统中支撑结构面临的问题，也是常规单叶轮机组需要解决的问题。叶轮扫掠圆面积增加，塔架高度增加（即悬臂长度增加）以及机组容量增加，使得 “有效” 增加抗倾覆能力越来越难。现有的技术方案是增加塔架的抗弯截面，即塔架越来越粗，这种方案虽然简单直接，但是成本难以控制，且派生出很多的其他问题，比如运输问题。如图1和图2中所示的技术方案，提高抗倾覆能力可以选择增加塔架的外径，或者增加桁架的规格和数量的方式，但很难做到“有效”。

二、本专利中技术方案的来源

本专利提出了一种新的技术方案，以求解决上一个章节中指出的支撑结构需要解决的几个主要技术问题。

首先需要考虑的是如果采用刚性的支撑的方式支撑多叶轮风电系统中的每个叶轮，那么必然会带来叶轮扫掠圆内支撑结构迎风面面积过大。其次，如果减少部分支撑结构在叶轮扫掠圆的迎风面，则很容易出现悬臂支撑形式（比如图1中的技术方案）。

采用拉索这种柔性支撑，由于每根拉索的迎风面面积非常小（比如30mm截面的拉索），一定数量的拉索（比如20根）也不会对叶轮扫掠圆内的气流产生明显的干扰。因此，环形框架和拉索的技术方案（类似于前期提出的“轮辐式”，借鉴了自行车轮和摩天轮的结构形式，如图3所示）可以在一定程度上解决气流干扰的问题。并且这种结构传递载荷路径多，避免了悬臂支撑叶轮的形式出现。

第二点需要考虑的是将环形框架支撑在高空的结构形式，需要提高抗倾覆能力，同时控制材料成本。本专利中采用的技术方案是多个竖直布置的塔柱（8）（如图4所示），每个塔柱（8）的前后跨度增加，以求提高抗弯能力。并且将环形框架的结构设置在两个塔柱（8）中间，类似于简支结构。这种结构可以通过降低了单个塔柱（8）的材料用量，增加塔柱（8）的数量实现多个维度（水平方向，前后方向）的结构刚度，增加了抗倾覆能力，也提高了结构的稳定性。

三、专利构思的核心

本专利的核心技术特征可以总结为以下三点：1）叶轮通过柔性支撑的方式固定在环形框架上； 2）塔柱采用前后跨度上小下大结构形式，且塔柱分别布置在环形框架的左右两侧，固定支撑环形框架；3）环形框架通过直线管桁架实现环形框架之间的连接，以及环形框架与塔柱的连接，增加结构的一体性，提高系统的结构刚度。

四、支撑结构的一种实施例

支撑结构主要由环形框架（5）和塔柱（8）构成。

环形框架（5）的一种实施例：

如图5所示，环形框架（5）在整体上属于空间桁架结构，环形框架（5）是由多段直线管桁架（5.1）和弧线管桁架（5.2）首尾相互拼接形成的一种闭合的环形结构。在本实施例中，直线管桁架（5.1）和弧线管桁架（5.2）都是截面为三角形的管桁架结构。具体的，直线管桁架（5.1）中的弦杆都是直管，弧线管桁架（5.2）的弦杆是对直管进行弯折处理后的弯管。

如图6所示，如果将环形框架（5）投影在其正前方或正后方的平面上，可以认为所得投影的形状是一个由弧线段和直线段组成的多边形。如图6所示，在本实施例中，也可以认为这种多边形是由正八边形在顶点处做了圆角处理得出的。参考自行车和摩天轮等的“轮辐式”结构，如图3所示，叶轮的旋转轴线（6.1）穿过环形框架（5）的几何中心，实际上叶轮的旋转轴线（6.1）与环形框架（5）的几何中心轴向是重合的。叶轮和环形框架（5）之间通过多根拉索（7）形成柔性连接。拉索（7）在环形框架（5）上的固定位置都设置在弧线管桁架（5.2）上，如图7所示，本实施例中，环形框架（5）上的拉索（7）固定位置可以分别设置在八段弧线管桁架（5.2）上。拉索（7）固定在弧线管桁架（5.2）上的原因是在施加初始预应力以及叶轮运行时，拉索（7）的索力传递到环形框架（5）上的弧线管桁架（5.2）可以利用拱形结构受力的特点，减少弯矩载荷。如图8所示，对比前期提出的六边形框架的“轮辐式”结构，明显可以看出，如果拉索布置在六边形框架（9）的边上，每段框架需承受的弯矩载荷增加，为了避免这种情况只能将拉索（7）固定位置设置在六边形框架（9）的顶点处。但是这种设置使得拉索（7）的分布在叶轮扫掠圆圆周方向分布不均，进而导致一方面对拉索（7）另一端的叶轮进行位移限制的难度增加，另一方面在六边形框架（9）的顶点处的出现载荷集中的问题。

上述技术方案的新颖之处以及优势是：

与其他刚性连接的方案相比，叶轮通过多根拉索将载荷传递至布置在叶轮周围的环形框架上，拉索的截面较小（工程中常用的拉索的直径都在几十毫米），对穿过的气流影响小，减少了“塔影效应”，降低了对叶轮扫掠圆内气流的干扰。

与前期提出的六边形框架方案（蜂窝式方案）相比，使用直线管桁架和弧线管桁架拼接形成环形的框架，整体采用立体桁架增加承载能力和结构稳定性，拉索固定在弧线管桁架上，一方面使得拉索在叶轮扫掠圆圆周方向分布更加均匀，另一方面利用弧线管桁架的拱形结构原理，降低结构承受的弯矩载荷。

一般的，在环形框架（5）中，直线管桁架（5.1）的数量至少是四个。如图5、图6和图7所示，在本实施例中，直线管桁架（5.1）按照整体对数量进行计算，可以认为总共有八段（在图中所示的一段直线管桁架在实际工程中可以是多个直线管桁架连接形成的，因此这里的八段是按照整体的数量计算的）。八段直线管桁架（5.1）中有四段分别位于环形框架（5）的上端、下端、左端和右端。如图9所示，位于上端和下端的直线管桁架（5.1）是水平设置的，用于上下相邻的两个环形框架（5）相互连接。位于左端和右端的直线管桁架（5.1）是竖直设置的，用于左右相邻的两个环形框架（5）以及环形框架（5）和塔柱（8）之间的连接。

如图4所示，每个环形框架（5）的左右两侧都设置有塔柱（8），环形框架（5）通过位于左端和右端的直线管桁架（5.1）与塔柱（8）连接，叶轮的载荷传递至环形框架（5）后直接沿塔柱（8）以最短路径到达基础。

上述技术方案的新颖之处以及优势是：

与其他刚性连接的方案相比，环形框架左右两侧都设置有塔柱，避免了悬臂支撑形式的使用，进而可以避免支撑结构中材料的大量的集中使用（比如悬臂梁中钢制圆筒塔重量占比明显高于其他部件）。除此之外，左右两侧布置多根塔柱，以及多个环形框架相互连接，使得结构在左右方向的刚度得到加强，同时也增加了结构稳定性。

与前期提出的六边形框架方案（蜂窝式方案）相比，环形框架（5）对比六边形框架主要的作用是固定叶轮（而六边形框架方案中既需要固定叶轮，也起到了支撑整个结构的作用）。本专利中的提出的这种技术方案，将固定叶轮和支撑整个结构两个目标进行了解耦，塔柱（8）的作用是支撑整个结构，既保证了支撑结构中的总体刚度，也使得环形框架（5）上的载荷以最短的直线路径传递至基础（形成对比的是，前期提出的六边形框架方案中来自叶轮的载荷需要沿着框架，按照折线路径传递至基础）。

塔柱的一种实施例：

塔柱（8）是支撑结构中的主要承载部件，为支撑结构提供大部分的支承刚度。与常规的钢制圆筒塔类似，塔柱（8）是竖直设置的高耸结构。在本实施例中塔柱（8）采用了桁架结构，主要原因的生产制造的便捷性、疲劳寿命以及成本。在其他的一些实施例中，塔柱也可以采用类似于斜拉索桥的索塔的结构形式，采用钢筋混凝土。但这种结构形式需要现场浇筑，施工量较大。不同于桥梁中的索塔，塔柱（8）需要承受更多的疲劳载荷，因此，本专利提出的技术方案首选钢制桁架结构的塔柱（8）。

塔柱（8）对环形框架起到了固定和支撑的作用，塔柱（8）在前后方向（即沿着叶轮的旋转轴线（6.1）的方向）的刚度决定了环形框架（5）能否承受叶轮的推力和弯矩等载荷。因此，如图10所示，每个塔柱（8）至少在前后方向的跨度应该足够大，才能获得较好的抗倾覆能力。同时，作为高耸结构，塔柱（8）在前后方向的跨度随着高度增加逐渐降低，提高材料分布的合理性。在本实施例中，塔柱（8）在前后两侧分别布置一根弦杆，两根弦杆（8.1）直接通过若干腹杆（8.2）连接。如图11所示，在环形框架（5）与塔柱（8）连接的位置，塔柱（8）两个弦杆（8.1）之间的距离需大于或等于环形框架（5）中直线管桁架（5.1）的截面沿着前后方向的跨度，即图11中所示沿着前后方向两个直线管桁架弦杆（5.101）之间的距离。

上述技术方案的特点之处以及优势是：塔柱（8）在前后方向（即沿着叶轮转动轴向的方向）的两侧分别布置至少一根弦杆（8.1），两根弦杆（8.1）通过若干腹杆（8.2）连接；两根弦杆（8.1）之间的距离（即塔柱沿着叶轮转动轴向的方向的跨度，或前后方向的跨度）随着高度的升高逐渐降低。使得塔柱（8）在前后方向具有足够的刚度，提高抗倾覆能力。

环形框架（5）在左右两侧都布置有塔柱（8），塔柱（8）和环形框架构（5）成支撑结构在左右方向天然具有大跨度的特点，因此，每个塔柱（8）在左右方向可以采用较小的跨度，以求控制塔柱的成本，同时也不用担心支撑结构在左右方向的支承刚度问题。在本实施例中，塔柱（8）直接采用了平面桁架的方案，将左右方向的跨度降至最低。为了避面叶片与发生机械干涉，环形框架（5）左右两侧连接的塔柱（8）之间的水平距离需大于叶轮（6）的直径。

支撑结构布局的一种实施例：

支撑结构布局这里是指环形框架（5）和塔柱（8）的布局。本发明提供的新技术方案中，将固定支撑叶轮和提供支撑结构刚度两个功能在一定程度上进行了解耦：环形框架（5）的主要作用是固定支撑叶轮（6），塔柱（8）的主要作用是提供支撑结构刚度和支撑环形框架（5）。塔柱（8）是竖直设置，因此，两个塔柱（8）之间的环形框架（5）在竖直方向必须形成列排布。如图12所示，在本实施例中，可以看出轮毂中心（也可以认为是环形框架（5）的中心）的连线垂直于水平面。当有三个及以上的塔柱时，则至少会有两列环形框架（5），也可以看作环形框架（5）在水平方向形成了行排布。在本实施例中，处于同一行的环形框架（5）中心距离地面的高度一致。在其他实施例中，可以根据具体需要调整环形框架（5）中心高度，使得同一行的环形框架（5）高度不一致。

在本专利的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、前、后、左和右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

本专利中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

虽然已经参考优选实施例对本专利进行了描述，但在不脱离本专利的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本专利并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。