阅读说明：本技术 一种用于垂直轴浮式风机紧急制动的流体动力制动系统 (Fluid power braking system for emergency braking of vertical axis floating type fan ) 是由 王凯 施伟 张礼贤 林琳 宁德志 勾莹 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于垂直轴浮式风机紧急制动的流体动力制动系统,属于海洋可再生能源利用技术领域。本发明通过将垂直轴风力机与流体动力制动器相结合,在紧急停机状态时,驱动电机接受信号运行,带动齿轮传动系统工作,主动齿轮带动从动齿轮转动,随后流体动力制动器叶片打开,流体动力制动器开始工作,由水作用在流体动力制动器叶片上的阻力,产生转矩,从而实现风机的减速和制动,更好地实现风机系统在遭受极端风况时进行紧急停机操作,防止风机过速转动而遭受破坏。本发明成本较小、操作简单,对风机减速产生十分巨大的作用,具有很高的实用价值。(The invention provides a fluid dynamic braking system for emergency braking of a vertical axis floating type fan, and belongs to the technical field of ocean renewable energy utilization. According to the invention, the vertical axis wind turbine is combined with the hydrodynamic brake, when the wind turbine is in an emergency stop state, the driving motor receives signals to operate, the gear transmission system is driven to work, the driving gear drives the driven gear to rotate, then the blades of the hydrodynamic brake are opened, the hydrodynamic brake starts to work, and the resistance of water acting on the blades of the hydrodynamic brake generates torque, so that the speed reduction and braking of the fan are realized, the emergency stop operation of the fan system under an extreme wind condition is better realized, and the fan is prevented from being damaged due to the over-speed rotation. The invention has the advantages of low cost, simple operation, great effect on the deceleration of the fan and high practical value.)

一种用于垂直轴浮式风机紧急制动的流体动力制动系统

技术领域

本发明属于海洋可再生能源利用技术领域，尤其涉及到一种浮式垂直轴风力发电机与流体动力制动器相结合的集成系统。

背景技术

当前能源急剧短缺，可再生能源成为当今能源发展的趋势。在我国海上风电开发起步较晚，未来风电的开发趋势将会逐渐由陆上风电转入海上风电。当前我国海上风电开发主要集中在以固定式基础为主的浅海地区，风机基础以单桩基础、三桩以及高桩承台等传统基础为主。随着水深的增加，固定式基础的成本将会急剧上升，同时也在技术方面带来了巨大的挑战，因此在深海中宜采用浮式基础作为海上风机的主要支撑结构。在深海中，可选用不同的浮式基础，例如Spar浮式平台、半潜平台以及张力腿平台(TLP)。风机的类型也主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，其中垂直轴风力发电机也因塔架工艺简单、无偏航系统、可在地面安装、便于维修和检修等优点受到关注。与水平轴风力发电机不同的是，在拥有Darrieus转子的垂直轴风力机中，风力机叶片采用定桨距控制。在来流风速超出限定值时，叶片不能自由转动以获得最适合风力发电的转速。并且在大型的垂直轴风力机中，只存在机械制动，难以配置空气制动装置，这使得风机在受到过大风速时，若机械制动装置失效，风机不能及时停机，从而导致风机遭到严重的破坏。因此，如何能够保证垂直轴风力机在极限或故障工况下紧急停机，是未来垂直轴风力机研究的重点方向之一。本发明结合垂直轴风力机以及流体动力制动器，能够有效地解决垂直轴风力机因风速过大而失速，进而导致风力机遭受严重的破坏。这对于未来深海垂直轴风机战略部署具有十分重大的意义。传统的机械制动易产生磨损，且会增加机械部件的疲劳，应用有一定的局限。

发明内容

由于Darrieus(达里厄)垂直轴风力机叶片采用定桨距控制，在来流风速过大时无法进行变桨控制。本发明针对垂直轴风力机制动性能不够优良的前提下，针对现有的研究技术，提出一种用于垂直轴风力机的流体动力制动器集成系统。该制动器能有效利用水流，装置较为简单，并且易于安装，能够在来流风速过大时，通过流体动力制动器，减小转子转速，进而减少扭矩，配合机械动力刹车，达到紧急停机的目的。

本发明的技术方案：

一种用于垂直轴浮式风机紧急制动的流体动力制动系统，该流体动力制动系统包括风力发电系统、锚链系统和流体动力制动器5。

所述的风力发电系统包括垂直轴风力机1、发电机2和半潜浮式平台3；所述半潜浮式平台3采用经典三立柱式结构，包括主体立柱和中心浮筒，三组主体立柱围绕中心浮筒通过桁架结构等间距刚性连接，用于提供浮力，当半潜浮式平台3中充满压载水，降低了系统的重心，提高了整体的稳定性，同时通过调节各主体立柱压载水的高度，达到整个结构的平衡。中心浮筒用于支撑垂直轴风力机1。所述的发电机2设置在半潜浮式平台3的中心浮筒上，发电机2顶部连接在垂直轴风力机1底部；所述垂直轴风力机1包括垂直轴风力机叶片和垂直轴风力机主轴，垂直轴风力机叶片的转动直接带动发电机2转子的转动，从而产生电能。

所述的锚链系统包括锚链4；锚链4一端通过导缆孔与半潜浮式平台3的主体立柱相连，锚链4另一端通过锚固系统与海床底部连接，从而维持浮体的稳定。

所述的流体动力制动器5包括流体动力制动器叶片6、流体动力制动器主轴 7、驱动电机8和齿轮传动系统9。所述流体动力制动器主轴7顶端连接在半潜浮式平台3的中心浮筒底部，用于将流体动力制动器和中心浮筒相连；所述流体动力制动器主轴7顶部安装有安装箱体，安装箱体内安装有驱动电机8和齿轮传动系统9，驱动电机8用于驱动齿轮传动系统9；所述的齿轮传动系统9包括主动齿轮10和从动齿轮11，主动齿轮10连接驱动电机8；从动齿轮11通过旋转轴与流体动力制动器叶片6顶端连接。当驱动电机8开始工作时，带动齿轮传动系统9工作，流体动力制动器叶片6打开，流体动力制动器5工作，实现垂直轴浮式风机的减速和制动。

进一步地，所述的流体动力制动器叶片6共三个，均布在流体动力制动器主轴7外部；驱动电机8和齿轮传动系统9的数量与流体动力制动器叶片6的数量一一对应。

本发明的有益效果：本发明通过将垂直轴风力发电机与流体动力制动器相结合，在紧急停机状态时，驱动电机接受信号运行，带动齿轮传动系统工作，主动齿轮转动带动从动齿轮转动，随后流体动力制动器叶片打开，流体动力制动器开始工作，由水作用在流体动力制动器叶片上的阻力，产生转矩，从而实现风机的减速和制动，更好地实现风机系统在遭受极端风况时进行紧急停机操作，防止风机过速转动而遭受破坏。本发明成本较小、操作简单，对风机减速产生十分巨大的作用，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是流体动力制动系统的结构示意图；

图2是流体动力制动器三维示意图；

图3是流体动力器的齿轮传动系统示意图；

图中：1垂直轴风力机；2发电机；3半潜浮式平台；4锚链；5流体动力制动器；6流体动力制动器叶片；7流体动力制动器主轴；8驱动电机；9齿轮传动系统；10主动齿轮；11从动齿轮。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和技术方案，对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于垂直轴浮式风机紧急制动的流体动力制动系统，包括风力发电系统、锚链系统和流体动力制动器5。

其中，风力发电系统包括垂直轴风力机1、发电机2和半潜浮式平台3。所述半潜浮式平台3包括主体立柱和中心浮筒，三组主体立柱围绕中心浮筒通过桁架结构等间距刚性连接，中心浮筒用于支撑垂直轴风力机1。所述的发电机2 设置在半潜浮式平台3的中心浮筒上，发电机2顶部连接在垂直轴风力机1底部。所述垂直轴风力机1包括垂直轴风力机叶片和垂直轴风力机主轴，垂直轴风力机叶片的转动直接带动发电机2转子的转动，从而产生电能。

所述的锚链系统包括锚链4；锚链4一端通过导缆孔与半潜浮式平台3的主体立柱相连，锚链4另一端通过锚固系统与海床底部连接，保证半潜浮式平台3 本身的稳定性，半潜浮式平台3的中心浮筒底部与流体动力制动器5(如图2) 固连。

所述的流体动力制动器5主要分为四部分：流体动力制动器叶片6、流体动力制动器主轴7、驱动电机8和齿轮传动系统9。所述的流体动力制动器主轴7 位于流体动力制动器中心处，用于连接各叶片，同时还为流体动力制动器5提供相应的浮力，使得在安装流体动力制动器5后，半潜浮式平台3本身的运动特性不受流体动力制动器5的影响；流体动力制动器主轴7顶部安装有安装箱体，安装箱体内安装有驱动电机8和齿轮传动系统9，驱动电机8用于驱动齿轮传动系统9；三个驱动电机8和三个齿轮传动系统9均沿流体动力制动器主轴7周向等间距均匀分布，且每个驱动电机8对应一个齿轮传动系统9。所述的齿轮传动系统9包括主动齿轮10和从动齿轮11，三个主动齿轮10连接相对应的驱动电机8；三个从动齿轮11通过旋转轴分别与流体动力制动器叶片6顶端连接。在紧急停机时，驱动电机8接收到制动信号后，驱动齿轮传动系统9开始工作，与驱动电机8连接的主动齿轮10开始工作，带动从动齿轮11转动，从而推动三个流体动力制动器叶片6打开，通过水对流体动力制动器的阻力对垂直轴风机起到减速的作用。通过这种方法，减小风机的转速，进而实现风机的减速和制动，保证风机的安全。

在进行安装时，可预先将半潜浮式平台3与流体动力制动器5固定，然后将半潜浮式平台3浮拖到指定海域，然后通过注入压舱水调节平台的吃水深度，达到额定作业深度之后再将垂直轴风力机1安装于半潜浮式平台3上，最后垂直轴风力机达到正常的作业水深，开始正式工作。

当风速在正常工作范围内时，风机正常工作，此时流体动力制动器5与半潜浮式平台3中心浮筒相连，流体动力制动器叶片处于关闭状态，流体动力制动器5的转动对垂直轴风力机1不会产生影响。当风速风机的切出风速或因故障需要停机或制动时，驱动电机8工作，流体动力制动器叶片6开启，流体动力制动器5的转动与垂直轴转子的转动方向相同，通过水对流体动力制动器的阻力对垂直轴风力机起到减速和制动的作用，防止风机转速的急速上升，保证风机的安全。随后风机正常运行时，驱动电机8接收信号，带动齿轮传动系统9反向转动，流体动力制动器叶片6关闭，风机开始正常运行发电。