一种两级风力发电机装置

1.本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种两级风力发电机装置。


背景技术：

2.随着气候变化、环境保护和能源安全的全球关注，清洁能源转型已成为全球发展的重要方向。在此背景下，风力发电机作为一种可再生、无污染的能源形式，受到广泛的应用和推广。风力发电机的应用有助于实现能源供应的可持续性和多样化，有助于降低对传统化石燃料的依赖，减少温室气体的排放，为应对气候变化做出贡献。它们被广泛部署于城市、农村和岛屿等地区，为这些地区提供可靠的电力供应，促进能源独立性和能源安全。
3.目前主流的风力发电机组都是单叶轮形式，主要存在以下问题和局限：
4.1.依赖天气条件：单叶轮风力发电机的发电能力受制于风速和风向。当风速不足或风速波动较大时，风力发电机的发电效率较低。这使得风力发电机在某些地区或季节被迫停止运行，无法稳定产生足够的电力；
5.2.占地面积广和环境影响：现有的风力发电机需要占用较大的土地面积，这对于城市或密集居民区可能存在限制，运行时也存在持续产生噪音和对野生动物的干扰问题；
6.3.可靠性问题：由于风速和风向的不稳定性，单叶轮风力发电机的输出电能存在波动性，这对于电网的稳定性和可靠性提出了挑战；
7.4.高成本和维护需求：现有技术为提升风机的功率，往往采用增大叶片长度来提高扫风面积和效率，所以风塔和发电系统的建设和安装成本也要相应增长，此外，单叶轮风力发电机的机械部件容易受到震动和颤振的影响，需要定期的维护和检修。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提供了一种两级风力发电机装置，该装置通过设置两级叶轮结构、连续变速调节、灵活转向切换和振动抑制等技术手段，能够有效提高风能的利用效率、扩大适用风速范围，提高系统的稳定性和振动抑制能力，可广泛应用于风力发电领域，为更高效、可靠和持续的风能转化提供了一种新的解决方案。
9.为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
10.一种两级风力发电机装置，包括第一级叶轮、风速风向测量装置、第二级叶轮、变桨装置、第一导流罩、机舱主体、第二导流罩、偏航装置和塔架；机舱主体的两端分别为第一导流罩和第二导流罩，机舱主体的底部通过偏航装置设置在塔架上；风速风向测量装置设置在机舱主体上，用于测量获取实时的风速和风向信息；第一级叶轮位于风能捕捉的迎风端，所述第二级叶轮位于风能捕捉的背风端，第一级叶轮通过变桨装置设置在第一导流罩的周向上，第二级叶轮通过变桨装置设置在第二导流罩的周向上；
11.机舱主体用于实现第一级叶轮和第二级叶轮动力传递、转速配比调节、转动方向调节的功能以及实现能量转换。
12.本发明进一步的改进在于，第一级叶轮和第二级叶轮均有三只叶片，第一级叶轮
的叶片长度大于第二级叶轮的叶片长度。
13.本发明进一步的改进在于，所述机舱主体的内部包含第一级叶轮转子、增速箱、第一联轴器、连续变速箱、第二联轴器、发电机、第三联轴器、正反换向器、第四联轴器、平行轴齿轮箱和第二级叶轮转子；
14.第一级叶轮转子与第一级叶轮相连，用于将第一级叶轮的输入转动力传递给增速箱；增速箱与第一级叶轮转子和第一联轴器相连，用于将低速、高扭矩的输入转化为高速、低扭矩的输出，提高转速并通过第一联轴器将输出传递给连续变速箱；连续变速箱的输出端分别与第二联轴器和第三联轴器相连，第二联轴器与发电机相连，用于将连续变速箱的输出传递给发电机，将机械能转化为电能，并输出到电力传输系统，第三联轴器与后续的正反换向器相连，经平行轴齿轮箱将动力传递到第二级叶轮，连续变速箱可根据风速的变化，调整第一级叶轮和第二级叶轮的转速比；第四联轴器连接正反换向器和平行轴齿轮箱，用于将正反换向器的输出传递给平行轴齿轮箱；所述平行轴齿轮箱连接第二级叶轮转子，通过平行轴齿轮传动实现动力传递，用于保证第二级叶轮转子与第一级叶轮转子同轴心。
15.本发明进一步的改进在于，连续变速箱包括动力输入轴、第一支撑轴承、第一固定锥轮、主轴可移动锥轮、第二支撑轴承、第一输出轴、第一液压油管路、第一液压油腔室、梯形止推带、第二液压油管路、副轴端、第三支撑轴承、第二液压油腔室、副轴可移动锥轮、第二固定锥轮、第四支撑轴承和第二输出轴；
16.所述连续变速箱通过梯形止推带连接两个部分实现动力传递，第一部分由动力输入轴、第一支撑轴承、第一固定锥轮、主轴可移动锥轮、第二支撑轴承和第一输出轴组成，第一部分的动力输入轴与第一联轴器相连，传递来自第一级叶轮的动力输入，第一输出轴与第二联轴器相连，将机械能传递给发电机实现电能转化；第二部分由副轴端、第三支撑轴承、副轴可移动锥轮、第二固定锥轮、第四支撑轴承和第二输出轴组成，第二输出轴通过与第三联轴器相连实现对第二级叶轮的转动速度控制和负载方式的调节；
17.所述梯形止推带的一端由第一固定锥轮和主轴可移动锥轮夹紧，另一端由副轴可移动锥轮和第二固定锥轮夹紧，其中主轴可移动锥轮和副轴可移动锥轮由液压推力控制沿轴向滑动，能够收紧或打开；所述第一输出轴与主轴可移动锥轮包含的空间为第一液压油腔室，第一液压油管路经过第一输出轴，通过第一液压油管路的流量能够控制第一液压油腔室内液压油的压力，进而调节主轴可移动锥轮的位置；所述副轴端的一端悬空，由第三支撑轴承进行支撑和固定，另一端与副轴可移动锥轮包含的空间为第二液压油腔室，第二液压油管路从悬空的一侧经过副轴端，通过第二液压油管路的流量能够控制第二液压油腔室内液压油的压力，进而调节副轴可移动锥轮的位置；主轴可移动锥轮和副轴可移动锥轮通过挤压梯形止推带来调节两侧的旋转半径，进而改变传动比；通过液压调节主轴可移动锥轮和副轴可移动锥轮的位置改变梯形止推带在两端的转动半径，连续变速箱能够实现无级调节的转速和传动比，连续变速箱能够根据风速风向测量装置测的信号变化和发电机的负载需求，实时调整传动比，以实现最高效率的能量转换。
18.本发明进一步的改进在于，当主轴可移动锥轮向内移动收紧时，梯形止推带在锥形盘的挤压下向圆心外移动，传动直径增大，传动比增大。
19.本发明进一步的改进在于，当主轴可移动锥轮向外移动打开时，梯形止推带向圆心内移动，传动直径减小，传动比减小。
20.本发明进一步的改进在于，所述正反换向器包括换向器输入轴、第一换向器支撑轴承、换向器壳体、换向器输出轴、第二换向器支撑轴承、正转离合器、反转离合器、换向器太阳轮、第一换向器行星齿轮、第二换向器行星齿轮、行星齿轮轴和内齿轮；
21.所述换向器输入轴通过第三联轴器连接到前一级的传动系统，即连续变速箱的动力通过第二输出轴传递到正反换向器；所述第一换向器支撑轴承和第二换向器支撑轴承用于固定和支撑换向器输入轴和换向器输出轴；所述换向器壳体为正反换向器提供外部的结构支撑和保护，换向器壳体通过反转离合器与内齿轮相连；所述换向器输入轴直接与换向器太阳轮相连，换向器输入轴通过正转离合器与内齿圈相连；所述换向器输出轴即为换向器行星齿轮盘，行星齿轮轴固定在换向器输出轴的前端面上，第一换向器行星齿轮和第二换向器行星齿轮啮合，绕行星齿轮轴转动，换向器输出轴的后端面通过第四联轴器与下一级传动机构平行轴齿轮箱相连；所述正反换向器通过控制正转离合器和反转离合器的离合状态，能够实现正向和反向转动。
22.本发明进一步的改进在于，当反转离合器处于结合状态时，内齿轮与换向器壳体固定，无法转动，当反转离合器处于分离状态时，内齿轮与换向器壳体脱离，能够自由转动。
23.本发明进一步的改进在于，当正转离合器处于结合状态时，内齿轮与换向器输入轴、换向器太阳轮固接，保持同向同转速转动，当正转离合器处于分离状态时，内齿轮脱离，能够自由转动。
24.本发明进一步的改进在于，当正转离合器结合、反转离合器脱离时，换向器太阳轮和内齿轮固接，第一换向器行星齿轮和第二换向器行星齿轮无法自由转动，动力从换向器输入轴直接传递至换向器输出轴，实现正向、同转速转动；反之，当正转离合器脱离、反转离合器结合时，内齿轮与换向器壳体固定，无法转动，动力经过换向器输入轴传递至换向器太阳轮，换向器太阳轮与第一换向器行星齿轮啮合，第一换向器行星齿轮与输入反向旋转，第一换向器行星齿轮和第二换向器行星齿轮啮合经过动力传递，第二换向器行星齿轮与输入同向旋转，而由于内齿轮与换向器壳体固定无法转动，第二换向器行星齿轮的动力传递至行星齿轮轴，行星齿轮轴带动换向器输出轴转动，换向器输出轴的转动方向与第二换向器行星齿轮相反，进而实现换向器输出轴与换向器输入轴反向转动；所述正转离合器与反转离合器采用电子控制的机械式或者液压式装置，两个离合器的具体状态根据风速风向测量装置测量的信号和发电机的负载需求，能够灵活地实现转向的切换，在低风速下，实现第一级叶轮与第二级叶轮同向转动，两级的动力输出同时传入发电机以实现最高效率的能量转换；在低风速下，实现第一级叶轮与第二级叶轮反向转动，第二级叶轮作为负载，以达到降低第一级叶轮的转速的目的。
25.相对于现有技术，本发明至少具有如下有益的技术效果：
26.1.提高风能利用率：本发明采用两级风力发电机的设计，能够在较低的风速下提高能量捕捉效率。传统风力发电机在小风速下效率较低，而本发明通过优化的双叶轮设计和同向转动技术解决方案，使得风力发电机可以更有效地利用低速风能，提高发电效率。
27.2.扩大适用风速范围：本发明的两级风力发电机装置能够在大风速下避免失速现象的发生。传统风力发电机在大风速下容易失速，限制了其适用范围。而本发明通过正反换向器的控制机制，在需要时可以灵活切换两级叶轮的旋转方向，以适应不同的气象条件和优化能量输出，使得风力发电机能够稳定运行在更广泛的风速范围内，提高了发电机的可
靠性和适应性。
28.3.连续变速调节：本发明的两级风力发电机装置能够根据风速的变化和发电机的负载需求，实时调整传动比，以实现最高效率的能量转换。连续变速箱通过液压调节主轴可移动锥轮和副轴可移动锥轮的位置，改变梯形止推带在两端的转动半径，实现无级调节的转速和传动比，这使得风力发电机能够在全速域范围内保持稳定性和高性能。
29.4.提高系统稳定性和振动抑制：本发明的两级风力发电机装置保证第二级叶轮转子与第一级叶轮转子同轴心，减少了因轴心偏差而导致的整体机舱振动，同时可以有效的抵消扭矩，保证整个装置在高风速区间运行的稳定性。
30.5.降低建设和维护成本：本发明中的两级风力发电机设计具有较高的稳定性和可靠性，使得塔筒的高度可以降低，这避免了风力发电机支架和塔筒的高成本，同时也降低了设备的维护需求和运营成本。因此，本发明在经济上更具可行性和竞争力。
31.综上所述，本发明提供的一种两级风力发电机装置，通过设置两级叶轮结构、连续变速调节、灵活转向切换和振动抑制等技术手段，能够有效提高风能的利用效率、扩大适用风速范围，提高系统的稳定性和振动抑制能力，可广泛应用于风力发电领域，为更高效、可靠和持续的风能转化提供了一种新的解决方案。
附图说明
32.图1为本发明的一种两级风力发电机装置结构示意图；
33.图2为本发明的机舱主体的内部结构示意图；
34.图3为本发明的连续变速箱的结构示意图；
35.图4为本发明的正反换向器的结构示意图，其中图4(a)为主视图，图4(b)为图4(a)的a-a向剖视图，图4(c)为图4(a)的b-b向剖视图。
36.附图标记说明：
37.1、第一级叶轮；2、风速风向测量装置；3、第二级叶轮；4、变桨装置；5、第一导流罩；6、机舱主体；7、第二导流罩；8、偏航装置；9、塔架；10、第一级叶轮转子；11、增速箱；12、第一联轴器；13、连续变速箱；14、第二联轴器；15、发电机；16、第三联轴器；17、正反换向器；18、第四联轴器；19、平行轴齿轮箱；20、第二级叶轮转子；21、动力输入轴；22、第一支撑轴承；23、第一固定锥轮；24、主轴可移动锥轮；25、第二支撑轴承；26、第一输出轴；27、第一液压油管路；28、第一液压油腔室；29、梯形止推带；30、第二液压油管路；31、副轴端；32、第三支撑轴承；33、第二液压油腔室；34、副轴可移动锥轮；35、第二固定锥轮；36、第四支撑轴承；37、第二输出轴；38、换向器输入轴；39、第一换向器支撑轴承；40、换向器壳体；41、换向器输出轴；42、第二换向器支撑轴承；43、正转离合器；44、反转离合器；45、换向器太阳轮；46、第一换向器行星齿轮；47、第二换向器行星齿轮；48、行星齿轮轴；49、内齿轮。
具体实施方式
38.下面将结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
39.请参阅图1，本发明提供的一种两级风力发电机装置结构示意图，包括第一级叶轮1、风速风向测量装置2、第二级叶轮3、变桨装置4、第一导流罩5、机舱主体6、第二导流罩7、偏航装置8和塔架9。
40.请参阅图2，本发明提供的一种两级风力发电机装置的机舱主体6的内部结构示意图，所述机舱主体6内部包含第一级叶轮转子10、增速箱11、第一联轴器12、连续变速箱13、第二联轴器14、发电机15、第三联轴器16、正反换向器17、第四联轴器18、平行轴齿轮箱19和第二级叶轮转子20。
41.请参阅图3，本发明提供的一种两级风力发电机装置的连续变速箱13的结构示意图，所述连续变速箱13由一系列零件组成，包括动力输入轴21、第一支撑轴承22、第一固定锥轮23、主轴可移动锥轮24、第二支撑轴承25、第一输出轴26、第一液压油管路27、第一液压油腔室28、梯形止推带29、第二液压油管路30、副轴端31、第三支撑轴承32、第二液压油腔室33、副轴可移动锥轮34、第二固定锥轮35、第四支撑轴承36和第二输出轴37。
42.请参阅图4，本发明提供的一种两级风力发电机装置的正反换向器17的结构示意图，所述正反换向器17由一系列零件组成，包括换向器输入轴38、第一换向器支撑轴承39、换向器壳体40、换向器输出轴41、第二换向器支撑轴承42、正转离合器43、反转离合器44、换向器太阳轮45、第一换向器行星齿轮46、第二换向器行星齿轮47、行星齿轮轴48和内齿轮49。
43.优选的，本发明提供的一种两级风力发电机装置是一种水平轴风力发电机，由前后两级叶轮组成，每级叶轮有三只叶片，所述第一级叶轮1位于风能捕捉的迎风端，所述第二级叶轮3位于风能捕捉的背风端，第一级叶轮1的叶片长度可以大于第二级叶轮3的叶片长度；所述风速风向测量装置2用于测量获取实时的风速和风向信息，所述偏航装置8基于风向信息改变风力发电机装置整体的迎风方向，保证第一级叶轮1始终位于迎风面；所述变桨装置4分别位于第一级叶轮1和第二级叶轮3上，可以独立控制两级叶轮的叶片角度，使其与风向保持合适的夹角，以提高风能利用率，变桨装置4可以根据风速风向测量装置2的数据来自动调节叶片角度；所述第一导流罩5和第二导流罩7分别位于迎风端和背风端，用于引导气流流经型线表面，具有降噪和提高稳定性的作用；所述机舱主体6为本发明提出的一种两级风力发电机装置的核心部件，位于第一导流罩5和第二导流罩7之间，底部由塔架9支撑，机舱主体6具有实现第一级叶轮1和第二级叶轮3动力传递、转速配比调节、转动方向调节的功能以及实现能量转换。
44.优选的，本发明提供的一种两级风力发电机装置的机舱主体6包含多个重要组件：所述第一级叶轮转子10与第一级叶轮1相连，用于将第一级叶轮1的输入转动力传递给增速箱11；所述增速箱11与第一级叶轮转子10和第一联轴器12相连，将低速、高扭矩的输入转化为高速、低扭矩的输出，提高转速并通过第一联轴器12将输出传递给连续变速箱13；所述连续变速箱13由一系列组件组成，其输入端与第一联轴器12相连，输出端分别与第二联轴器14和第三联轴器16相连，其中第二联轴器14与发电机15相连，将连续变速箱13的输出传递给发电机15，将机械能转化为电能，并输出到电力传输系统，第三联轴器16与后续的正反换向器17相连，经平行轴齿轮箱19将动力传递到第二级叶轮3，连续变速箱13可根据风速的变化，调整第一级叶轮1和第二级叶轮3的转速比，实现最佳的匹配；所述正反换向器17由一系列组件组成，是风力发电机中用于调整第二级叶轮3旋转方向的关键部件，其根据风速风向测量装置2测量获取实时的风速和风向信息在需要时实现第二级叶轮3的正转和反转切换；所述第四联轴器18连接正反换向器17和平行轴齿轮箱19，将正反换向器17的输出传递给平行轴齿轮箱19；所述平行轴齿轮箱19连接第二级叶轮转子20，通过平行轴齿轮传动实现动
力传递，用于保证第二级叶轮转子20与第一级叶轮转子10同轴心，以减少与第二级叶轮转子20相连的第二级叶轮3在同向或反向转动时，不会由于和第一级叶轮1的轴心偏差所导致的整体机舱的振动。
45.优选的，本发明提供的一种两级风力发电机装置的连续变速箱13通过一系列的组件来实现转速的连续调节：所述连续变速箱13通过梯形止推带29连接两个部分实现动力传递，第一部分由动力输入轴21、第一支撑轴承22、第一固定锥轮23、主轴可移动锥轮24、第二支撑轴承25和第一输出轴26组成，第一部分的动力输入轴21与第一联轴器12相连，传递来自第一级叶轮1的动力输入，第一输出轴26与第二联轴器14相连，将机械能传递给发电机15实现电能转化；第二部分由副轴端31、第三支撑轴承32、副轴可移动锥轮34、第二固定锥轮35、第四支撑轴承36和第二输出轴37组成，第二输出轴37通过与第三联轴器16相连实现对第二级叶轮3的转动速度控制和负载方式的调节；所述梯形止推带29的一端由第一固定锥轮23和主轴可移动锥轮24夹紧，另一端由副轴可移动锥轮34和第二固定锥轮35夹紧，其中主轴可移动锥轮24和副轴可移动锥轮34由液压推力控制沿轴向滑动，能够收紧或打开；所述第一输出轴26与主轴可移动锥轮24包含的空间为第一液压油腔室28，第一液压油管路27经过第一输出轴26，通过第一液压油管路27的流量变化能够控制第一液压油腔室28内液压油的压力，进而调节主轴可移动锥轮24的位置；所述副轴端31的一端悬空，由第三支撑轴承32进行支撑和固定，另一端与副轴可移动锥轮34包含的空间为第二液压油腔室33，第二液压油管路30从悬空的一侧经过副轴端31，通过第二液压油管路30的流量变化能够控制第二液压油腔室33内液压油的压力，进而调节副轴可移动锥轮34的位置；主轴可移动锥轮24和副轴可移动锥轮34通过挤压梯形止推带29来调节两侧的旋转半径，进而改变传动比：当主轴可移动锥轮24向内移动收紧时，梯形止推带29在锥形盘的挤压下向圆心外移动，传动直径增大，传动比增大；当主轴可移动锥轮24向外移动打开时，梯形止推带29向圆心内移动，传动直径减小，传动比减小；通过液压调节主轴可移动锥轮24和副轴可移动锥轮34的位置改变梯形止推带29在两端的转动半径，连续变速箱13可以实现无级调节的转速和传动比，连续变速箱13能够根据风速风向测量装置2测量的信号变化和发电机15的负载需求，实时调整传动比，以实现最高效率的能量转换，保证整个装置在全速域范围的稳定性和高性能。
46.优选的，本发明提供的一种两级风力发电机装置的正反换向器17通过一系列的组件来灵活实现转向的切换：所述换向器输入轴38通过第三联轴器16连接到前一级的传动系统，即连续变速箱13的动力通过第二输出轴37传递到正反换向器17；所述第一换向器支撑轴承39和第二换向器支撑轴承42用于固定和支撑换向器输入轴38和换向器输出轴41，确保其稳定运行；所述换向器壳体40为正反换向器13提供外部的结构支撑和保护，同时容纳其他零件，换向器壳体40通过反转离合器44与内齿轮49相连，当反转离合器44处于结合状态时，内齿轮49与换向器壳体40固定，无法转动，当反转离合器44处于分离状态时，内齿轮49与换向器壳体40脱离，可以自由转动；所述换向器输入轴38直接与换向器太阳轮45相连，换向器输入轴通过正转离合器43与内齿圈49相连，当正转离合器43处于结合状态时，内齿轮49与换向器输入轴38、换向器太阳轮45固接，保持同向同转速转动，当正转离合器43处于分离状态时，内齿轮49脱离，可以自由转动；所述换向器输出轴41即为换向器行星齿轮盘，行星齿轮轴48固定在换向器输出轴41的前端面上，第一换向器行星齿轮46和第二换向器行星齿轮47啮合，绕行星齿轮轴48转动，换向器输出轴41的后端面通过第四联轴器18与下一级
传动机构平行轴齿轮箱19相连；所述正反换向器17通过控制正转离合器43和反转离合器44的离合状态，可以实现正向和反向转动，具体的可实施控制逻辑如下：当正转离合器43结合、反转离合器44脱离时，换向器太阳轮45和内齿轮49固接，第一换向器行星齿轮46和第二换向器行星齿轮47无法自由转动，动力从换向器输入轴38直接传递至换向器输出轴41，实现正向、同转速转动；反之，当正转离合器43脱离、反转离合器44结合时，内齿轮49与换向器壳体40固定，无法转动，动力经过换向器输入轴38传递至换向器太阳轮45，换向器太阳轮45与第一换向器行星齿轮46啮合，第一换向器行星齿轮46与输入反向旋转，第一换向器行星齿轮46和第二换向器行星齿轮47啮合经过动力传递，第二换向器行星齿轮46与输入同向旋转，而由于内齿轮49与换向器壳体40固定无法转动，第二换向器行星齿轮46的动力传递至行星齿轮轴48，行星齿轮轴48带动换向器输出轴41转动，换向器输出轴41的转动方向与第二换向器行星齿轮46相反，进而实现换向器输出轴41与换向器输入轴38反向转动；所述正转离合器43与反转离合器44可采用电子控制的机械式或者液压式装置，两个离合器的具体状态根据风速风向测量装置2测量的信号和发电机15的负载需求，能够灵活地实现转向的切换，在低风速下，实现第一级叶轮1与第二级叶轮3同向转动，两级的动力输出同时传入发电机15以实现最高效率的能量转换；在低风速下，实现第一级叶轮1与第二级叶轮3反向转动，第二级叶轮3作为负载，以达到降低第一级叶轮1的转速的目的，可以有效地防止风力发电机失速，同时同轴心的两级叶轮进行反向转动可以有效的抵消扭矩，保证整个装置在高风速区间运行的稳定性。
47.优选的，本发明提供的一种两级风力发电机装置具有如下的运行方式特征：根据风速风向测量装置2测量的风向信息，由偏航装置4改变风力发电机装置整体的迎风方向，保证第一级叶轮1始终位于迎风面；根据风速风向测量装置2测量的风速信息，判断当风速较小时，由正反换向器17执行正转离合器43结合、反转离合器44脱离的指令，实现第一级叶轮1与第二级叶轮3同向转动，两级叶轮转动的速比和动力传动特性由连续变速箱13控制和调节，以适应不同的风速下实现高效的风能提取，将两级叶轮的输出同时传入发电机15，以增加发电效率和稳定性，此时，变桨装置4将前后两级叶轮的叶片角度调节为较大值，以增加扫风面积和效率；根据风速风向测量装置2测量的风速信息，判断当风速较大时，由正反换向器17执行正转离合器43脱离、反转离合器44结合的指令，实现第一级叶轮1与第二级叶轮3反向转动，将第二级叶轮3作为负载，以降低第一级叶轮1的转速，可以有效地防止风力发电机失速，两级叶轮转动的速比和动力传动特性由连续变速箱13控制和调节，以适应不同的风速下实现高效的风能提取，同时同轴心的两级叶轮进行反向转动可以有效的抵消扭矩，保证整个装置在高风速区间运行的稳定性。此时，变桨装置4将前后两级叶轮的叶片角度调节为较小值，以减少扫风阻力避免叶片折断。
48.综上所述，本发明提供的一种两级风力发电机装置通过设置两级叶轮结构、连续变速调节、灵活转向切换和振动抑制等技术手段，能够有效提高风能的利用效率、扩大适用风速范围，提高系统的稳定性和振动抑制能力，可广泛应用于风力发电领域，为更高效、可靠和持续的风能转化提供了一种新的解决方案。
49.最后应当说明的是：以上实施例仅是本发明的优选实施方式，仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未
脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种两级风力发电机装置，其特征在于，包括第一级叶轮、风速风向测量装置、第二级叶轮、变桨装置、第一导流罩、机舱主体、第二导流罩、偏航装置和塔架；机舱主体的两端分别为第一导流罩和第二导流罩，机舱主体的底部通过偏航装置设置在塔架上；风速风向测量装置设置在机舱主体上，用于测量获取实时的风速和风向信息；第一级叶轮位于风能捕捉的迎风端，所述第二级叶轮位于风能捕捉的背风端，第一级叶轮通过变桨装置设置在第一导流罩的周向上，第二级叶轮通过变桨装置设置在第二导流罩的周向上；机舱主体用于实现第一级叶轮和第二级叶轮动力传递、转速配比调节、转动方向调节的功能以及实现能量转换。2.根据权利要求1所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，第一级叶轮和第二级叶轮均有三只叶片，第一级叶轮的叶片长度大于第二级叶轮的叶片长度。3.根据权利要求1所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，所述机舱主体的内部包含第一级叶轮转子、增速箱、第一联轴器、连续变速箱、第二联轴器、发电机、第三联轴器、正反换向器、第四联轴器、平行轴齿轮箱和第二级叶轮转子；第一级叶轮转子与第一级叶轮相连，用于将第一级叶轮的输入转动力传递给增速箱；增速箱与第一级叶轮转子和第一联轴器相连，用于将低速、高扭矩的输入转化为高速、低扭矩的输出，提高转速并通过第一联轴器将输出传递给连续变速箱；连续变速箱的输出端分别与第二联轴器和第三联轴器相连，第二联轴器与发电机相连，用于将连续变速箱的输出传递给发电机，将机械能转化为电能，并输出到电力传输系统，第三联轴器与后续的正反换向器相连，经平行轴齿轮箱将动力传递到第二级叶轮，连续变速箱可根据风速的变化，调整第一级叶轮和第二级叶轮的转速比；第四联轴器连接正反换向器和平行轴齿轮箱，用于将正反换向器的输出传递给平行轴齿轮箱；所述平行轴齿轮箱连接第二级叶轮转子，通过平行轴齿轮传动实现动力传递，用于保证第二级叶轮转子与第一级叶轮转子同轴心。4.根据权利要求3所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，连续变速箱包括动力输入轴、第一支撑轴承、第一固定锥轮、主轴可移动锥轮、第二支撑轴承、第一输出轴、第一液压油管路、第一液压油腔室、梯形止推带、第二液压油管路、副轴端、第三支撑轴承、第二液压油腔室、副轴可移动锥轮、第二固定锥轮、第四支撑轴承和第二输出轴；所述连续变速箱通过梯形止推带连接两个部分实现动力传递，第一部分由动力输入轴、第一支撑轴承、第一固定锥轮、主轴可移动锥轮、第二支撑轴承和第一输出轴组成，第一部分的动力输入轴与第一联轴器相连，传递来自第一级叶轮的动力输入，第一输出轴与第二联轴器相连，将机械能传递给发电机实现电能转化；第二部分由副轴端、第三支撑轴承、副轴可移动锥轮、第二固定锥轮、第四支撑轴承和第二输出轴组成，第二输出轴通过与第三联轴器相连实现对第二级叶轮的转动速度控制和负载方式的调节；所述梯形止推带的一端由第一固定锥轮和主轴可移动锥轮夹紧，另一端由副轴可移动锥轮和第二固定锥轮夹紧，其中主轴可移动锥轮和副轴可移动锥轮由液压推力控制沿轴向滑动，能够收紧或打开；所述第一输出轴与主轴可移动锥轮包含的空间为第一液压油腔室，第一液压油管路经过第一输出轴，通过第一液压油管路的流量能够控制第一液压油腔室内液压油的压力，进而调节主轴可移动锥轮的位置；所述副轴端的一端悬空，由第三支撑轴承进行支撑和固定，另一端与副轴可移动锥轮包含的空间为第二液压油腔室，第二液压油管路从悬空的一侧经过副轴端，通过第二液压油管路的流量能够控制第二液压油腔室内液压
油的压力，进而调节副轴可移动锥轮的位置；主轴可移动锥轮和副轴可移动锥轮通过挤压梯形止推带来调节两侧的旋转半径，进而改变传动比；通过液压调节主轴可移动锥轮和副轴可移动锥轮的位置改变梯形止推带在两端的转动半径，连续变速箱能够实现无级调节的转速和传动比，连续变速箱能够根据风速风向测量装置测的信号变化和发电机的负载需求，实时调整传动比，以实现最高效率的能量转换。5.根据权利要求4所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，当主轴可移动锥轮向内移动收紧时，梯形止推带在锥形盘的挤压下向圆心外移动，传动直径增大，传动比增大。6.根据权利要求4所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，当主轴可移动锥轮向外移动打开时，梯形止推带向圆心内移动，传动直径减小，传动比减小。7.根据权利要求4所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，所述正反换向器包括换向器输入轴、第一换向器支撑轴承、换向器壳体、换向器输出轴、第二换向器支撑轴承、正转离合器、反转离合器、换向器太阳轮、第一换向器行星齿轮、第二换向器行星齿轮、行星齿轮轴和内齿轮；所述换向器输入轴通过第三联轴器连接到前一级的传动系统，即连续变速箱的动力通过第二输出轴传递到正反换向器；所述第一换向器支撑轴承和第二换向器支撑轴承用于固定和支撑换向器输入轴和换向器输出轴；所述换向器壳体为正反换向器提供外部的结构支撑和保护，换向器壳体通过反转离合器与内齿轮相连；所述换向器输入轴直接与换向器太阳轮相连，换向器输入轴通过正转离合器与内齿圈相连；所述换向器输出轴即为换向器行星齿轮盘，行星齿轮轴固定在换向器输出轴的前端面上，第一换向器行星齿轮和第二换向器行星齿轮啮合，绕行星齿轮轴转动，换向器输出轴的后端面通过第四联轴器与下一级传动机构平行轴齿轮箱相连；所述正反换向器通过控制正转离合器和反转离合器的离合状态，能够实现正向和反向转动。8.根据权利要求7所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，当反转离合器处于结合状态时，内齿轮与换向器壳体固定，无法转动，当反转离合器处于分离状态时，内齿轮与换向器壳体脱离，能够自由转动。9.根据权利要求7所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，当正转离合器处于结合状态时，内齿轮与换向器输入轴、换向器太阳轮固接，保持同向同转速转动，当正转离合器处于分离状态时，内齿轮脱离，能够自由转动。10.根据权利要求7所述的一种两级风力发电机装置，其特征在于，当正转离合器结合、反转离合器脱离时，换向器太阳轮和内齿轮固接，第一换向器行星齿轮和第二换向器行星齿轮无法自由转动，动力从换向器输入轴直接传递至换向器输出轴，实现正向、同转速转动；反之，当正转离合器脱离、反转离合器结合时，内齿轮与换向器壳体固定，无法转动，动力经过换向器输入轴传递至换向器太阳轮，换向器太阳轮与第一换向器行星齿轮啮合，第一换向器行星齿轮与输入反向旋转，第一换向器行星齿轮和第二换向器行星齿轮啮合经过动力传递，第二换向器行星齿轮与输入同向旋转，而由于内齿轮与换向器壳体固定无法转动，第二换向器行星齿轮的动力传递至行星齿轮轴，行星齿轮轴带动换向器输出轴转动，换向器输出轴的转动方向与第二换向器行星齿轮相反，进而实现换向器输出轴与换向器输入轴反向转动；所述正转离合器与反转离合器采用电子控制的机械式或者液压式装置，两个离合器的具体状态根据风速风向测量装置测量的信号和发电机的负载需求，能够灵活地实
现转向的切换，在低风速下，实现第一级叶轮与第二级叶轮同向转动，两级的动力输出同时传入发电机以实现最高效率的能量转换；在低风速下，实现第一级叶轮与第二级叶轮反向转动，第二级叶轮作为负载，以达到降低第一级叶轮的转速的目的。

技术总结
本发明公开了一种两级风力发电机装置，采用了两级叶轮结构、连续变速调节、灵活转向切换和振动抑制等技术手段，以提高风能的利用效率、扩大适用风速范围，增强系统的稳定性和振动抑制能力。该装置包括第一级叶轮、风速风向测量装置、第二级叶轮、变桨装置、第一导流罩、机舱主体、第二导流罩、偏航装置和塔架；进一步的机舱主体内包含第一级叶轮转子、增速箱、第一联轴器、连续变速箱、第二联轴器、发电机、第三联轴器、正反换向器、第四联轴器、平行轴齿轮箱和第二级叶轮转子。本发明适用于风力发电领域，为更高效、可靠和持续的风能转化提供了一种解决方案。种解决方案。种解决方案。


技术研发人员：张荻 朱发挥 李云珠 谢永慧 廖光清 李昊
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/9