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CN101849101B - 发电机、舱体以及风能转换器舱体的安装方法 - Google Patents

发电机、舱体以及风能转换器舱体的安装方法 Download PDF

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CN101849101B
CN101849101B CN200980100023.7A CN200980100023A CN101849101B CN 101849101 B CN101849101 B CN 101849101B CN 200980100023 A CN200980100023 A CN 200980100023A CN 101849101 B CN101849101 B CN 101849101B
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Abstract

本发明提供一种风能转换器的舱体、风能转换器舱体相应的安装方法、以及用于风能转换器的发电机。该舱体包括：主框架；包括定子和转子的发电机；发电机壳体，该发电机壳体附连于主框架，并且至少部分地包围定子和转子空间；其中，发电机壳体(20；20’)具有第一侧面和第二侧面(S1，S2)；其中，发电机壳体(20；20’)的第一侧面(S1)暴露出转子空间(21)；以及凸缘，该凸缘以可旋转的方式支撑在主框架上，并且具有连接于转子的第一端；其中，转子从第一侧面(S1)伸入转子空间(25)中而不在发电机壳体中得到支撑。

Description

发电机、舱体以及风能转换器舱体的安装方法
技术领域
本发明涉及发电机、舱体以及风能转换器舱体的安装方法。
背景技术
风能转换器是一种将风中的动能转换为电力并将所述电力送入电网中的旋转机器。
风能转换器通常包括设在塔架上的舱体。该舱体(也叫作吊舱)包括：配备有叶片的转子头；以及与转子头相连的主轴(也叫作毂)，其与转子头一体地旋转。此外，舱体能够绕竖直轴线旋转，以主动或被动地跟随风向。
第一种类型的舱体还包括：与主轴相连的齿轮箱，其在接收到提供给叶片的风能时转动；以及由来自齿轮箱的输出轴驱动的发电机。根据具有该结构的风能转换器，配备有叶片的转子头将风能转换成扭矩，并且主轴旋转以产生第一转速。该第一转速通过与主轴相连的齿轮箱而增大，并且相应的更大的第二转速被传递给发电机的转子。
没有齿轮箱的第二种类型的舱体使用具有变频AC发电机的直接驱动式涡轮机。特别的高功率电子设备将变频转换成电网中的恒定频率。
在当前的风能转换器中，利用起重机将预先组装的舱体安装在塔架上是非常困难和复杂的，因为单独的部件必须着重对待。舱体可以是全部预先装配好的，或者可以是分成多个部分依次安装到塔架的顶部上。
采用分开的舱体部分的安装方法简化了利用起重机情况下的运输；然而，它需要在塔架顶部上执行另外的复杂安装步骤。
由于舱体的部件沉重，其总重通常在50至100吨之间，因此在运输和安装方面通常都存在问题。
EP 1921310A1公开了一种风电场的舱体，其已知包括一同运行的、串联设置的发电机和齿轮箱，其中第一轴承在齿轮箱的输入侧支撑转子，第二轴承在发电机的输出侧支撑转子。
对于没有齿轮箱的舱体，转子通常由发电机输入侧上的第一轴承和发电机输出侧上的第二轴承支撑。
这是必要的，因为发电机的转子和定子之间的空气间隙一般在2mm至6mm的范围内。换句话说，该空气间隙非常小，必须要输入轴承和输出轴承来避免机械公差的不利影响。
发明内容
在一般的方面，风能转换器的舱体包括：主框架；包括定子和转子的发电机；以及发电机壳体，该发电机壳体附连于主框架，并且至少部分地包围定子和转子空间。该发电机壳体具有第一侧面，该第一侧面暴露出转子空间。凸缘以可旋转的方式支撑在主框架上，并且包括连接于转子的第一端。该转子从第一侧面伸入转子空间而不在发电机壳体中得到支撑。
在另一方面，风能转换器的舱体包括：主框架；包括定子和转子的发电机；发电机壳体，该发电机壳体附连于主框架，并且至少部分地包围定子和转子空间；以及凸缘，该凸缘以可旋转的方式支撑在主框架上，并且包括连接于转子的第一端。该转子伸入转子空间而不在发电机壳体中得到支撑。
实施例可以包括以下内容的一个或多个。凸缘包括第二端，该第二端连接于用于附连转子叶片的毂。发电机壳体为大致圆柱形，例如圆柱形的杯状。发电机壳体包括第一侧面，该第一侧面暴露出转子空间。发电机壳体包括与第一侧面相反的第二侧面，所述第二侧面包括至少一个开口。
主框架与发电机壳体的外表面形成封闭。主框架包括第一部件和第二部件，所述第一部件和第二部件以可拆卸的方式相互连接，并且包围发电机壳体。定子和转子之间的空气间隙为至少1cm，例如在1cm至5cm之间。定子和转子中的至少一个包括超导体。
在另外的方面，风能转换器的舱体的安装方法包括以下步骤：将主框架的第一部件安装到塔架上，将以可旋转的方式被支撑的、包括第一端的凸缘安装到主框架的第一部件上，提供至少部分地包围定子和转子空间的发电机壳体，在转子空间中设置隔离物，将转子插入到转子空间中以使隔离物位于转子和定子之间，将包括插入的转子的发电机壳体安装到主框架的第一部件上，将凸缘的第一端连接到转子上，以及取出隔离物，以使转子伸入转子空间而不在发电机壳体中得到支撑。
实施例可以包括以下内容中的一个或多个。主框架的第二部件被安装成使所述第一部件和第二部件包围发电机壳体。所述凸缘包括第二端。该方法还包括将第二端连接到用于附连转子叶片的毂上的步骤。安装凸缘的步骤包括将由轴承壳体支撑的轴承安装在主框架的第一部件上。
在另一方面，发电机包括：定子；转子；发电机壳体，该发电机壳体至少部分地包围定子和转子空间；主框架，发电机壳体附连于该主框架；凸缘，该凸缘包括连接于转子的第一端；以及安装于主框架的单个圆柱形轴承，该单个圆柱形轴承支撑凸缘。转子伸入转子空间中而不在发电机壳体中得到支撑。
实施例可以包括以下内容中的一个或多个。发电机壳体为大致圆柱形，例如圆柱形的杯状。发电机壳体包括第一侧面，该第一侧面暴露出转子空间。发电机壳体包括与第一侧面相反的第二侧面，该第二侧面包括至少一个开口。
定子和转子之间的空气间隙为至少1cm，例如在1cm至5cm之间。定子和转子中的至少一个包括超导体。在发电机壳体中设有冷却系统。在发电机壳体中设有传感器。
利用在此描述的发电机，能够将发电机壳体集成到主框架中，所述发电机壳体包括若干个部件，例如发电机和发电机的定子，但是所述发电机壳体不对转子进行支撑。通过将这种特殊的发电机壳体集成到主框架中，能够大大减少发电机的运输和安装问题。
此外，发电机壳体还可以包括刚性改善部件。根据壳体的刚性，主框架的刚性能够得到支撑或补偿。通常，壳体的刚性由主框架决定。此外，可以包括经改善的可测试性部件。该发电机壳体使得整个发电机的测试过程变得容易，因为只需要单个分开安装的轴承和转子。
圆柱形壳体可以在后侧完全或部分地封闭/敞开。通过这种构造，可以安装这样一种设备：其允许容易地将壳体集成到主框架中，以及容易地将壳体从主框架中取出。
优选的是，壳体为圆柱形壳体。如果壳体选用圆柱形，则仅有扭转力被传递到圆柱形壳体中。
通过敞开式后侧构造，能够非常容易地分成几部分来组装/拆卸该发电机；这种构造使得壳体内所有集成部件的技术维护变得容易。
可以设置与冷却和加热回路相联的集成式温度测量系统，该温度测量系统监测温度，并且根据所监测到的温度而启动或停止该集成的冷却或加热回路。
在此描述的发电机和舱体提供了显著的优点。该发电机壳体在运输和安装过程中为集成的敏感部件提供了保护。将发电机壳体固定到已安装好的塔架和部分安装或完全安装好的舱体中要比提升和安装完全预先组装好的舱体容易的多。
基于更容易的运输和组装、集成的冷却/加热以及改善的刚性，所有上述优点将有助于减少风能涡轮机制造中的整体成本。简化的测试条件也明显有助于减少成本。
另外的方面在附图中示出，并且在本说明书的以下部分中详细加以描述。
附图说明
图1a、1b是示出舱体的一个实施例的内部结构的示例的截面图，其中图1a是沿叶片旋转轴线A的纵截面图，图1b是沿舱体旋转轴线B(在图1a中标为A-A’)的横截面图；
图2a-2c是示出图1a的圆柱形发电机壳体的不同视图，其中图2a是沿叶片旋转轴线A的竖直截面图，图2b是侧面S1的侧视图，图2c是侧面S2的侧视图；
图3a-3c是示出可在图1a的舱体中使用的圆柱形发电机壳体的另一示例的不同视图，其中图3a是侧面S1的侧视图，图3b是沿叶片旋转轴线A的竖直截面图，图3c是侧面S2的侧视图；
图4a、4b是用于说明图1a、1b的舱体的安装方法的截面图；
图5是示出风能转换器的整体结构的示例的侧视图。
在所有附图中，相同的附图标记指代相同或功能上等同的装置。应当注意，用于说明具体操作模式的单个附图并不包括所有细节，而是仅示出用于说明相应的模式所需的细节。
具体实施方式
图5是示出了风能转换器的整体结构的示例的侧视图。风能转换器1包括：放置在基底6上的塔架2；设在塔架2的上端上的舱体3，舱体3能够绕基本竖直的轴线B旋转；以及设在舱体3上的转子头4，转子头4包括用于固定转子叶片5的毂(未示出)，该转子头4能够绕基本水平的轴线A旋转。
多个叶片5被附连到转子头4上，以围绕旋转轴线A径向设置。因此，从转子头4的可变旋转轴线A的方向供应到叶片5的风能被转换成使转子头4围绕该旋转轴线旋转的机械能。
图1a、1b是示出舱体的内部结构的示例的截面图，其中图1a是沿叶片旋转轴线A的纵截面图，图1b是沿舱体旋转轴线B(在图1a中标为A-A’)的横截面图。
在图1a中示出了塔架2的顶部。舱体3安装在塔架2的顶部上。
舱体3包括主框架10，主框架10具有下部10a和上部10b，所述下部10a和上部10b包围由下部10a和上部10b的圆柱形内表面01限定的圆柱形空间(参见图1b)。
借助螺栓13、14将上部10b安装到下部10a上，其中所述螺栓13、14安装在凸缘11a、12a和凸缘11b、12b中，凸缘11a、12a一体地设置在下部10a中，凸缘11b、12b一体地设置在上部10b中。下部10a和上部10b以形成封闭的方式包围圆柱形的发电机壳体20，所述壳体20包括定子30a和转子空间21。应当提及的是，该发电机壳体20是预先组装好的部件，它可以单独地安装在主框架的下部10a和上部10b之间，特别是在没有转子30b的情况下。
圆柱形的发电机壳体20具有第一侧面S1和第二侧面S2。在该示例中，第二侧面S2完全封闭，使得发电机壳体20呈圆柱形的杯状。
第一侧面S1是敞开的，并且暴露出转子空间21。由轴承壳体46支撑的圆柱形轴承45安装在主框架10的第一和第二部分10a、10b之间，所述轴承45以可旋转的方式支撑凸缘40，所述凸缘40具有第一和第二端E1、E2，并且沿轴线A呈Y形截面。
凸缘40的第一端E1连接于转子30b，所述转子30b穿过发电机壳体20的第一侧面S1无接触地插入转子空间21中。换句话说，转子30b从第一侧面S1伸入转子空间21，同时未在发电机壳体20上得到支撑，而只是受到插入在轴承45中的凸缘40的支撑。因此，与已知结构形成对比的是，在该构造中只需要位于发电机壳体20外部的单个轴承45，这样减少了构造的复杂程度和成本。
在该示例中，转子30b和定子30a之间的空气间隙25达到大约2，5cm，因为该示例中的定子线圈是借助发电机壳体20中的管子(未示出)来冷却的超导线圈。转子30b远离凸缘40的末端也距离发电机20的第二侧面S2呈间隙26，该间隙通常也为若干厘米。
根据轴承45和其它发电机部件的机械公差，空气间隙25可以制成小于2，5cm。然而，在空气间隙25为1cm以下的情况下，难以利用单个轴承45来实现这种结构，并且在发电机壳体20的外部可能需要另外的轴承。这也是因为由作用在转子头4上的负载(即，风载和重量负载)引起的混凝土构造上的变形。
此外，凸缘40的第二端E2附连有毂50，毂50用于附连转子叶片(未示出)。在作用于转子叶片的风的驱动下，具有凸缘40和附连的毂50的转子能够绕水平轴线A旋转。
另外，在该示例中，在主框架10的底部10a附连有另外的凸缘60，所述凸缘60由设在塔架2的顶部上的轴承70支撑，以使得舱体3能够绕竖直轴线B旋转，以便能够主动地跟随风向。这种对风向的主动跟随是通过齿轮传动装置80来实现的，所述齿轮传动装置80以常规的方式作用在凸缘60的内周上。
应该提及的是，主框架的下部10a和凸缘60可以实现为单个部件。
图2a-2c是示出图1a的圆柱形发电机壳体的不同视图，其中图2a是沿叶片旋转轴线A的竖直截面图，图2b是侧面S1的侧视图，图2c是侧面S2的侧视图。
如可从图2a-2c中看到的那样，圆柱形的发电机壳体20在其第二侧面S2上封闭，而在其第一侧面S1上敞开，使得在已将发电机壳体20安装在主框架10的下部10a上之后，能够容易地将转子30b从敞开的侧面S1插入转子空间21中。
图3a-3c是示出可在图1a的舱体中使用的圆柱形发电机壳体的另一示例的不同视图，其中图3a是侧面S1的侧视图，图3b是沿叶片旋转轴线A的竖直截面图，而图3c是侧面S2的侧视图。
在图3a-3c所示的示例中，在圆柱形壳体20’的壁中集成了另外的部件。具体地，存在冷却/加热装置100a、100b，冷却/加热装置100a、100b在第二侧面S2上具有相应的连接开口。
此外，存在集成的传感器装置101a、101b，其用于感测圆柱形的发电机壳体20的温度，并且也在第二侧面S2上具有相应的开口。
此外，在圆柱形的发电机壳体20’的侧面S2上具有维护开口24，维护开口24允许容易地接触到发电机的部件。通过敞开的后侧构造，能够非常容易地分成几部分来组装/拆卸发电机，并且这种构造使得壳体内的所有集成部件的技术维护变得容易。
图4a、4b是用于说明图1a、1b的舱体的安装方法的截面图。
关于图4a，在第一步骤中，将第一轴承70安装到塔架2的顶部上。
然后，将凸缘60连接到主框架10的下部10a上。此后，将凸缘40和由轴承壳体46支撑的轴承45安装到主框架10的下部10a上。预先组装好的部件10a、60、45、46和40一起被提起，并且安装在塔架2的顶部上。
在接下来的步骤中，以已知的方式安装用于舱体3围绕竖直轴线B的旋转运动的齿轮传送装置80，这样就形成了图4a中示出的配置。
在下一步骤中，如图4b所示，将转子30b插入到发电机壳体20内的转子空间21中，以使得转子30b从第一侧面S1伸入转子空间21中而不接触定子30a，且通过空气间隙隔离物47与定子30a分开，并且通过间隙26与圆柱形的发电机壳体20的底部分开。在转子30b的安装过程中，空气间隙25中的空气间隙隔离物47(例如木材)起到保护定子30a的作用。
然后，将包括插入的转子30b的圆柱形发电机壳体提升到主框架10的下部10a上。在该示例中，发电机壳体20的圆柱形表面与主框架的下部10a的圆柱形表面01形成封闭，从而能够获得自对准的效果。
此后，借助螺帽/螺栓连接或类似的方式在凸缘40的第一端E1将凸缘40连接于转子30b。
最终，取出空气间隙隔离物47，并且将主框架10的上部10b安装到下部10a的顶部上，以包围轴承45和发电机壳体20，从而形成完全闭合的结构。然后借助图1b所示的固定螺栓13、14来实现主框架10的下部10a和上部10b的固定，然后通过螺帽/螺栓或类似的方式将毂50连接于凸缘40的端部E2。由此获得图1a的结构。
另外的步骤，例如附连转子叶片以及线缆和管道连接件等，将不在此处进行解释，因为它们在本领域是公知的。
虽然已参照实施例对本发明进行了描述，但是本发明并不限于此，而是能够以对本领域技术人员显而易见的各种方式进行修改。因此，意在使本发明仅由权利要求的范围来限定。
特别地，本发明不限于在实施例中示出的圆柱形几何结构，而是可适用于任何几何结构。

Claims (20)

1.一种风能转换器的舱体，包括：
安装在塔架(2)上的主框架(10；10a；10b)的第一部件(10a)；
以可旋转的方式被支撑的、包括第一端(E1)的凸缘(40)，所述凸缘(40)安装在所述主框架(10；10a；10b)的所述第一部件(10a)上；
发电机壳体(20；20’)，所述发电机壳体(20；20’)至少部分地包围定子(30a)和转子空间(21)，所述发电机壳体(20；20’)具有第一侧面和第二侧面(S1，S2)，所述发电机壳体(20；20’)的所述第一侧面(S1)暴露出所述转子空间(21)；
插入在所述转子空间(21)中的转子(30b)；
包括插入的所述转子(30b)的所述发电机壳体(20；20’)安装在所述主框架(10；10a；10b)的所述第一部件(10a)上；
所述凸缘(40)的所述第一端(E1)连接到所述转子(30b)上；以及
所述转子(30b)从所述第一侧面(S1)伸入所述转子空间(21)中而不在所述发电机壳体(20；20’)中得到支撑，单个圆柱形轴承以可旋转的方式支撑所述凸缘(40)。
2.如权利要求1所述的舱体，其中：
所述凸缘(40)包括第二端(E2)，所述第二端(E2)连接于用于附连转子叶片的毂(50)。
3.如权利要求1所述的舱体，其中：
所述发电机壳体(20；20’)为大致圆柱形。
4.如权利要求3所述的舱体，其中：
所述发电机壳体(20；20’)为圆柱形的杯状。
5.如权利要求1所述的舱体，其中：
所述第二侧面(S2)包括至少一个开口(24)。
6.如权利要求1所述的舱体，其中：
所述主框架(10；10a；10b)与所述发电机壳体(20；20’)的外表面形成封闭。
7.如权利要求1所述的舱体，其中：
所述主框架(10；10a；10b)包括第一部件(10a)和第二部件(10b)，所述第一部件(10a)和第二部件(10b)以可拆卸的方式相互连接，并且包围所述发电机壳体(20；20’)。
8.如权利要求1所述的舱体，其中：
所述凸缘(40)具有Y形截面。
9.如权利要求1所述的舱体，其中：
所述定子(30a)和转子(30b)之间的空气间隙(25)为至少1cm。
10.如权利要求9所述的舱体，其中：
所述定子(30a)和转子(30b)之间的空气间隙(25)在1cm至5cm之间。
11.如权利要求1所述的舱体，其中：
所述定子(30a)和转子(30b)中的至少一个包括超导装置。
12.一种风能转换器的舱体的安装方法，包括以下步骤：
将主框架(10；10a；10b)的第一部件(10a)安装到塔架(2)上；
将以可旋转的方式被支撑的、包括第一端(E1)的凸缘(40)安装到所述主框架(10；10a；10b)的所述第一部件(10a)上；
提供至少部分地包围定子(30a)和转子空间(21)的发电机壳体(20；20’)，其中，所述发电机壳体(20；20’)具有第一侧面和第二侧面(S1，S2)，并且其中所述发电机壳体(20；20’)的所述第一侧面(S1)暴露出所述转子空间(21)；
在所述转子空间(21)中设置隔离物(47)；
将转子(30b)插入到所述转子空间(21)中，以使所述隔离物(47)位于所述转子(30b)和定子(30a)之间；
将包括插入的转子(30b)的发电机壳体(20；20’)安装到所述主框架(10；10a；10b)的所述第一部件(10a)上；
将所述凸缘(40)的所述第一端(E1)连接到所述转子(30b)上；以及
取出所述隔离物(47)，使得所述转子(30b)从所述第一侧面(S1)伸入所述转子空间(21)中而不在所述发电机壳体(20；20’)中得到支撑，
其中，单个圆柱形轴承安装于所述主框架，所述单个圆柱形轴承以可旋转的方式支撑所述凸缘。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
所述主框架(10；10a；10b)的第二部件(10b)被安装成使得所述第一部件和第二部件(10a，10b)包围所述发电机壳体(20；20’)。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中：
所述凸缘(40)包括第二端(E2)，并且所述方法还包括将所述第二端(E2)连接到用于附连转子叶片的毂(50)上的步骤。
15.如权利要求12或13所述的方法，其中：
安装所述凸缘(40)的步骤包括将由轴承壳体(46)支撑的所述轴承(45)安装在所述主框架(10；10a；10b)的所述第一部件(10a)上的步骤。
16.如权利要求14所述的方法，其中：
安装所述凸缘(40)的步骤包括将由轴承壳体(46)支撑的所述轴承(45)安装在所述主框架(10；10a；10b)的所述第一部件(10a)上的步骤。
17.一种风能转换器的舱体的安装方法，包括以下步骤：
将主框架的第一部件安装到塔架上；
将以可旋转的方式被支撑的、包括第一端的凸缘安装到所述主框架的所述第一部件上；
提供包围定子和转子空间的发电机壳体；
在所述转子空间中设置隔离物；
将转子插入所述转子空间中，以使所述隔离物位于所述转子和定子之间；
将包括插入的转子的发电机壳体安装到所述主框架的所述第一部件上；
将所述凸缘的所述第一端连接到所述转子上；以及
取出所述隔离物，使得所述转子伸入所述转子空间中而不在所述发电机壳体中得到支撑，
其中，单个圆柱形轴承安装于所述主框架，所述单个圆柱形轴承以可旋转的方式支撑所述凸缘。
18.如权利要求17所述的方法，其中：
所述主框架的第二部件被安装成使得所述第一部件和第二部件包围所述发电机壳体。
19.如权利要求17所述的方法，其中：
所述凸缘包括第二端，并且所述方法还包括将所述第二端连接到用于附连转子叶片的毂上的步骤。
20.如权利要求17所述的方法，其中：
安装所述凸缘的步骤包括将由轴承壳体支撑的所述轴承安装在所述主框架的所述第一部件上的步骤。
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