CN113107774B - 风力发电机组及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组及其装配方法，其包括轮毂、主机架、第一永磁发电机和增速齿轮箱发电系统，第一永磁发电机包括转子和旋转轴，旋转轴沿第一永磁发电机的轴向贯穿，旋转轴的两端分别连接于轮毂和增速齿轮箱发电系统的输入端，增速齿轮箱发电系统包括箱体连接结构，其通过箱体连接结构支撑并连接于主机架。本发明提供的风力发电机组及其装配方法在低速永磁直驱风力发电机组的基础上增设了增速齿轮箱发电系统，从而将两种不同的发电机驱动方式进行组合，实现了功率混合相加的效果，不需要通过将结构大型化来实现大功率，也不需要建造更大功率的试验台，有利于制造、试验、运输、吊装及成本的控制。

Description

风力发电机组及其装配方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种风力发电机组及其装配方法。

背景技术

目前，针对风力发电领域，由于对风力发电机的功率等级的需求越来越大，使企业对风力发电机组进行升级，促使其功率提升的需求也愈加迫切。

风力发电机组通常分为中/高速带齿轮箱和低速永磁直驱式风力发电机组。对于中速带齿轮箱风力发电机组来说，现国内最大能够做到10MW，齿箱重量达到了100吨，外径达到了3m；低速永磁直驱风力发电机组相较于带增速齿轮箱的发电机组，减少了轴承、齿轮及运动部件，因此可靠性得到提高，对于低速永磁直驱风力发电机来说，现国内最大做到10MW的功率，国外最大做到了14MW。

对于低速直驱或带增速齿轮箱的风力发电机组来说，由于叶尖速度的限制，功率的增大，意味着结构、重量也要随着进行增大。例如，对于单一采用低速永磁发电机的风力发电机组，在相同的电磁设计及相同的风轮叶尖速度下，15MW低速永磁电机的重量时10MW低速永磁电机重量的1.68倍；对于采用增速齿轮箱的风力发电机组，第一级普遍采用行星齿轮传动，对于第一级齿圈尺寸来说，更大的功率则需要更大的齿圈尺寸，目前国内齿轮箱厂通用的热处理、加工设备规格均在3m以内，行车起吊能力在120吨以内，这对更大功率齿轮箱的制造带来很大困难。因此，功率越大，结构的尺寸越大型化，这对于整个设计、制造、试验、运输及吊装来说，都会存在较大难度，而为了匹配大兆瓦下的尺寸，整个制造、生产及运输过程的相应配合系统也需要进行调整，不利于制造、试验、运输、吊装及成本的控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的低速永磁直驱风力发电机组或增速齿轮箱风力发电机组因功率增大，导致结构尺寸及重量加大，对制造、试验、运输及吊装过程造成较大困难，不利于成本控制的缺陷，提供一种风力发电机组及其装配方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种风力发电机组，其包括轮毂、主机架和第一永磁发电机，所述第一永磁发电机包括转子和旋转轴，所述旋转轴沿所述第一永磁发电机的轴向贯穿，其特点在于，所述风力发电机组还包括增速齿轮箱发电系统，所述旋转轴的两端分别连接于所述轮毂和所述增速齿轮箱发电系统的输入端，所述增速齿轮箱发电系统包括箱体连接结构，所述增速齿轮箱发电系统通过所述箱体连接结构支撑并连接于所述主机架。

本技术方案中，在低速永磁直驱风力发电机组的基础上增设了增速齿轮箱发电系统，通过一箱体连接结构，将增速齿轮箱发电系统设置在风力发电机组的主机架内部，并且使其连接到旋转轴，从而能够接收自轮毂传递过来的扭矩，实现发电，即，该风力发电机组将两种不同的发电机驱动方式进行组合，从而使风力发电机组的整机运行功率通过发电机组合的方式实现了混合相加的效果，相对于单一的仅采用低速永磁发电机或增速齿轮箱发电系统的风力发电机组，不需要通过将结构大型化来实现大功率，也不需要建造更大功率的试验台，而是分别采用现有的供应链和试验台，有利于制造、试验、运输、吊装及成本的控制。

较佳地，所述增速齿轮箱发电系统包括增速齿轮箱和第二发电机，所述第二发电机集成于所述增速齿轮箱的内部，所述增速齿轮箱的输入端轴连接于所述旋转轴，所述增速齿轮箱的输出端轴连接于所述第二发电机。由于第二发电机与增速齿轮箱集成于一体，因此体积较小，方便在主机架内部进行布置。

较佳地，所述旋转轴与所述增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过法兰连接。增速齿轮箱发电系统与第一永磁发电机之间通过输入端和旋转轴法兰连接来传递扭矩。

较佳地，所述箱体连接结构为弹性支承组件，所述弹性支承组件包括弹性支承座和扭力臂，所述扭力臂设置于所述增速齿轮箱的外侧壁上，所述弹性支承座设置于所述主机架的内侧壁上。增速齿轮箱发电系统的外侧壁上设置扭力臂，配合主机架内部上的弹性支承座，使两者之间通过弹性支承连接，不仅提高了连接可靠性，保证了结构刚度，还更有利于该风力发电机组在运行过程中的稳定性。

较佳地，所述旋转轴与所述增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过联轴器连接。旋转轴和增速齿轮箱发电系统之间通过联轴器连接，不仅方便根据情况决定是否两个发电机同时运行而改变联轴器状态，当增速齿轮箱发电系统出现故障时，还可通过拆掉联轴器切断齿轮箱与旋转轴的连接，此时第一永磁发电机仍可正常工作，保证机组正常发电，因此提高了该风力发电机组的使用可靠度。

较佳地，所述箱体连接结构为法兰组，所述法兰组包括箱体法兰和支撑环，所述支撑环环设于所述主机架的内侧壁上，所述箱体法兰环设于所述增速齿轮箱发电系统的外侧壁上。由于联轴器使增速齿轮箱与第一永磁发电机柔性连接，所以在运行稳定性得到保证的基础上，齿轮箱与主机架之间则可通过法兰组刚性连接，保证支撑效果和结构强度。

较佳地，所述第一永磁发电机还包括轴承系统和固定轴，所述固定轴和所述旋转轴同轴设置，并且所述固定轴套设于所述旋转轴的外圈，所述轴承系统设置于所述固定轴和所述旋转轴之间。该风力发电机组采用内圈旋转的方式，方便将增速齿轮箱布置在风力发电机组的主机架内部，在风力发电机组运行功率大型化的基础上，结构规格的改变不大。

较佳地，所述轴承系统包括至少两个轴承，两个所述轴承分别设置于所述固定轴的靠近和远离所述轮毂的两端。该风力发电机组使用设置两个轴承的方式，相较于使用一个轴承，在相同的承载能力要求下，两个轴承的直径尺寸更小，因此成本也更低。

一种风力发电机组的装配方法，其特点在于，所述风力发电机组的装配方法应用如上所述的风力发电机组，所述装配方法包括以下步骤：

将所述第一永磁发电机和所述主机架进行安装固定；

将所述增速齿轮箱发电系统与所述第一永磁发电机连接；

通过所述箱体连接结构将所述增速齿轮箱发电系统与所述主机架进行连接。

在本方案中，通过上述风力发电机组的结构和上述的装配方法，实现增速齿轮箱发电系统和第一永磁发电机的结合，达到了功率相加的效果，将增速齿轮箱发电系统安装在主机架内部，使其运行可靠性得到保证的同时，也方便与控制系统以及机舱后面布置的冷却系统连接，以便于起到控制以及冷却的作用。

较佳地，所述旋转轴与所述增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过法兰连接，所述装配方法的步骤具体为：

S1、将所述第一永磁发电机与所述主机架进行装配固定；

S2、将所述增速齿轮箱发电系统吊入所述主机架中，通过法兰将所述增速齿轮箱发电系统的输入端与所述旋转轴连接固定；

S3、通过所述箱体连接结构将所述增速齿轮箱发电系统的箱体与所述主机架进行连接固定。

当旋转轴与增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过法兰连接时，由于需要先安装第一永磁发电机，因此结构安装准确度要求高，装配效果好，并且对于单一的永磁直驱式风力发电机组，在对机舱内部部分结构调整之后，可通过上述装配方法实现后期增设。

较佳地，所述旋转轴与所述增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过联轴器连接，所述装配方法的步骤具体为：

S1’、将所述增速齿轮箱发电系统吊入所述主机架中，通过所述箱体连接结构将所述增速齿轮箱发电系统的箱体与所述主机架进行连接固定；

S2’、将所述第一永磁发电机与所述主机架进行装配固定；

S3’、将所述增速齿轮箱发电系统的输入轴与所述旋转轴通过所述联轴器连接固定。

当旋转轴与增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过联轴器连接时，需先安装增速齿轮箱发电系统，相对于后安装增速齿轮箱发电系统，简化了安装顺序，不需要对机舱进行二次作业，而是在机舱装配全部完成后，再安装第一永磁发电机，最后通过联轴器完成与增速齿轮箱发电系统的连接，提高了整机的装配效率。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提供的风力发电机组及其装配方法在低速永磁直驱风力发电机组的基础上增设了增速齿轮箱发电系统，通过一箱体连接结构，将增速齿轮箱发电系统设置在风力发电机组的主机架内部，从而将两种不同的发电机驱动方式进行组合，实现了功率混合相加的效果，相对于单一的仅采用低速永磁发电机或增速齿轮箱发电系统的风力发电机组，不需要通过将结构大型化来实现大功率，也不需要建造更大功率的试验台，而是分别采用现有的供应链和试验台，有利于制造、试验、运输、吊装及成本的控制。

附图说明

图1为本发明实施例1的风力发电机组的结构示意图。

图2为图1中A部分的局部结构示意图。

图3为本发明实施例1的风力发电机组的结构示意图。

图4为本发明实施例1的风力发电机组的装配方法的流程示意图。

图5为本发明实施例2的风力发电机组的结构示意图。

图6为图5中B部分的局部结构示意图。

图7为本发明实施例2的风力发电机组的装配方法的流程示意图。

附图标记说明：

轮毂1

主机架2

支撑环21

第一永磁发电机3

转子31

旋转轴32

旋转轴法兰32a

固定轴33

轴承34

增速齿轮箱发电系统4

箱体连接结构41

弹性支承座41a

扭力臂41b

连接法兰42

箱体法兰43

联轴器5

具体实施方式

下面通过两个较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供一种风力发电机组及其装配方法，其包括轮毂1、主机架2和第一永磁发电机3，其中，第一永磁发电机3包括转子31和旋转轴32，旋转轴32沿第一永磁发电机3的轴向贯穿。该风力发电机组还包括增速齿轮箱发电系统4，旋转轴32的两端分别连接于轮毂1和增速齿轮箱发电系统4的输入端，增速齿轮箱发电系统4包括箱体连接结构41，增速齿轮箱发电系统4通过箱体连接结构41支撑并连接于主机架2。

具体地，上述第一永磁发电机3具体是指低速永磁直驱发电机组，其发电机转速与风轮转速相同，增速齿轮箱发电系统4采用中速永磁发电机，即能够通过增速齿轮箱使发电机转速达到300转-1000转的增速齿轮箱发电系统。

对于风力发电机组来说，风轮转速取决于叶尖速度，而叶尖速度目前由于技术的限制，最多能够达到90m/s左右。对于采用低速永磁发电机的风力发电机组，在叶尖速度不变，电机的电磁设计一定的情况下，电机的重量与风轮直径的三次方成正比，当风轮直径增大到满足15MW功率的尺寸时，发电机的重量相较于10MW的电机，是其的1.68倍。对于采用增速齿轮箱的风力发电机组，第一级普遍采用行星齿轮传动，最关键的是第一级齿圈尺寸，10MW的第一集齿圈已达3m，齿轮箱整机重量已达100吨，目前国内齿轮箱厂通用的热处理、加工设备均在3m以内，行车起吊能力在120吨以内，这对更大功率齿轮箱的制造带来很大困难。因此，功率的提升，势必会带来尺寸以及重量的较大改变，这对于整个风力发电机组的生产制造、试验、运输及吊装来说，都是需要进行调整的，导致在成本上难以控制。

在此基础上，本实施例提供的风力发电机组在低速永磁直驱风力发电机组的基础上增设了增速齿轮箱发电系统4，通过一箱体连接结构41，将增速齿轮箱发电系统4设置在风力发电机组的主机架2内部，并且使其连接到旋转轴32，从而能够接收自轮毂1传递过来的扭矩，实现发电，即，该风力发电机组将两种不同驱动方式的发电机进行组合，从而使风力发电机组的整机运行功率通过发电机组合的方式实现了混合相加的效果，相对于单一的仅采用低速永磁发电机或增速齿轮箱发电系统4的风力发电机组，不需要通过将结构大型化来实现大功率，也不需要建造更大功率的试验台，而是分别采用现有的供应链和试验台，有利于制造、试验、运输、吊装及成本的控制。

对于该风力发电机组来说，其第一永磁发电机3还包括轴承系统和固定轴33，固定轴33和旋转轴32同轴设置，并且固定轴33套设于旋转轴32的外圈，轴承系统设置于固定轴33和旋转轴32之间。该风力发电机组采用内圈旋转的方式，方便将增速齿轮箱发电系统4布置在风力发电机组的主机架2内部，在风力发电机组运行功率大型化的基础上，结构规格的改变不大。

优选地，轴承系统包括至少两个轴承34，两个轴承34分别设置于固定轴33的靠近和远离轮毂1的两端。该风力发电机组使用设置两个轴承的方式，相较于使用一个轴承，在相同的承载能力要求下，两个轴承的直径尺寸更小，因此成本也更低。在本实施例中，两个轴承均使用单列圆锥轴承。

进一步地，该增速齿轮箱发电系统4包括增速齿轮箱和第二发电机(图中未示出)，第二发电机与增速齿轮箱集成于一体。增速齿轮箱的输入端轴连接于旋转轴32，增速齿轮箱的输出端轴连接于第二发电机。由于第二发电机与增速齿轮箱集成于一体，因此体积较小，方便在主机架2的内部进行布置。具体地，关于第二发电机和增速齿轮箱的集成方式为现有技术，因此在此不再赘述。

在本实施例中，旋转轴32与增速齿轮箱发电系统4的输入端之间采用法兰连接。增速齿轮箱发电系统4与第一永磁发电机3之间通过输入端和旋转轴法兰32a连接来传递扭矩。进一步地，旋转轴32的远离轮毂1的后端具有旋转轴法兰32a，增速齿轮箱发电系统4的输入端设置有连接法兰42，旋转轴法兰32a和连接法兰42对接连接，实现旋转轴32与增速齿轮箱输入端之间的固定。

优选地，本实施例中的箱体连接结构41为弹性支承组件，弹性支承组件包括弹性支承座41a和扭力臂41b，增速齿轮箱发电系统4的外侧壁上设置有扭力臂41b，主机架2的内侧壁上设置有弹性支承座41a。增速齿轮箱发电系统4的外侧壁上的扭力臂41b配合主机架2内部上的弹性支承座41a，使两者之间通过弹性支承连接，不仅提高了连接可靠性，保证了结构刚度，还更有利于该风力发电机组在运行过程中的稳定性。为了保证连接效果，本实施例中，弹性支承座41a与扭力臂41b沿增速齿轮箱的轴向均匀设置多组。图2中为了表明扭力臂41b与弹性支承座41a在该风力发电机组上的设置方式，因此分别在增速齿轮箱发电系统4和主机架2的不同位置处示出扭力臂41b和弹性支承座41a。

如图4所示，本实施例还提供了一种风力发电机组的装配方法，其用于装配上述的风力发电机组，该装配方法具体包括以下步骤：

步骤101、将第一永磁发电机与主机架进行装配固定；

步骤102、将增速齿轮箱发电系统吊入主机架中，通过法兰将增速齿轮箱发电系统的输入轴与旋转轴连接固定；

步骤103、通过弹性支承组件将增速齿轮箱发电系统的箱体与主机架进行连接固定；

步骤104、盖设机舱罩顶盖，完成风力发电机组顶部的安装。

通过上述风力发电机组的结构和上述的装配方法，实现增速增速齿轮箱发电系统和第一永磁发电机的结合，达到了功率相加的效果，并且将增速齿轮箱发电系统安装在主机架内部，使其运行可靠性得到保证的同时，也方便与控制系统以及机舱后面布置的冷却系统连接，以便于起到控制以及冷却的作用。另外，当旋转轴与增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过法兰连接时，由于需要先安装第一永磁发电机，因此结构安装准确度要求高，装配效果好，并且对于单一的永磁直驱式风力发电机组，在对机舱内部部分结构调整之后，可通过上述装配方法实现后期增设。

在本实施例中采用上述的步骤实现该风力发电机组的装配，当然，在其他实施例中，也可采用其他不同于本实施例的装配方法或装配步骤，只要保证该风力发电机组完成正常安装和运行即可。

实施例2

如图5-7所示，本实施例与实施例1中的结构基本相同，其唯一不同之处在于增速齿轮箱发电系统4与旋转轴32之间的连接方式。

在本实施例中，旋转轴32与增速齿轮箱发电系统4的输入端之间通过联轴器5连接。旋转轴32和增速齿轮箱发电系统4之间通过联轴器5连接，不仅方便根据情况决定是否两个发电机同时运行而改变联轴器状态，当增速齿轮箱发电系统4出现故障时，还可通过拆掉联轴器5切断齿轮箱与旋转轴32的连接，此时第一永磁发电机3仍可正常工作，保证机组正常发电，因此提高了该风力发电机组的使用可靠度。

进一步地，本实施例中箱体连接结构41采用法兰组，法兰组包括箱体法兰43和支撑环21，支撑环21环设于主机架2的内侧壁上，箱体法兰43环设于增速齿轮箱发电系统4的外侧壁上。由于联轴器5使增速齿轮箱与第一永磁发电机3柔性连接，所以在运行稳定性得到保证的基础上，齿轮箱与主机架2之间则可通过法兰组刚性连接，保证支撑效果和结构强度。

如图7所示，本实施例中同样提供了一种风力发电机组的装配方法，其用于装配上述的风力发电机组，该装配方法具体包括以下步骤：

步骤101’、将增速齿轮箱发电系统吊入主机架中，通过法兰组将增速齿轮箱发电系统的箱体与主机架进行连接固定；

步骤102’、将第一永磁发电机与主机架进行装配固定；

步骤103’、将增速齿轮箱发电系统的输入轴与旋转轴通过联轴器连接固定。

当旋转轴与增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过联轴器连接时，需先安装增速齿轮箱发电系统，相对于后安装增速齿轮箱发电系统，简化了安装顺序，不需要对机舱进行二次作业，而是在机舱装配全部完成后，再安装第一永磁发电机，最后通过联轴器完成与增速齿轮箱发电系统的连接，提高了整机的装配效率。

在本实施例中采用上述的步骤实现该风力发电机组的装配，当然，在其他实施例中，也可采用其他不同于本实施例的装配方法或装配步骤，只要保证该风力发电机组完成正常安装和运行即可。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种风力发电机组，其包括轮毂、主机架和第一永磁发电机，所述第一永磁发电机包括转子和旋转轴，所述旋转轴沿所述第一永磁发电机的轴向贯穿，其特征在于，所述风力发电机组还包括增速齿轮箱发电系统，所述旋转轴的两端分别连接于所述轮毂和所述增速齿轮箱发电系统的输入端，所述增速齿轮箱发电系统包括箱体连接结构，所述增速齿轮箱发电系统通过所述箱体连接结构支撑并连接于所述主机架；

所述旋转轴与所述增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过联轴器连接；

所述箱体连接结构为法兰组，所述法兰组包括箱体法兰和支撑环，所述支撑环环设于所述主机架的内侧壁上，所述箱体法兰环设于所述增速齿轮箱发电系统的外侧壁上。

2.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述增速齿轮箱发电系统包括增速齿轮箱和第二发电机，所述第二发电机集成于所述增速齿轮箱的内部，所述增速齿轮箱的输入端轴连接于所述旋转轴，所述增速齿轮箱的输出端轴连接于所述第二发电机。

3.如权利要求1所述的风力发电机组，其特征在于，所述第一永磁发电机还包括轴承系统和固定轴，所述固定轴和所述旋转轴同轴设置，并且所述固定轴套设于所述旋转轴的外圈，所述轴承系统设置于所述固定轴和所述旋转轴之间。

4.如权利要求3所述的风力发电机组，其特征在于，所述轴承系统包括至少两个轴承，两个所述轴承分别设置于所述固定轴的靠近和远离所述轮毂的两端。

5.一种风力发电机组的装配方法，其特征在于，所述风力发电机组的装配方法应用如权利要求1-4中任意一项所述的风力发电机组，所述装配方法包括以下步骤：

将所述第一永磁发电机和所述主机架进行安装固定；

将所述增速齿轮箱发电系统与所述第一永磁发电机连接；

通过所述箱体连接结构将所述增速齿轮箱发电系统与所述主机架进行连接。

6.权利要求5所述的风力发电机组的装配方法，其特征在于，所述旋转轴与所述增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过法兰连接，所述装配方法的步骤具体为：

S1、将所述第一永磁发电机与所述主机架进行装配固定；

S2、将所述增速齿轮箱发电系统吊入所述主机架中，通过法兰将所述增速齿轮箱发电系统的输入端与所述旋转轴连接固定；

S3、通过所述箱体连接结构将所述增速齿轮箱发电系统的箱体与所述主机架进行连接固定。

7.权利要求5所述的风力发电机组的装配方法，其特征在于，所述旋转轴与所述增速齿轮箱发电系统的输入端之间通过联轴器连接，所述装配方法的步骤具体为：

S1’、将所述增速齿轮箱发电系统吊入所述主机架中，通过所述箱体连接结构将所述增速齿轮箱发电系统的箱体与所述主机架进行连接固定；

S2’、将所述第一永磁发电机与所述主机架进行装配固定；

S3’、将所述增速齿轮箱发电系统的输入轴与所述旋转轴通过所述联轴器连接固定。

Images