CN111648920B - 一种超紧凑型中速永磁风力发电机组 - Google Patents

一种超紧凑型中速永磁风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超紧凑型中速永磁风力发电机组，包括轮毂、制动盘、齿轮箱、发电机、机舱铸件、活动平台组件、散热***和偏航***；所述轮毂与齿轮箱的输入轴连接，轮毂与齿轮箱联接的法兰面上设有制动盘，并通过螺栓联接至齿轮箱，齿轮箱的输出轴穿过发电机，齿轮箱的输出轴的端部通过联轴器连接发电机转子；所述的活动平台组件安装在机舱铸件内，将机舱铸件分成设备腔和散热腔；所述的齿轮箱与发电机固定连接后安装在设备腔内，所述的散热***和偏航***安装在散热腔内。本发明的轮毂端直接联至齿轮箱，采用的单轴承、无主轴较同等方案简单，传动链结构紧凑，机舱内活动平台组件、散热器***、偏航***布置方式，满足机组重量轻，机舱结构尺寸小的要求。

Description

一种超紧凑型中速永磁风力发电机组
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种超紧凑型中速永磁风力发电机组。
背景技术
增速型风力发电机组相比直驱风力发电机组，通过齿轮箱提升发电机转速，涉及到传动部件多，主要有：主轴、齿轮箱、联轴器、发电机，机组可靠性低，由于齿轮箱及发电机为柔性联接，齿轮箱发电机对中性差，齿轮箱输出轴为高速旋转部件，受力特性复杂，实际运行故障率高。海上环境条件复杂且运维难度及成本高, 风力发电机组的设计工作的开展应该充分考虑海上环境的特殊性。为了便于风力发电机组的吊装，提高风力发电机组的运行的可可靠性，需使得风力发电机组结构紧凑。
中国专利CN103210214 提出了中速集成方案，通过去掉高速级部分，降低齿轮箱故障率，齿轮箱与发电机采用集成式设计，避免了齿轮箱不对中情况，保留直驱永磁在电能质量的性能，降低直驱发电机重量和成本。
中国专利CN 101702928及CN 105240216提出的一种相对较紧凑型方案，将齿轮箱外壳及发电机外壳设置为传递载荷部件，放置于机舱外侧，通过超长螺栓联接齿轮箱、主轴承、发电机及机舱，齿轮箱油与主轴承共用油路，齿轮箱与发电机联接内腔充油。上述方案中载荷传递路径直接经过齿轮箱及发电机，对部件强度设计要求较高，同时部件联接结合面较多，载荷传递过程中容易导致结合面变形，易发生漏油，导致超长螺栓联接失效，由于齿轮箱发电机是直接暴露在空气中，1/1漏油将直接影响地面环境。由于主轴承方案将承受全部叶轮端载荷，对轴承滚道磨损相对齿轮箱内部件磨损较为严重，而轴承与齿轮箱共润滑***，将直接导致磨损颗粒物进入齿轮箱，影响齿轮箱啮合状态。
中国专利CN 101702928及CN 10524021为了使得结构紧凑，机舱铸件内集成了电气柜、液压站等所有机组运行的设备，但失去了维护空间要求，同时机舱内设备运行产生的热量容易产生堆积，不易扩散。
目前在风电行业中主轴承失效，绝大部分原因是由于轴承润滑不到位，温升问题过高，导致滚子与滚道直接接触摩擦，无法建立起有效油膜。对于风电行业主轴系传动轴承基本使用油脂，油脂的固有特性决定了其在轴承内腔内的流动性及冷却效果无法与稀油润滑相匹配。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、传动结构紧凑、机组重量轻，机舱结构尺寸小的超紧凑型风力发电机组。
本发明采用的技术方案是：一种超紧凑型中速永磁风力发电机组，包括轮毂、制动盘、齿轮箱、发电机、机舱铸件、活动平台组件、散热***和偏航***；所述轮毂与齿轮箱的输入轴连接，轮毂与齿轮箱联接的法兰面上设有制动盘，并通过螺栓联接至齿轮箱，齿轮箱的输出轴穿过发电机，齿轮箱的输出轴的端部通过联轴器连接发电机转子；所述的活动平台组件安装在机舱铸件内，将机舱铸件分成设备腔和散热腔；所述的齿轮箱与发电机固定连接后安装在设备腔内，所述的散热***和偏航***安装在散热腔内。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述的轮毂上设有过人孔，机舱铸件外部设有机舱罩，过人孔与机舱罩顶部连通。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述的偏航***包括偏航驱动和偏航轴承，偏航轴承采用的是滑动式偏航轴承
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述齿轮箱包括主轴承、齿轮箱壳体、一级行星轮系及二级行星轮系，齿轮箱壳体上风向侧通过螺栓连接主轴承外圈和机舱铸件，齿轮箱壳体下风向侧通过螺栓连接发电机定子外壳；
所述的一级行星轮系包括行星架、一级齿圈、行星轮、太阳轮及一级输出花键轴，行星架上风向侧通过螺栓连接主轴承的内圈，下风向侧通过行星架轴承固定在齿轮箱壳体上，一级齿圈固定于齿轮箱壳体内，所述的太阳轮中心孔通过花键安装在一级输出花键轴上；行星架通过法兰与轮毂连接；
所述的二级行星轮系包含行星架座、二级行星架、二级行星轮、二级太阳轮、太阳轮输出轴及二级齿圈，二级行星架通过花键安装在输出花键轴上，二级行星架上风向侧通过轴承固定在齿轮箱壳体上，二级行星架下风向侧通过轴承固定于行星架座上，二级齿圈两端分别与行星架座和齿轮箱壳体连接，二级太阳轮安装在太阳轮输出轴上；太阳轮输出轴穿过发电机，太阳轮输出轴的端部与发电机转子连接。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，述发电机包含定子壳体、转子、转子支架、端盖及转子轴承，定子外壳与齿轮箱壳体直接通过螺栓刚性联接，定子壳体上风向侧采用U型一体式结构，通过螺栓连接转子轴承的内圈；齿轮箱的二级行星轮系置于发电机定子壳体环形U内腔中，转子轴承的外圈通过螺栓固定在转子支架上，转子支架与联轴器及转子连接。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述联轴器上设有高速轴制动盘，高速轴制动盘的制动器安装在发电机下风向侧的端盖上。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述的主轴承与机舱铸件之间设有密封法兰盘，密封法兰盘与主轴承内圈上风向侧设有轴向动静结合面密封I，主轴承内圈下风向侧与齿轮箱壳体设有轴向动静结合面密封Ⅱ。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述的密封法兰盘内圈直径大于机舱铸件主轴承联接面内圈直径。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述的二级行星轮系中行星架座与太阳轮输出轴之间设有动静结合面密封。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述的活动平台组件包括平台板、爬梯、护栏、平台支撑骨架、液压站及控制柜，平台支撑骨架设置在平台板底面上，所述的爬梯置于塔筒顶部于平台板之间；所述的机舱铸件内设有起重装置，起重装置安装在机舱罩顶部，置于发电机尾端与护栏之间；所述的液压站及控制柜连接，液压站用于对齿轮箱供油润滑。
上述的超紧凑型中速永磁风力发电机组中，所述的散热***包括发电机水-风冷散热***和齿轮箱的油-风冷散热***，发电机水-风冷散热***和齿轮箱的油-风冷散热***分别置于活动平台组件底部左右两侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的轮毂直接联接至齿轮箱行星架，主轴承与齿轮箱集成式设计，共用进油润滑冷却***，降低主轴承运行温度，提高轴承运行效率，主轴承回油为独立的回油***，降低主轴承磨损颗粒对齿轮箱内部齿轮啮合影响。齿轮箱为两级行星传动，行星架采用行业内成熟的鼠笼式结构，双臂支撑，提高行星架刚度，齿轮箱输出为长轴，与太阳轮集成，通过长输出柔性轴，实现太阳轮的均载。齿轮箱输出轴穿过发电机，通过联轴器反向联接至发电机转子。发电机为单轴承结构，内外圈采用螺栓联接方式，分别联接至发电机的定子与转子部分，安装及后期维护方便。齿轮箱与发电机固定联接，并悬挂在机舱铸件，从而使叶轮端载荷经主轴承传递至机舱铸件，避免载荷传递路径经过齿轮箱及发电机。整个机舱内含有两层，上层为活动平台，安装所有机组运行所需的所有设备，下层为安装散热设备层，安装齿轮箱及发电机散热所需散热器，分左右两侧安装，散热器空冷方式采用侧送侧排方式。偏航***采用滑动偏航轴承，通过螺栓联接至塔筒顶部，机舱铸件安装有一定数量的偏航电机，实现偏航动作，满足机组对风要求。按本发明的紧凑型中速永磁风力发电机组，轮毂端直接联至齿轮箱，采用的单轴承、无主轴较同等方案简单，传动链结构紧凑，机舱内活动平台组件、散热器***、偏航***布置方式，满足机组重量轻，机舱结构尺寸小的要求。
附图说明
图1为本发明超紧凑型中速永磁风力发电机组整体结构示意图。
图2是本发明紧凑型中速永磁风力发电机组主传动链剖视示意图。
图3是图2中A处放大图。
图4是图2中B处放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1-2所示，本发明包括轮毂1、制动盘18、齿轮箱3、发电机4、机舱铸件2、活动平台组件16、散热***（包括齿轮箱散热***10和发电机散热***9）、偏航***14（包括偏航驱动12和偏航轴承45）、机舱罩5及起重装置6。所述轮毂1用于安装叶片。所述的活动平台组件16安装在机舱铸件2内，将机舱铸件2分成设备腔和散热腔，设备腔位于散热腔上方。所述的齿轮箱3、发电机4及起重装置6安装在设备腔内，齿轮箱散热***10和发电机散热***9及偏航***14安装在散热腔内。滑动轴承45采用的是滑动式偏航轴承，相比滚动式偏航轴承，受力面积大，承载能力强，可以大幅降低机组偏航***的成本。齿轮箱散热***10和发电机散热***9分别置于活动平台组件16底部左右两侧，齿轮箱散热***10和发电机散热***9的散热器空冷结构采用侧送侧排的方式，保证机舱内通风散热满足要求。所述的机舱罩5设置在机舱铸件2外。
所述的活动平台组件16包含平台板11、爬梯19、护栏13、平台支撑骨架15、液压站8及控制柜7，平台支撑骨架15设置在平台板11底面上，用于支撑整个活动平台组件16维护安装相关部件时所需的安全要求。所述的爬梯19置于塔筒顶部于平台板11之间。所述的起重装置6安装在机舱罩5顶部，置于发电机4尾端与活动平台组件16护栏13之间，用于对维护时相关备件或设备的吊装。
所述齿轮箱3包括主轴承37、齿轮箱壳体20、一级行星轮系及二级行星轮系，齿轮箱壳体20上风向侧通过螺栓连接主轴承37的外圈和机舱铸件2，齿轮箱壳体20下风向侧通过螺栓连接发电机4定子外壳。所述的一级行星轮系包括行星架26、一级齿圈27、行星轮28、太阳轮29及一级输出花键轴30，行星架26上风向侧通过螺栓连接主轴承37的内圈24，下风向侧通过行星架轴承固定在齿轮箱壳体20上，一级齿圈27固定于齿轮箱壳体20内，所述的太阳轮29中心孔通过花键安装在一级输出花键轴30上。行星架26通过法兰与轮毂1连接，该法兰上设有制动盘18。轮毂1上设有过人孔，过人孔与机舱罩5顶部连通，可由机舱罩顶部直接进入轮毂内。所述的二级行星轮系包含行星架座36、二级行星架31、二级行星轮33、二级太阳轮34、太阳轮输出轴41及二级齿圈32，二级行星架31通过花键安装在输出花键轴上，二级行星架31上风向侧通过轴承固定在齿轮箱壳体20上，二级行星架31下风向侧通过轴承固定于行星架座36上，二级齿圈31两端分别与行星架座36和齿轮箱壳体20连接，二级太阳轮34安装在太阳轮输出轴41上；太阳轮输出轴41穿过发电机，太阳轮输出轴41的端部与发电机转子连接。
如图3以及图4所示，所述的主轴承37的油路润滑冷却包含进油阀49、进油管道50、回油阀53、回油管道54、过滤装置55和过滤管道56，所述的齿轮箱3油路润滑冷却包含进油阀52、回油阀59和回油管道58，齿轮箱3一级行星轮系及二级行星轮系油路润滑冷却将通过进油阀52实现各润滑点的润滑，润滑后的油液将通过回油阀59、回油管道58回到油箱，主轴承37的进油管路与齿轮箱3齿轮喷油管路共用，通过三通阀51实现，三通阀51的I-I端通过油管联接至液压站的I-I端，回油管路采用分开独立方式，由于齿轮箱主轴承37承担叶轮端所有载荷，会造成主轴承37滚道磨损，加剧磨削颗粒的产生，采用的共进油路，独立回油方式，避免滚道磨削颗粒物污染油箱，将主轴承润滑后的油液先通过过滤装置55，然后再经过过滤管道56，联接至回油三通阀57，将两股回油液共同通过齿轮箱散热***10，回油三通阀57的O-O端将最终联接至液压站的O-O端，从而实现油路的循环润滑冷却。所述的二级行星轮系中行星架座36与太阳轮输出轴41形成动静结合面密封，避免齿轮箱内油流入发电机腔体中。
所述发电机4包含定子壳体38、转子39、转子支架40、端盖44及转子轴承42，定子外壳38与齿轮箱壳体20直接通过螺栓刚性联接，定子壳体38上风向侧采用U型一体式结构，通过螺栓连接转子轴承42的内圈；齿轮箱的二级行星轮系置于发电机4定子壳体38环形U内腔中，转子轴承42的外圈通过螺栓固定在转子支架40上，转子支架40与联轴器43及转子39连接。转子轴承42采用单轴承结构，可以通过采用三排圆柱滚子轴承或者双列圆锥滚子轴承来实现。发电机4采用单轴承结构，避免轴电流的影响，同时转子轴承42采用的内外圈螺栓联接方式，安装维护方便。联轴器43上可设置高速轴制动盘，高速轴制动盘的制动器安装在发电机4下风向侧的端盖44上。
如图3所示，主轴承37与机舱铸件2之间设有密封法兰盘23，密封法兰盘23与主轴承37的内圈24上风向侧之间设有轴向动静结合面密封I46，主轴承37的内圈24下风向侧与齿轮箱壳体20设有轴向动静结合面密封Ⅱ47，轴向动静结合面密封Ⅱ47由多道非接触密封构成。所述的密封法兰盘23内圈直径要大于机舱铸件2与主轴承37联接面内圈直径，便于在密封法兰盘23设置回油槽48，避免主轴承37上风向侧轴向动静结合面密封46漏油泄露至机舱铸件2螺栓联接结合面，导致联接失效。

Claims (10)

1.一种超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：包括轮毂、制动盘、齿轮箱、发电机、机舱铸件、活动平台组件、散热***和偏航***；所述轮毂与齿轮箱的输入轴连接，轮毂与齿轮箱联接的法兰面上设有制动盘，并通过螺栓联接至齿轮箱，齿轮箱的输出轴穿过发电机，齿轮箱的输出轴的端部通过联轴器连接发电机转子；所述的活动平台组件安装在机舱铸件内，将机舱铸件分成设备腔和散热腔；所述的齿轮箱与发电机固定连接后安装在设备腔内，所述的散热***和偏航***安装在散热腔内；
所述齿轮箱包括主轴承、齿轮箱壳体及变速机构，齿轮箱壳体上风向侧通过螺栓连接主轴承外圈和机舱铸件，齿轮箱壳体下风向侧通过螺栓连接发电机定子外壳；主轴承的内圈连接变速机构；
所述的齿轮箱与发电机固定连接后安装在设备腔内，所述的散热***和偏航***安装在散热腔内；所述的活动平台组件包括平台板、爬梯、护栏、平台支撑骨架、液压站及控制柜，平台支撑骨架设置在平台板底面上，所述的爬梯置于塔筒顶部于平台板之间；所述的机舱铸件内设有起重装置，起重装置安装在机舱罩顶部，置于发电机尾端与护栏之间；所述的液压站及控制柜连接，液压站用于对齿轮箱供油润滑；
主轴承的油路润滑冷却装置包含进油阀、进油管道、 回油阀、回油管道、过滤装置和过滤管道，所述的齿轮箱油路润滑冷却包含进油阀、回油阀和回油管道，齿轮箱的一级行星轮系及二级行星轮系油路润滑冷却将通过进油阀实现各润滑点的润滑，润滑后的油液将通过回油阀、回油管道回到油箱，主轴承的进油管路与齿轮箱齿轮喷油管路共用，通过三通阀实现，三通阀通过油管联接至液压站，主轴承的回油管路和齿轮箱的回油管路采用分开独立方式，主轴承润滑后的油液先通过过滤装置，然后再经过过滤管道，联接至回油三通阀，将两股回油液共同通过齿轮箱散热***，回油三通阀联接至液压站。
2.根据权利要求1所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述的轮毂上设有过人孔，机舱铸件外部设有机舱罩，过人孔与机舱罩顶部连通。
3.根据权利要求1所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述的偏航***包括偏航驱动和偏航轴承，偏航轴承采用的是滑动式偏航轴承。
4.根据权利要求1所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述变速机构包括一级行星轮系及二级行星轮系；所述的一级行星轮系包括行星架、一级齿圈、行星轮、太阳轮及一级输出花键轴，行星架上风向侧通过螺栓连接主轴承的内圈，下风向侧通过行星架轴承固定在齿轮箱壳体上，一级齿圈固定于齿轮箱壳体内，所述的太阳轮的中心孔通过花键安装在一级输出花键轴上；行星架通过法兰与轮毂连接；
所述的二级行星轮系包含行星架座、二级行星架、二级行星轮、二级太阳轮、太阳轮输出轴及二级齿圈，二级行星架通过花键安装在输出花键轴上，二级行星架上风向侧通过轴承固定在齿轮箱壳体上，二级行星架下风向侧通过轴承固定于行星架座上，二级齿圈两端分别与行星架座和齿轮箱壳体连接，二级太阳轮安装在太阳轮输出轴上；太阳轮输出轴穿过发电机，太阳轮输出轴的端部与发电机转子连接。
5.根据权利要求1所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：述发电机包含定子壳体、转子、转子支架、端盖及转子轴承，定子外壳与齿轮箱壳体直接通过螺栓刚性联接，定子壳体上风向侧采用U型一体式结构，通过螺栓连接转子轴承的内圈；齿轮箱的二级行星轮系置于发电机定子壳体环形U内腔中，转子轴承的外圈通过螺栓固定在转子支架上，转子支架与联轴器及转子连接。
6.根据权利要求1所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述联轴器上设有高速轴制动盘，高速轴制动盘的制动器安装在发电机下风向侧的端盖上。
7.根据权利要求4所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述的主轴承与机舱铸件之间设有密封法兰盘，密封法兰盘与主轴承内圈上风向侧设有轴向动静结合面密封I，主轴承内圈下风向侧与齿轮箱壳体设有轴向动静结合面密封Ⅱ。
8.根据权利要求7所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述的密封法兰盘内圈直径大于机舱铸件主轴承联接面内圈直径。
9.根据权利要求4所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述的二级行星轮系中行星架座与太阳轮输出轴之间设有动静结合面密封。
10.根据权利要求1所述的超紧凑型中速永磁风力发电机组，其特征在于：所述的散热***包括发电机水-风冷散热***和齿轮箱的油-风冷散热***，发电机水-风冷散热***和齿轮箱的油-风冷散热***分别置于活动平台组件底部左右两侧。
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