CN102003348A - 一种风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机组，该风力发电机组包括风轮、发电机、机舱底架、塔筒和传动系统，传动系统包括水平传动轴和垂直传动轴；水平传动轴安装在机舱底架上，且一端与风轮相连；垂直传动轴安装在塔筒内；所述水平传动轴与垂直传动轴上端之间通过相互啮合的锥齿轮或蜗轮蜗杆传动；垂直传动轴下端驱动发电机的输入轴；发电机位于塔筒内。该风力发电机组通过锥齿轮或蜗轮蜗杆实现水平到垂直方向的动力传换，传动系统能够将风轮的机械能垂直地传递给发电机，因此可以将发电机等部件设置在塔筒内，减小风力发电机组的顶部重量和顶部机舱的尺寸，进而降低塔筒负载，减小塔筒所需的强度。

Description

一种风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术，特别涉及一种风力发电机组。

背景技术

风力发电机组一般包括风轮、传动系统、发电机和塔筒。风轮吸收风能，将风的动能转变为机械能，通过传动系统带动发电机运转，使发电机输出电能。由于风轮的转速比较低，在传动系统与发电机之间还设置有增速装置，以提高发电机的输入转速。塔筒是支承风轮、传动系统、发电机的构架，它一般修建得比较高，以使风轮具有较高的高度，以获得较大的和较均匀的风能。

当前，风力发电机组有两种结构，一种是水平轴式风力发电机组，另一种是垂直轴式风力发电机组。

水平轴式风力发电机组中，风轮的旋转轴线与风向平行。为了保持风轮始终对准风向，以尽可能地吸收风能，该结构的风力发电机组通常还设置偏航系统，偏航系统能够对风向变化进行自动识别，并根据风向变化调整风轮方向，实现自动对风，进而风轮能够吸收更多的风能；因此，水平轴式风力发电机组具有较高的风能转换效率。但这种风力发电机组中，其传动系统、增速装置、发电机和偏航系统等部件均需要置于塔筒顶部的机舱中；这就使得风力发电机组的顶部重量很大，使塔筒负载很大。在风力发电机组达到MW级，特别是大功率海上风力发电机组发展到3MW以上时，会使风力发电机组的顶部重量更大，如瑞能公司的5MW水平轴式风力发电机组的顶部重量高达410吨。为了满足承重强度需要，塔筒需要做得很重，使得塔筒及风力发电机组的成本大幅度增加。另外，水平轴式风力发电机组的传动系统、增速装置和发电机要置于几十米的高空，这也使得该结构的风力发电机组吊装和维护十分不便；在风力发电机组功率级别较高时，塔筒顶部机舱的尺寸也会很大，这将进一步造成整机的运输与吊装的不便，使得该结构的风力发电机组的安装和维护成本很高。同时，风力发电机组的顶部重量过大还会使得偏航系统载荷过大，偏航变得困难，风轮很难获得准确方向。

垂直轴式风力发电机组中，风轮的旋转轴线垂直于地面或者气流方向。由于垂直轴式风力发电机组在风向改变的时候无需对风，因此其结构比较简化。另外，该结构的风力发电机组的齿轮箱和发电机不必安装在塔筒顶部，可以安装在地面上或者较低的位置，这使得该风力发电机组的安装和维护比较简便。但是，由于风轮的近地面的部分受到风力较小，因而无法充分发挥风轮的作用，使得垂直轴式风力发电机组的风能转换效率较低。

如何在保持风力发电机组较高的风能转换效率的同时，减小风力发电机组的顶部重量是当前本领域技术人员需要解决的技术难题。

另外，现有技术中，随着风力发电机组功率的越来越大，单个风力发电机组普遍采用一个风轮对应一个发电机的方式。为了增加风力发电机组的单机功率，就需要增加发电机的功率，增加发电机的尺寸，进而会对发电机的制造、运输及安装提出更高的要求，使得发电机的可靠性很难满足实际需要。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种风力发电机组，该风力发电机组能够在保持较高的风能转换效率的同时，减小风力发电机组的顶部重量。

为了实现上述目的，本发明提供的风力发电机组包括风轮、发电机、机舱底架和塔筒，还包括传动系统，所述传动系统包括水平传动轴和垂直传动轴；所述水平传动轴安装在机舱底架上，且一端与风轮相连；所述垂直传动轴安装在塔筒内；所述水平传动轴与垂直传动轴上端之间通过相互啮合的锥齿轮或蜗轮蜗杆传动；所述垂直传动轴下端驱动所述发电机的输入轴；所述发电机位于塔筒内。

可选的，所述发电机位于所述塔筒下端。

可选的，所述垂直传动轴下端与发电机输入轴之间具有增速装置。

可选的，所述增速装置包括安装在所述垂直传动轴下端的主动齿轮和安装在所述发电机输入轴上的从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮啮合。

可选的，所述主动齿轮为外齿轮或内齿轮。

可选的，所述的风力发电机组包括多台所述发电机，各所述发电机输入轴上分别安装一个所述从动齿轮。

可选的，所述机舱底架与塔筒上端可旋转相连。

可选的，所述水平传动轴两端部分别安装在所述机舱底架上。

可选的，所述水平传动轴与垂直传动轴上端之间通过相互啮合的蜗轮蜗杆传动，所述水平传动轴设置有蜗轮，所述垂直传动轴上端设置有蜗杆。

可选的，所述水平传动轴与垂直传动轴上端之间通过相互啮合的螺旋形锥齿轮传动。

本发明提供的风力发电机组中，其传动系统包括水平传动轴和垂直传动轴，且水平传动轴与垂直传动轴之间通过锥齿轮或蜗轮蜗杆的传动，实现水平到垂直方向的传换；这样就能够使风轮旋转轴线与风向平行，使风轮吸收更多的风能，使风力发电机组具有较高的风能转换效率；同时，由于传动系统将风轮的机械能垂直地传递给发电机，这样就可以将发电机等部件设置在塔筒内，从而能够减小风力发电机组的顶部重量及和顶部机舱的尺寸；进而可以降低塔筒负载，降低塔筒所需的强度，减小塔筒本身的重量，降低风力发电机组的成本。同时，风力发电机组的发电机不必安装在塔筒顶部的机舱中，可以安装在塔筒中的较低位置，这样就可以使风力发电机组的安装和维护比较简便。

在进一步的技术方案中，所述发电机位于塔筒下端；这样可以更进一步地降低发电机的安装位置，使风力发电机组的安装和维护更加方便。

在进一步的技术方案中，所述垂直传动轴下端与发电机输入轴之间设置有增速装置；增速装置可以进一步地增加传动系统的输出转速，提高发电机的输入转速。

在进一步的技术方案中，风力发电机组包括多台发电机，垂直传动轴通过增速装置同时驱动多台发电机运转。这样能够将风力发电机组中的大功率发电机的整机功率分配到多台发电机上，不仅能够保证风力发电机组的发电量，而且使各台发电机的单机重量更轻，便于运输与安装。同时也降低了发电机的制造成本。更重要的是：用多台小功率发电机替代一台大功率发电机，可以使风力发电机组的运输和安装更加方便；另外，在一台或一部分小功率发电机出现故障时，其他的发电机仍然能够正常运转，这样就能够减少风力发电机组的停机时间，从整体上提高风力发电机组的发电量和运转可靠性。

在进一步的技术方案中，所述机舱底架与塔筒上端可旋转相连；所述水平传动轴安装在机舱底架上。该技术方案中，可以通过适当的偏航系统驱动机舱底架相对于塔筒旋转，实现对风轮方向的调整。

在进一步的技术方案中，所述水平传动轴与垂直传动轴之间通过相互啮合的螺旋形锥齿轮传动。这样可以提高传动系统动力传递的可靠性，并减小传动过程中产生的噪音。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种风力发电机组的结构示意图；

图2是本发明实施例中，垂直传动轴驱动发电机运转的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

请参考图1，该图是本发明实施例提供的一种风力发电机组的结构示意图。该风力发电机组包括风轮10、传动系统20、机舱底架30、塔筒40、增速装置50和发电机60。传动系统20包括水平传动轴21和垂直传动轴24。水平传动轴21通过轴承可旋转地安装在塔筒30顶端的机舱底架30上；水平传动轴21水平延伸，第一端与风轮10相连，第二端安装第一齿轮22。垂直传动轴24可旋转地安装在塔筒40内，其旋转轴线与水平传动轴21的旋转轴线垂直；垂直传动轴24上端安装有第二齿轮23。水平传动轴21第二端的第一齿轮22和垂直传动轴24上端的第二齿轮23分别为螺旋形锥齿轮，并相互啮合。发电机60位于塔筒40内，垂直传动轴24的下端通过增速装置50与发电机60输入轴相连，以驱动发电机60高速运转。

请参考图2，该图是本发明实施例中垂直传动轴驱动发电机运转的原理示意图。本例中，风力发电机组包括四台发电机60。发电机60可以是异步双馈发电机，也可以是永磁同步发电机或其他类型的发电机。增速装置50包括主动齿轮51和从动齿轮52；主动齿轮51形成于垂直传动轴24下端的齿轮盘的内表面，该主动齿轮51为内齿轮；为了使垂直传动轴24能够同时驱动四台发电机60同时运转，增速装置50包括四个从动齿轮52，各从动齿轮52分别安装在每台发电机60输入轴上，四个从动齿轮52同时与主动齿轮51相啮合。

本实施例提供的风力发电机组中，其传动系统20包括水平传动轴21和垂直传动轴24，且水平传动轴21与垂直传动轴24之间通过锥齿轮传动，实现了水平到垂直方向的传换；这样就能够使风轮10旋转轴线与风向平行，使风轮10吸收更多的风能，使风力发电机组具有较高的风能转换效率；同时，由于传动系统将风轮10的机械能垂直地传递给发电机60，可以将发电机20等部件置于塔筒40内，从而能够减小风力发电机组的顶部重量及顶部机舱的尺寸，进而可以降低塔筒40负载，降低塔筒40所需的强度，减小塔筒40本身的重量，降低风力发电机组的成本。同时，风力发电机组的发电机60不必安装在塔筒顶部，可以安装在较低的位置；由于发电机可以安装在塔筒40中，这也能够为工作人员对相关设备进行检修和维护提供便利，使风力发电机组的安装和维护比较简便。

请参考图1，本实施例中，水平传动轴21通过轴承与机舱底架30连接、并支撑在机舱底架30上，这样可以通过轴承将轴向、径向载荷传递到机舱底架30；此时，第一齿轮22不承受除扭矩以外的附加外力，受载情况较好。为了更进一步地提高传动系统20的传动稳定性，还可以使水平传动轴21的第二端延长，并在塔筒40机舱底架30上设置另一轴承，并使该轴承支撑水平传动轴21的第二端；这样，使水平传动轴21通过两个支撑点支撑在机舱底架30上，使第一齿轮22位于两个支撑点之间，这样可以提高整个传动系统20的稳定性。

随着风力发电技术的进步，风力发电机组的发电功率也不断增加，要求风力发电机组中匹配的发电机的功率也不断增加，因此，风力发电机组主要使用大功率的发电机进行发电；大功率发电机功率增加导致其重量大幅增加，造成大功率发电机运输和安装非常困难；再加上风力发电机组的安装位置一般在比较偏远的地区，且大功率发电机的装置位置较高，这些因素导致风力发电机组的安装更加困难。当前，针对大功率发电机及其他部件的安装问题已经提出了多种技术方案，这些技术方案均是从提高运输能力，提高起吊能力，提高机械设备适应性角度解决在大功率发电机的运输和安装问题。本例中，风力发电机组包括多台发电机60，垂直传动轴24下端的主动齿轮51通过多个从动齿轮52同时驱动多台发电机60运转。这样将风力发电机组的整机功率分配到多台发电机上，使各台发电机60的单机重量更轻；降低发电机制造成本，摒除了大型风力机的采用大功率发电机体积大而重，不宜制造、运输和安装的缺点。更重要的是：用多台小功率的发电机60替代一台大功率发电机，可以使风力发电机组的运输和安装更加方便；另外，在一台或一部分小功率的发电机出现故障时，其他的发电机仍然能够正常运转，这样就能够减少风力发电机组的停机时间，从整体上提高风力发电机组的发电量和运转可靠性。而本发明提供的将风力发电机组的整体功率分配给多台小功率的发电机的技术手段，与现有技术的技术手段不同，从一个新的角度的提供了一种解决风力发电机组运输和安装的技术手段；当然，根据实际情况，也可以设置1台、2台、3台或更多台的发电机60，以满足实际需要。

本实施例中，第一齿轮22和第二齿轮23分别为螺旋形锥齿轮，这样可以提高传动的可靠性，降低传动噪音；当然也可以通过普通的锥齿轮进行传动。实现水平到垂直传动不限于通过锥齿轮实现，也可以通过蜗轮蜗杆传动实现，即在水平传动轴21上设置蜗杆，在垂直传动轴24上端设置蜗轮，并使蜗轮与蜗杆相啮合，同样也可以实现水平到垂直的传动；为了实现增速，也可以通过改变蜗杆的螺旋升角，将蜗杆安装在垂直传动轴24上端，将蜗轮安装在水平传动轴21上。

本例中，增速装置50中，主动齿轮51为内齿轮，从动齿轮52的齿数少于主动齿轮51的齿数，这样可以增加发电机60的输入转速，保证发电机60的发电效率；同时可以使垂直传动轴24与发电机60之间的传动结构更加紧凑；当然，也可以将主动齿轮51设置为外齿轮，同样可以实现增速传动的目的。增速装置50不限于上述结构，还可以根据实际需要设置为其他结构，比如说：可以设置其他的一级或多级变速机构。

根据上述描述，也可以设置一台功率较大的发电机，并使垂直传动轴24与该发电机60的输入轴直接相连；为了提高发电机的输入转速，还可以在垂直传动轴24下端与该发电机输入轴之间设置适当的增速装置。

为了便于调整风轮方向，本例中，机舱底架30与塔筒40上端通过适当的轴承或回转机构可旋转相连，塔筒40和机舱底架30之间的旋转轴线与垂直传动轴24的旋转轴线重合；这样，通过偏航系统可以驱动机舱底架30相对于塔筒40旋转，以对风轮10的方向进行调整。

为了更进一步地为风力发电机组的安装和维护提供方便，可以根据实际需要延长垂直传动轴24的长度，降低发电机60的安装位置，可以将发电机60设置有塔筒40中间位置，也可以将发电机60设置有塔筒40的下端。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组，包括风轮、发电机、机舱底架和塔筒，其特征在于，还包括传动系统，所述传动系统包括水平传动轴和垂直传动轴；所述水平传动轴安装在机舱底架上，且一端与风轮相连；所述垂直传动轴安装在塔筒内；所述水平传动轴与垂直传动轴上端之间通过相互啮合的锥齿轮或蜗轮蜗杆传动；所述垂直传动轴下端驱动所述发电机的输入轴；所述发电机位于塔筒内。

2.根据权利要求1所述风力发电机组，其特征在于，所述发电机位于所述塔筒下端。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征在于，所述垂直传动轴下端与发电机输入轴之间具有增速装置。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组，其特征在于，所述增速装置包括安装在所述垂直传动轴下端的主动齿轮和安装在所述发电机输入轴上的从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮啮合。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组，其特征在于，所述主动齿轮为外齿轮或内齿轮。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组，其特征在于，包括多台所述发电机，各所述发电机输入轴上分别安装一个所述从动齿轮。

7.根据权利要求1-6任一项所述的风力发电机组，其特征在于，所述机舱底架与塔筒上端可旋转相连。

8.根据权利要求1-6任一项所述的风力发电机组，其特征在于，所述水平传动轴两端部分别安装在所述机舱底架上。

9.根据权利要求1-6任一项所述的风力发电机组，其特征在于，所述水平传动轴与垂直传动轴上端之间通过相互啮合的蜗轮蜗杆传动，所述水平传动轴设置有蜗轮，所述垂直传动轴上端设置有蜗杆。

10.根据权利要求1-6任一项所述的风力发电机组，其特征在于，所述水平传动轴与垂直传动轴上端之间通过相互啮合的螺旋形锥齿轮传动。

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