CN105201754B - 风力发电机组用轴承支撑装置及安装方法、风力发电机组 - Google Patents

风力发电机组用轴承支撑装置及安装方法、风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风力发电机组用轴承支撑装置及安装方法、风力发电机组。风力发电机组包括叶轮和发电机，叶轮的轮毂套设于发电机的主轴承座的外侧，风力发电机组用轴承支撑装置包括：至少一个锁紧连接件，锁紧连接件具有设置在主轴承座与轮毂之间的锁紧楔。通过该风力发电机组用轴承支撑装置可以降低吊装难度。

Description

风力发电机组用轴承支撑装置及安装方法、风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电机领域，尤其涉及风力发电机组用轴承支撑装置及安装方法、风力发电机组。
背景技术
如图1所示，直驱式风力发电机组通常由叶轮、发电机、机舱主机架和塔筒等组成。其中，发电机设置在机舱主机架上，而叶轮通过主轴承设置在主轴上，主轴与发电机连接。叶轮通常由轮毂3’、多个设置在轮毂3’上的叶片、相应的变桨系统和导流罩等组成。组装时，叶轮的轮毂3’与主轴的轴承座7’连接。
风力发电机组工作时，叶轮受风力驱动而转动，进而带动发电机的转子转动，实现风能到电能的转化。在这一过程中，主轴承承载着整个风力发电机的旋转部分的气动载荷和重量等载荷，同时主轴承将其所承载的载荷通过机舱主机架传递到塔筒。
随着现代风力发电机组叶轮直径以及额定功率的增加，对主轴承的承载能力要求以及尺寸要求也不断上升。为了满足风力发电机组的设计要求，通常从以下两个方面对风力发电机组的主轴承进行改进：
一是使用单个大轴承作为主轴承，采用这种方式，轴承的制造成本十分昂贵，制造难度也大。
二是选用两个或多个相对较小的轴承作为主轴承。在采用两个轴承时，将两个轴承分布在叶轮几何中心的两侧，这样由两个轴承均匀承担从叶轮传递过来的载荷，使得轴承尺寸及其承载能力可被控制在一个合理的范围内。但是，采用此种方式使得风力发电机组的吊装成本比较高。因为在吊装时需要对轮毂3’与轴承座7’之间的多个法兰面进行对接(图1中的法兰17’和法兰18’需要同时与轮毂3’上的法兰面进行对接)，使得吊装难度增加。
此外，随着叶轮直径的增大，风力发电机吊装时的瞬时风载荷使得叶轮晃动量增加，致使多个法兰同时对齐的难度更大。若在地面先行组装叶轮和主轴承支撑座后再吊装，则需要吊车具有很大的吊装能力，使得吊装成本急剧增加。
发明内容
本发明的实施例提供一种风力发电机组用轴承支撑装置及安装方法、风力发电机组，以解决现有风力发电机轴承吊装困难的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例提供一种风力发电机组用轴承支撑装置，风力发电机组包括叶轮和发电机，叶轮的轮毂套设于发电机的主轴承座的外侧，风力发电机组用轴承支撑装置包括：至少一个锁紧连接件，锁紧连接件具有设置在主轴承座与轮毂之间的锁紧楔。
进一步地，锁紧楔的纵截面形状为楔形，锁紧连接件还具有与轮毂连接的安装凸缘，安装凸缘位于锁紧楔的厚度较大的一端。
进一步地，锁紧楔的外壁面与内壁面之间具有夹角β，夹角β的取值范围为1°至15°。
进一步地，夹角β的取值为1°、3°、8°、11°或15°。
进一步地，安装凸缘上设置有固定通孔，风力发电机组用轴承支撑装置还包括紧固件，紧固件穿设在固定通孔内并与轮毂固定连接。
进一步地，安装凸缘上设置有调节螺纹孔，风力发电机组用轴承支撑装置还包括顶出件，顶出件与调节螺纹孔螺纹连接，且顶出件的一端抵接在轮毂的端面上。
进一步地，锁紧连接件为多个，并分布在主轴承座的外周。
进一步地，锁紧连接件为多个，且均匀间隔地分布在主轴承座的外周。
进一步地，风力发电机组用轴承支撑装置包括多个锁紧连接件组，每一组锁紧连接件组包括若干个依次间隔开的锁紧连接件。
进一步地，锁紧楔的朝向轮毂的一面具有第一凸起，轮毂与锁紧楔配合的面上设置有与第一凸起配合的第二凸起。
根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组用轴承支撑装置安装方法，风力发电机包括叶轮和发电机，该方法包括如下步骤：吊装叶轮的轮毂并将其套设在发电机的主轴承座的外侧；将上述的锁紧连接件装入主轴承座与轮毂之间。
进一步地，该方法还包括如下步骤：通过紧固件将锁紧连接件固定连接至轮毂。
根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，包括轴承支撑装置，该轴承支撑装置为上述的轴承支撑装置。
本发明的实施例的风力发电机组用轴承支撑装置通过在轮毂与主轴承座之间设置锁紧楔使得主轴承座与轮毂的固定连接可调，进而避免了吊装时轮毂与主轴承座之间需要多个法兰面对齐，降低了吊装难度。
附图说明
图1为现有技术中的风力发电机组的叶轮与轴承座配合的结构示意图；
图2为本发明的实施例的风力发电机组的结构示意图；
图3为本发明的实施例的风力发电机组的第一种锁紧连接件的截面图；
图4为本发明的实施例的风力发电机组的第二锁紧连接件与轮毂配合的示意图；
图5为图2中的风力发电机组去除叶片和变桨轴承后的左视图；
图6为图5中A-A向的剖视图；
图7为图5中B-B向的剖视图；
图8为本发明的实施例的风力发电机组的第一种锁紧连接件的第一种布置方式的立体结构示意图；
图9为本发明的实施例的风力发电机组的第一种锁紧连接件的第二种布置方式的立体结构示意图；
图10为本发明的实施例的风力发电机组的第一锁紧连接件的第三种布置方式的立体结构示意图；
图11为本发明的实施例的风力发电机组的结构爆炸图。
附图标记说明：
1、叶片；2、变桨轴承；3、轮毂；4、锁紧连接件；5、第一主轴承；6、第二主轴承；7、主轴承座；8、主轴；9、转子；10、定子；11、机舱主机架；12、偏航轴承；13、塔筒；15、紧固件；16、顶出件；31、第二凸起；41、锁紧楔；411、第一凸起；42、安装凸缘；43、固定通孔；44、调节螺纹孔；3’、现有技术中的轮毂；7’、现有技术中的轴承座；17’、轴承座的前法兰；18’、轴承座的后法兰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例的风力发电机组用轴承支撑装置和安装方法进行详细描述。
本发明的风力发电机采用直驱式风力发电机。该风力发电机组安装方法尤其适用于直驱式风力发电机的吊装。
如图2所示，根据本发明的实施例，风力发电机组主要包括叶轮、发电机、机舱主机架11和塔筒13四大部分。
其中，塔筒13主要起承载作用，用于承载其它部件。机舱主机架11设置在塔筒13上，并用于安装发电机、控制部件等部件。偏航轴承12设置在机舱主机架11上用于调整机舱主机架11相对于塔筒13的对风角度。
发电机设置在机舱主机架11上，其主要作用是将机械能转化为电能。发电机包括主轴8、固定连接在主轴8上的定子10、转子9、套设在主轴8上的第一主轴承5和第二主轴承6(第一主轴承5和第二主轴承6的内圈通常与主轴8过盈配合)、套设在第一主轴承5和第二主轴承6外的主轴承座7(第一主轴承5和第二主轴承6的外圈与主轴承座7过盈配合或者过渡配合)等。还包括与主轴承座7固定连接的发电机转子9。
叶轮设置在主轴承座7上，其主要作用是将风能转化为机械能。叶轮包括轮毂3、变桨轴承2以及叶片1，其中叶片1通过变桨轴承2设置在轮毂3上。轮毂3套设在主轴承座7上，并固定连接。
叶轮装到主轴承座7上后，第一主轴承5和第二主轴承6分别位于叶轮的轮毂3的中心的两侧，以分担载荷并保证两者受力均衡。由于两个主轴承分担载荷，因此可以选用相对较小的主轴承，降低了风力发电机的制造成本。
在风力发电机组中，第一主轴承5和第二主轴承6支撑叶轮的轮毂3和主轴承座7。
在本实施例中，风力发电机组用轴承支撑装置包括至少一个设置于轮毂3与主轴承座7之间的锁紧连接件4。锁紧连接件4与轮毂3或主轴承座7固定连接，并具有设置在主轴承座7与轮毂3之间的锁紧楔41，锁紧楔41的纵截面形状为楔形(纵截面是指包括轮毂3的轴线的截面)，即沿轮毂3的轴向锁紧楔41的厚度逐渐增加或减小。
由于锁紧楔41的厚度逐渐变化形成了锥面，因此将锁紧楔41设置在主轴承座7与轮毂3之间可以实现主轴承座7与轮毂3的紧固连接。而采用通过锁紧楔41连接的方式，使得轮毂3与主轴承座7的配合具有一定的轴向和径向调节量，降低了双轴承布置的风力发电机组的吊装难度，可以降低主轴承座7与轮毂3在装配时的位置精度要求，不用在吊装时同时对多个法兰面进行对接，降低了吊装难度和吊装成本。
在本实施例中，锁紧连接件4与轮毂3固定连接，以实现锁紧连接件4的固定。当然，在其它实施例中，锁紧连接件4可以设置为与主轴承座7连接。
参见图3所示，在本实施例中，锁紧楔41具有与主轴承座7配合的内壁面和与轮毂3配合的外壁面。锁紧楔41的内壁面为圆柱面，其母线为平行于主轴承座7的轴线的直线(相应地，主轴承座7与锁紧楔41配合的部分的壁面也为圆柱面)。锁紧楔41的外壁面为锥面(相应地，轮毂3与锁紧楔41配合的壁面也为锥面)。
锁紧楔41的外壁面与内壁面之间具有夹角β。为了保证锁紧楔41在主轴承座7和轮毂3之间的自锁，夹角β应满足：夹角β＜arctanμ(其中，μ为锁紧楔41与轮毂3之间的摩擦系数)。优选地，夹角β的取值范围是1°至15°之间。更优选地，夹角β的取值为1°、3°、8°、11°或15°。在这些角度时，使得锁紧楔41的受力更加合理。
如图4所示，为了进一步提高锁紧楔41与轮毂3配合的可靠性，锁紧楔41不仅具有锥度，锁紧楔41的外壁面还设置有第一凸起411，轮毂3与锁紧楔41配合的面上设置有与第一凸起411配合的第二凸起31。这样，第一凸起411和第二凸起31形成相互配合的锯齿形，以限制锁紧连接件4的位置，防止其移动，实现锁紧连接件4与轮毂3之间更牢固的锁定。
优选地，为了保证锁紧连接件4能够可靠地固定在轮毂3与主轴承座7之间，锁紧连接件4具有用于与轮毂3固定连接的安装凸缘42，安装凸缘42固定连接在锁紧楔41的厚度较大的一端。
如图5和6所示，在本实施例中，为了能够可靠地固定锁紧连接件4，在安装凸缘42上设置有固定通孔43。风力发电机组用轴承支撑装置还包括紧固件15，紧固件15穿设在固定通孔43内并与轮毂3固定连接，以将锁紧连接件4固定在轮毂3上。
具体地，紧固件15为紧固螺钉，其穿过固定通孔43后与轮毂3的法兰螺纹连接实现固定。
如图7所示，为了能够在更换或需要调整锁紧连接件4的位置时能够方便地将锁紧连接件4取出，安装凸缘42上设置有调节螺纹孔44(见图5)，风力发电机组用轴承支撑装置还包括顶出件16，顶出件16与调节螺纹孔44螺纹连接，且顶出件16的一端抵接在轮毂3的端面上，这样当需要将锁紧连接件4取出时只要旋拧顶出件16即可。
顶出件16可以是螺杆，为了方便旋拧，顶出件16上可以加工出凹槽或盲孔，以便在凹槽或盲孔内插入加力件(螺丝刀、加力扳手等)。
在工作过程中，由于风力发电机组承受的载荷比较复杂，因而对主轴承座7在周向上的各处的刚性要求不同，为了能够满足这一要求，锁紧连接件4可以设置为多个并分布在主轴承座7的外周。根据不同的刚性需求，可以调整锁紧连接件4的位置和数量，进而实现在不同位置主轴承座7具有不同的刚度，从而满足主轴承的需要，进而提高主轴承的性能。
如图8所示，风力发电机组用轴承支撑装置可以设置为在圆周方向上具有相等长度的3个锁紧连接件4，并且沿主轴承座7的外周均匀分布。这样可以使主轴承座7的刚性比较均匀，适用于载荷分布较均匀的使用工况。
如图9所示，风力发电机组用轴承支撑装置可以设置为多个(多于3个)且均匀间隔地分布在主轴承座7的外周的锁紧连接件4。这种设置方式由于锁紧连接件4的数量较多，在某一个锁紧连接件4损坏时可单独更换损坏的锁紧连接件4，从而降低锁紧连接件4的更换成本。
如图10所示，风力发电机组用轴承支撑装置可以包括多个锁紧连接件组，风力发电机组用轴承支撑装置，每一组锁紧连接件组又包括若干小的依次间隔开的锁紧连接件4。各个锁紧连接件组之间可以沿主轴承座7的周向均与间隔设置，也可以不均匀间隔设置。此种设置方式中，锁紧连接件4可以不均匀分布，例如，在主轴承座7需要较高刚性的位置处设置锁紧连接件4，在主轴承座7需要较低刚性的位置处可以不设置锁紧连接件4。或者是在主轴承座7需要较高刚性的位置处与需要较低刚性的位置处相比，设置的锁紧连接件4的数量更多。
此外，也可以将风力发电机组用轴承支撑装置设置为一个整体，即，沿轴承座的外圈形成整体环形的锁紧连接件4(未示出)，这样可提高装配的效率。
根据本发明的另一方面，提供了一种风力发电机组用轴承支撑装置的安装方法，包括如下步骤：
吊装轮毂3并将其套设在主轴承座7外；
将上述的锁紧连接件4装入主轴承座7与轮毂3之间并将主轴承座7与轮毂3紧固。通过设置锁紧连接件4可以减少吊装过程中需要对齐的法兰的数量，进而可以提高法兰对接速度，降低吊装成本。
具体地，在吊装整个风力发电机组时，如图11所示，先将机舱主机架11吊装到塔筒13上，此时对齐的是机舱主机架11与塔筒13上的法兰。然后，将发电机安装到机舱主机架11上，此时对齐的是发电机的主轴8与机舱主机架11上的法兰。之后，将叶轮通过一圈法兰螺栓固定在发电机的主轴承座7上，此时对齐的是叶轮的轮毂3后侧与主轴承座7上的法兰。最后，将锁紧连接件4装入轮毂3与主轴承座7之间，并通过紧固件15固定在轮毂3上。由上述过程可以看出，每一步吊装过程都只有一个法兰对齐，因此降低了吊装难度，进而降低了风力发电机吊装成本。
根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组，其包括轴承支撑装置，该轴承支撑装置为上述的轴承支撑装置。使用该轴承支撑装置的风力发电机组的吊装难度更低。
本发明的风力发电机组用轴承支撑装置和安装方法、风力发电机组具有如下效果：
通过在轮毂与主轴承座之间设置带有锥度的锁紧连接件，达到在不显著增加制造和吊装成本的基础上满足主轴承座的轴向固定和径向固定。
同时，可以根据需要调整锁紧连接件的数量和设置位置，使得主轴承座达到设计所需的合适的刚度，进而使得风力发电机组的两个主轴承获得较好的性能。
此外，主轴承座可调整地固定避免了同时对齐多个法兰所带来的吊装难度，进而降低吊装成本。使得成本较低的、布置在轮毂前后侧的双轴承方案变得经济可行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风力发电机组用轴承支撑装置，风力发电机组包括叶轮和发电机，所述叶轮的轮毂(3)套设于所述发电机的主轴承座(7)的外侧，其特征在于，所述风力发电机组用轴承支撑装置包括：
至少一个锁紧连接件(4)，所述锁紧连接件(4)与所述轮毂(3)或所述主轴承座(7)固定连接，所述锁紧连接件(4)具有设置在所述主轴承座(7)与所述轮毂(3)之间的锁紧楔(41)，所述锁紧楔(41)的朝向所述轮毂(3)的一面具有第一凸起(411)，所述轮毂(3)与所述锁紧楔(41)配合的面上设置有与所述第一凸起(411)配合的第二凸起(31)，所述锁紧楔(41)将所述主轴承座(7)与所述轮毂(3)紧固连接。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组用轴承支撑装置，其特征在于，所述锁紧楔(41)的纵截面形状为楔形，所述锁紧连接件(4)还具有与所述轮毂(3)连接的安装凸缘(42)，所述安装凸缘(42)位于所述锁紧楔(41)的厚度较大的一端。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组用轴承支撑装置，其特征在于，所述锁紧楔(41)的外壁面与内壁面之间具有夹角β，所述夹角β的取值范围为1°至15°。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组用轴承支撑装置，其特征在于，所述夹角β的取值为1°、3°、8°、11°或15°。
5.根据权利要求2所述的风力发电机组用轴承支撑装置，其特征在于，所述安装凸缘(42)上设置有固定通孔(43)，所述风力发电机组用轴承支撑装置还包括紧固件(15)，所述紧固件(15)穿设在所述固定通孔(43)内并与所述轮毂(3)固定连接。
6.根据权利要求2或5所述的风力发电机组用轴承支撑装置，其特征在于，所述安装凸缘(42)上设置有调节螺纹孔(44)，所述风力发电机组用轴承支撑装置还包括顶出件(16)，所述顶出件(16)与所述调节螺纹孔(44)螺纹连接，且所述顶出件(16)的一端抵接在所述轮毂(3)的端面上。
7.根据权利要求1所述的风力发电机组用轴承支撑装置，其特征在于，所述锁紧连接件(4)为多个，并分布在所述主轴承座(7)的外周。
8.根据权利要求1所述的风力发电机组用轴承支撑装置，其特征在于，所述锁紧连接件(4)为多个，且均匀间隔地分布在所述主轴承座(7)的外周。
9.根据权利要求1所述的风力发电机组用轴承支撑装置，其特征在于，所述风力发电机组用轴承支撑装置包括多个锁紧连接件组，每一组锁紧连接件组包括若干个依次间隔开的所述锁紧连接件(4)。
10.一种风力发电机组，包括轴承支撑装置，其特征在于，所述轴承支撑装置为权利要求1至9中任一项所述的轴承支撑装置。
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