CN106640531A - 具有直驱结构的兆瓦级风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有直驱结构的兆瓦级风机，包括轮毂、发电机和圆锥形空心芯轴，其特征在于，所述风机还包括环状挡板，所述挡板与所述芯轴的小端面通过螺栓把合，所述挡板的外径大于所述芯轴小端面处的外径；所述发电机的转子的两端分别设置有第一轴肩和第二轴肩；所述芯轴的大端面侧具有第三轴肩；所述发电机的转子与芯轴之间反向安装有两个圆锥滚子轴承，其中，位于芯轴小端面侧的圆锥滚子轴承为第一轴承，另一圆锥滚子轴承为第二轴承；所述第一轴承的两侧分别通过第一轴肩和挡板固定；所述第二轴承的两侧分别通过第二轴肩和第三轴肩固定。本发明轴承使用寿命高、制造成本低且安装方便。

Description

具有直驱结构的兆瓦级风机
技术领域
本发明涉及风机领域，具体为一种具有直驱结构的兆瓦级风机。
背景技术
风机是将风能转化为电能的机械装置，具有可持续发展、绿色无污染、可为偏远且无电网覆盖地区提供电能等优点。风机的基本部件包含发电机以及驱动发电机转动的叶轮，其中叶轮主要由轮毂与叶片组成。在发电过程中，叶轮将风能转化为旋转动能驱动发电机发电。目前大功率水平轴风机主要分为双馈与直驱两种机型，标志性的区别就是传动链上有无齿轮箱。双馈风机将齿轮箱安装在叶轮与发电机之间，这样就可以将叶轮输出的较低转速大大提高，从而减小发动机的尺寸。
相对于双馈风机，直驱风机的传动链较为简单，叶轮与发电机转子直接通过螺栓把合在一起。在相同输出功率的条件下，由于直驱风机从叶轮传导到发电机转子的扭矩较大，所以直驱风机的重量要比双馈风机大。尽管在重量上存在劣势，直驱风机最重要的优点就是其机械结构较双馈风机简单很多，含有较少的转动部件，所以其具有较高的可靠性。可靠性是风机非常重要的一个性能参数，特别是对于安装在偏远地区用来提供主要电力的风机。
风机设计中，在保证其结构具有足够强度的条件下，应当尽可能降低其结构的复杂性和制造成本，现有的直驱结构的兆瓦级风机大多采用圆锥形芯轴，芯轴与发电机的转子之间设置一个双列圆锥滚子轴承，这样轴承要同时承受较大的轴向载荷和径向载荷，大大降低了轴承的寿命，且双列圆锥滚子轴承结构复杂，成本较高。另外由于风机的大部分零部件在距离地面很高的高空，维修或维护非常不方便。
发明内容
本发明针对轴承使用寿命低，风机制造成本高的问题，而研究设计一种轴承使用寿命高、制造成本低，且便于安装的具有直驱结构的兆瓦级风机。
本发明的技术手段如下：
一种具有直驱结构的兆瓦级风机，包括轮毂、发电机和圆锥形空心芯轴，所述发电机的转子与轮毂固定连接，所述发电机的定子与芯轴固定连接，所述风机还包括环状挡板，所述挡板与所述芯轴的小端面通过螺栓把合，所述挡板的外径大于所述芯轴小端面处的外径；所述发电机的转子的两端分别设置有第一轴肩和第二轴肩；所述芯轴的大端面侧具有第三轴肩；所述发电机的转子与芯轴之间反向安装有两个单列圆锥滚子轴承，其中，位于芯轴小端面侧的单列圆锥滚子轴承为第一轴承，另一单列圆锥滚子轴承为第二轴承；所述第一轴承的两侧分别通过第一轴肩和挡板固定；所述第二轴承的两侧分别通过第二轴肩和第三轴肩固定。
进一步地，所述风机还包括塔筒、偏航轴承组件、主框架和尾部框架，所述主框架为薄壁结构，设置在塔筒的上端，随偏航轴承组件一起运动；所述主框架的前端面通过螺栓与芯轴把合；所述尾部框架通过螺栓把合在主框架的侧壁上，所述主框架的侧壁上还具有使主框架能够与所述尾部框架连通的缺口。
进一步地，所述尾部框架的底部壁面上具有能够容纳变压器的变压器安装孔，所述变压器通过螺栓把合悬挂在尾部框架的底部。
进一步地，所述尾部框架内还设置有变流器、控制柜和冷却系统。
进一步地，所述缺口为圆形，其中，内径≥635mm。
更进一步地，所述缺口为矩形，其中，长≥800mm,宽≥560mm。
与现有技术比较，本发明所述的具有直驱结构的兆瓦级风机具有以下有益效果：
1、相对于单个双列圆锥滚子轴承同时承受较大的轴向载荷和径向载荷，采用两个单列圆锥滚子轴承分担载荷，延长了轴承的使用寿命，且节约了成本。
2、通过设置在发电机的转子上的轴肩、芯轴上的轴肩以及挡板定位安装轴承，安装工艺简单，发电机可作为独立的部件进行电气测试并参与整机装配，发电机装配方便，便于保证项目进度。
3、本发明的优选实施例中，主框架的侧壁上具有使主框架能够与尾部框架连通的缺口，使维修人员能够通过缺口进入尾部框架，对尾部框架内的部件进行维修和维护。
4、本发明的优选实施例中，变压器通过螺栓把合悬挂在尾部框架的底部，由于变压器发热量较大，变压器露出在尾部框架的外部，便于散热。同时，变压器设置在距离发电机较近的尾部框架处，在电缆上的压降较小，避免了将发电机放到地面上连接电缆较长、较粗且成本较高的缺点。
5、本发明的优选实施例中，将变压器、变流器和控制柜等集中在尾部框架处，可以通过一套冷却系统对其进行集中冷却，从而使冷却系统设计简单、安装方便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例结构图；
图2为本发明实施例轴承安装示意图。
图中，1、轮毂，2、发电机的转子，20、第一轴肩，21、第二轴肩，3、芯轴，30、第三轴肩，4、挡板，5、第一轴承，6、第二轴承，7、塔筒，8、主框架，80、缺口，9、尾部框架，10、偏航轴承组件，11、变压器，12、变流器，13、控制柜，14、冷却系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
如图1、图2所示的具有直驱结构的兆瓦级风机，包括轮毂1、发电机和圆锥形空心芯轴3，发电机的转子2与轮毂1固定连接，发电机的定子与芯轴3固定连接，风机还包括环状挡板4，挡板4与芯轴3的小端面通过螺栓把合，挡板4的外径大于芯轴3小端面处的外径；发电机的转子2的两端分别设置有第一轴肩20和第二轴肩21；芯轴3的大端面侧具有第三轴肩30；发电机的转子2与芯轴3之间反向安装有两个单列圆锥滚子轴承，其中，位于芯轴3小端面侧的单列圆锥滚子轴承为第一轴承5，另一单列圆锥滚子轴承为第二轴承6；第一轴承5的两侧分别通过第一轴肩20和挡板4固定；第二轴承6的两侧分别通过第二轴肩21和第三轴肩30固定。
芯轴3为圆锥形空心轴，不但节省材料，降低了成本，为维修人员进入叶轮内部提供通道空间0，采用锥形结构设计，可以最大程度的提高芯轴3的强度，但是不利于轴承及其他部件的装配。
风机还包括塔筒7、偏航轴承组件10、主框架8和尾部框架9，主框架8为薄壁结构，设置在塔筒7的上端，随偏航轴承组件10一起运动；主框架8的前端面通过螺栓与芯轴3把合；尾部框架9通过螺栓把合在主框架8的侧壁上，主框架8的侧壁上还具有使主框架8能够与尾部框架9连通的缺口80。
偏航轴承组件10以塔筒7的中心轴线为旋转轴，通过偏航驱动器与制动器完成机舱的偏航动作。风机的传动链主要包括芯轴3、发电机和叶轮(包括轮毂1和叶片)，两个轴承共同承受传动链上的轴向力和径向力，径向力主要是发电机和叶轮的重力，由于风机的传动链是一个悬臂梁结构，所以第一轴承5承受较大的径向力；轴向力主要是风载和惯性力，风载产生的轴向力是持续的，由于风向切变以及叶轮的转动使得轴向力产生波动，从而使塔筒7顶部处于来回摆振状态，进而产生惯性力，所以第二轴承6承受较大的轴向力。相对于仅安装单个轴承需要同时承担较大的轴向力和径向力，两个轴承分别主要承受两个方向的力，轴承的寿命长，同时，单列圆锥滚子轴承相对于双列圆锥滚子轴承结构简单且成本低；另外，第一轴承5和第二轴承6分别通过发电机的转子2上的轴肩、芯轴3上的轴肩以及挡板4定位安装，安装工艺简单。发电机可作为独立的部件进行电气测试并参与整机装配，发电机装配方便，便于保证项目进度。
塔筒7、主框架8、芯轴3和轮毂1的空腔彼此相连，其中最小的空腔(芯轴3小端面处的内径)可以使一个成年男子半蹲或者匍匐通过，所以借助梯子或者电梯等设备，维修人员可以由地面讲过上述空腔进入轮毂1内部，再由轮毂1前端的孔通过梯子进入叶轮内部进行维修检查。
作为一种优选实施例，尾部框架9的底部壁面上具有能够容纳变压器11的变压器安装孔，变压器11通过螺栓把合悬挂在尾部框架9的底部。由于变压器11发热量较大，变压器11露出在尾部框架9的外部，便于散热。同时，变压器11设置在距离发电机较近的尾部框架9处，在电缆上的压降较小，避免了将发电机放到地面上连接电缆较长、较粗且成本较高的缺点。
作为一种优选实施例，尾部框架9内还设置有变流器12、控制柜13和冷却系统14。
将变压器11、变流器12和控制柜13等集中在尾部框架9处，可以通过一套冷却系统14对其进行集中冷却，从而使冷却系统14设计简单、安装方便。
作为一种优选实施例，缺口80为圆形，其中，内径≥635mm。
作为一种优选实施例，缺口80为矩形，其中，长≥800mm,宽≥560mm。
主框架8的侧壁上具有使主框架8能够与尾部框架9连通的缺口80，使维修人员能够通过缺口80进入尾部框架9，对安装在尾部框架9内的变压器11、变流器12、控制柜13以及冷却系统14等进行维修。缺口80及尾部框架9内的空间要使一个成年男子能够半蹲或者匍匐通过。
本发明实施例装配简单、维修/维护方便和节约制造成本等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有直驱结构的兆瓦级风机，包括轮毂、发电机和圆锥形空心芯轴，所述发电机的转子与轮毂固定连接，所述发电机的定子与芯轴固定连接，其特征在于，所述风机还包括环状挡板，所述挡板与所述芯轴的小端面通过螺栓把合，所述挡板的外径大于所述芯轴小端面处的外径；所述发电机的转子的两端分别设置有第一轴肩和第二轴肩；所述芯轴的大端面侧具有第三轴肩；所述发电机的转子与芯轴之间反向安装有两个圆锥滚子轴承，其中，位于芯轴小端面侧的圆锥滚子轴承为第一轴承，另一圆锥滚子轴承为第二轴承；所述第一轴承的两侧分别通过第一轴肩和挡板固定；所述第二轴承的两侧分别通过第二轴肩和第三轴肩固定。
2.根据权利要求1所述的具有直驱结构的兆瓦级风机，其特征在于，所述风机还包括塔筒、偏航轴承组件、主框架和尾部框架，所述主框架为薄壁结构，设置在塔筒的上端，随偏航轴承组件一起运动；所述主框架的前端面通过螺栓与芯轴把合；所述尾部框架通过螺栓把合在主框架的侧壁上，所述主框架的侧壁上还具有使主框架能够与所述尾部框架连通的缺口。
3.根据权利要求2所述的具有直驱结构的兆瓦级风机，其特征在于，所述尾部框架的底部壁面上具有能够容纳变压器的变压器安装孔，所述变压器通过螺栓把合悬挂在尾部框架的底部。
4.根据权利要求1-3任一项所述的具有直驱结构的兆瓦级风机，其特征在于，所述尾部框架内还设置有变流器、控制柜和冷却系统。
5.根据权利要求4所述的具有直驱结构的兆瓦级风机，其特征在于，所述缺口为圆形，其中，内径≥635mm。
6.根据权利要求4所述的具有直驱结构的兆瓦级风机，其特征在于，所述缺口为矩形，其中，长≥800mm,宽≥560mm。
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