CN112780493B - 直驱风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直驱风力发电装置，所述直驱风力发电装置包括：塔体，所述塔体包括塔架和设于塔架顶部的主机架，所述主机架的一侧形成为朝向所述塔体的中心轴线凹陷的电机安装部；发电机，所述发电机固定于所述电机安装部上，所述发电机的中心轴线在远离所述主机架的方向上向上倾斜延伸；和轮毂，所述轮毂与所述发电机相连且位于所述发电机的背离所述塔体的一侧。根据本发明的直驱风力发电装置，可以使发电机和轮毂的部分载荷直接作用于塔体上，减小塔体的向前的倾覆力矩，由此，可以减轻塔体重量，提高塔体的承载能力。

Description

直驱风力发电装置
技术领域
本发明涉及可再生能源设备技术领域，尤其是涉及一种直驱风力发电装置。
背景技术
随着风力发电机技术的发展，风力发电机结构趋于大型化，机舱尺寸变得越来越大，如3MW双馈机组机舱长度达到15米，10MW双馈机组机舱长度达到20米，高宽均达到8米，5MW直驱机组机舱长度也达到10米，高宽也均达到6.5米，随之而来的是塔筒尺寸也更大。当功率超过5MW时，为减小机组尺寸，降低重量和成本，一般考虑采用直驱机组，即无中间传动链的主轴、增速箱和联轴器的结构，风轮直接驱动发电机。但随着机组功率增大，又带来新的问题，即发电机由于转速太低，转矩大，需有更多磁极对数，导致发电机径向尺寸又过大，重量大，使塔架和基础重量不断增加。因此需要通过各种措施减轻塔架载荷降低塔架和基础重量。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种直驱风力发电装置，所述直驱风力发电装置的承载能力高。
根据本发明的直驱风力发电装置，包括：塔体，所述塔体包括塔架和设于塔架顶部的主机架，所述主机架的一侧形成为朝向所述塔体的中心轴线凹陷的电机安装部；发电机，所述发电机固定于所述电机安装部上，所述发电机的中心轴线在远离所述主机架的方向上向上倾斜延伸；和轮毂，所述轮毂与所述发电机相连且位于所述发电机的背离所述塔体的一侧。
根据本发明的直驱风力发电装置，可以使发电机和轮毂的部分载荷直接作用于塔体上，减小塔体的向前的倾覆力矩，由此，可以减轻塔体重量，提高塔体的承载能力。
在一些实施例中，所述发电机的中心轴线与水平面之间的夹角不大于30°。
在一些实施例中，所述发电机的中心轴线与水平面之间的夹角在10°到20°的范围内。
在一些实施例中，所述电机安装部形成为在从下往上的方向上朝向所述塔体的中心轴线倾斜向上延伸的板体，所述主机架还包括：弧形壁板，所述弧形壁板沿上下方向延伸且呈环绕所述塔体的中心轴线延伸的弧形板状，所述电机安装部的沿宽度方向的两端分别与所述弧形壁板的沿周向方向的两端相连。
在一些实施例中，所述电机安装部与塔体中心轴线之间的夹角在10°到20°的范围内。
在一些实施例中，所述发电机的中心轴线垂直于所述电机安装部的外侧表面。
在一些实施例中，所述主机架还包括：过渡板，所述过渡板在从下往上的方向上朝向塔体的中心倾斜向上延伸并连接在所述电机安装部的下端，且所述过渡板与水平面之间的夹角小于所述电机安装部与水平面之间的夹角。
在一些实施例中，所述塔架呈圆筒状，所述主机架的下端形成有与所述塔架相连的圆筒状的连接部，且所述连接部的直径与所述塔架顶部的直径大体相等。
在一些实施例中，在水平投影平面内，所述发电机的重心位于所述塔体的内侧。
在一些实施例中，所述轮毂的中心轴线与水平面之间的夹角不大于30°。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明实施例的直驱风力发电装置的示意图。
附图标记：
直驱风力发电装置100，
塔体1，塔架11，主机架12，电机安装部121，弧形壁板122，过渡板123，连接部124，发电机2，轮毂3。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考图1描述根据本发明实施例的直驱风力发电装置100。
如图1所示，根据本发明实施例的直驱风力发电装置100，包括：塔体1、发电机2和轮毂3。
具体地，塔体1包括塔架11和设于塔架11顶部的主机架12，主机架12的一侧(例如图1中所示的主机架12的前侧)形成为朝向塔体1的中心轴线凹陷的电机安装部121；发电机2固定于电机安装部121上，且发电机2的中心轴线在远离主机架12的方向上(例如图1中所示的从后往前的方向上)向上倾斜延伸；轮毂3与发电机2相连，且轮毂3位于发电机2的背离塔体1的一侧(例如图1中所示的发电机2的前侧)。轮毂3可以用于安装并固定直驱风力发电装置100的叶片，叶片可以包括多个，多个叶片(例如叶片的数量可以为三个)沿轮毂3的周向方向间隔布置。
根据本发明实施例的直驱风力发电装置100，通过将主机架12的电机安装部121朝向塔体1的中心轴线凹陷，这样，当发电机2安装于电机安装部121上时，发电机2的重心可以向塔体1的方向移动，甚至于发电机2的重心可以进入塔体1直径范围内，这样，发电机2和轮毂3的部分载荷可以直接作用于塔体1上，从而可以减小塔体1向前的倾覆力矩，使得当直驱风力发电装置100在工作中承受轴向风载荷时，风载荷产生的向塔架11后侧的倾覆力矩减去机舱向前方的倾覆力矩后的总力矩为向后，尽量同静载时向前的力矩相同或相近，这样可以减轻塔架11重量。
同时，本实施例通过使发电机2的中心轴线向上倾斜延伸，不仅可以进一步使发电机2和轮毂3的重心朝向塔体1中心移动，还可以避免轮毂3上的叶片在旋转的过程中击中塔体1，使得叶片与塔体1不相互干涉，结构设置更加合理。
由此，根据本发明实施例的直驱风力发电装置100，可以使发电机2和轮毂3的部分载荷直接作用于塔体1上，减小塔体1向前的倾覆力矩，由此，可以减轻塔体1重量，提高塔体1的承载能力。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，发电机2的中心轴线与水平面之间的夹角a不大于30°。进一步地，发电机2的中心轴线与水平面之间的夹角a可以在10°到20°的范围内。由此，可以进一步使发电机2和轮毂3的重心朝向塔体1中心移动，减小发电机2和轮毂3的重力静在和产生的向前的倾覆力矩，从而减轻塔体1重量，提高塔体1的承载能力。
例如，发电机2的中心轴线与水平面之间的夹角a可以为5°、15°或25°等等。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，电机安装部121可以形成为在从下往上的方向上朝向塔体1的中心轴线(例如图1中所示的从前往后的方向上)倾斜向上延伸的板体，例如，电机安装部121可以形成为矩形板体形状。主机架12还可以包括：弧形壁板122，弧形壁板122沿上下方向延伸，且弧形壁板122可以呈环绕塔体1的中心轴线延伸的弧形板状，电机安装部121的沿宽度方向的两端(例如电机安装部121的沿塔体1周向方向的两端)分别与弧形壁板122的沿周向方向的两端相连。由此，可以简化主机架12的结构，方便加工成型，且有利于实现发电机2的重心朝向塔体1中心移动。
在一些示例中，如图1所示，电机安装部121与竖向平面之间的夹角b不大于30°。进一步地，电机安装部121与塔体1中心轴线之间的夹角b可以在10°到20°的范围内。由此，可以在使发电机2和轮毂3的重心朝向塔体1中心移动的前提下，保证直驱风力发电装置100对风能的利用率，保证发电效率。
例如，电机安装部121与塔体1中心轴线之间的夹角b可以为5°、15°或25°等等。
进一步地，如图1所示，发电机2的中心轴线垂直于电机安装部121的外侧表面，此时，发电机2的中心轴线与水平面之间的夹角a等于电机安装部121与塔体1中心轴线之间的夹角b。由此，可以方便布置发电机2，保证发电机2内定子与转子之间的间隙，保证发电机2正常运行。
在一些实施例中，如图1所示，主机架12还可以包括：过渡板123，过渡板123在从下往上的方向上朝向塔体1的中心倾斜向上延伸，且过渡板123连接在电机安装部121的下端，过渡板123的沿宽度方向的两端分别与弧形壁板122的周向方向两端相连。
其中，如图1所示，过渡板123与水平面之间的夹角c小于电机安装部121与水平面之间的夹角d。也就是说，过渡板123朝向塔体1的中心倾斜的斜度大于电机安装部121的斜度。本实施例通过设置过渡板123，可以使电机安装部121的位置朝向塔体1的中心移动，同时避免电机安装部121的斜度过大而影响发电机2和轮毂3的布置。
这里，电机安装部121、弧形壁板122与过渡板123可以一体成型，当然，电机安装部121、弧形壁板122与过渡板123还可以焊接连接。
在一些实施例中，如图1所示，塔架11可以呈圆筒状，主机架12的下端形成有与塔架11相连的圆筒状的连接部124，且连接部124的直径与塔架11顶部的直径大体相等。由此，可以方便塔架11与主机架12相连，方便安装。
其中，连接部124与电机安装部121和过渡板123之间可以焊接连接。
在一些实施例中，参照图1，在水平投影平面内，发电机2的重心可以位于塔体1的内侧。由此，可以减小发电机2和轮毂3的重力静在和产生的向前的倾覆力矩，从而减轻塔体1重量，提高塔体1的承载能力。
在一些实施例中，轮毂3的中心轴线与水平面之间的夹角e不大于30°。例如，轮毂3的中心轴线与水平面之间的夹角e可以为5°、10°、15°、20°或25°等等。由此，可以避免轮毂3上的叶片在旋转的过程中击中塔体1，使得叶片与塔体1不相互干涉，结构设置更加合理。
这里，可以理解的是，轮毂3的中心轴线与水平面之间的夹角e与发电机2的中心轴线与水平面之间的夹角a可以相等，也可以不相等。
下面将参考图1描述根据本发明一个具体实施例的直驱风力发电装置100。
参照图1，具体地，如图1所示，本实施例的直驱风力发电装置100包括塔体1、发电机2和轮毂3组成。其中，发电机2为永磁发电机2。
具体地，塔体1包括塔架11和主机架12，主机架12支撑发电机2，发电机2支撑风轮的轮毂3。
主机架12采用两部分结合的形式，上部分为不规则塔形，该塔形结构的前端面为电机安装部121，该前端面与机组发电机2平行，并向主机架12中心收缩且呈一定俯仰角度(0～30度)，这样可使轮毂3及发电机2自重重心向塔体1中心移动，甚至进入塔体1的直径范围，通过调整轮毂3和发电机2的俯仰角度(0～30度)进一步使主机架12的中心后移，以避免安装于轮毂3上的叶片在旋转过程中击中塔架11。
主机架12下部分为圆筒形结构的连接部124，以便于与塔筒状的塔架11相连接，主机架12的上下两部分的连接方式可以是焊接也可以是铆接。
主机架12除支撑轮毂3和发电机2外，主机架12的内部可以用于布置直驱风力发电装置100的各种设备，且主机架12的内部设备可以呈阶梯式布置，其中主机架12内的下部空间容纳主控柜、变流器、液压站及辅助设备，主机架12内的底部还放置数个偏航装置，由于主机架12的高度较高，主机架12内可以设有爬梯或其他登高设施。主机架12的机舱上部还安装有测风装置。
其中，主机架12材料可以使用Q345D的焊接结构，当然主机架12也可以采用QT400-18AL的铸造结构。当主机架12采用焊接结构，其外形尺寸大约为直径6m、高10m的筒形。焊接结构主要优点是生产周期短、重量轻，但需要对焊缝和壁厚进行单独分析计算，以保证壁厚的分布合理，避免焊缝应力集中。
当主机架12采用铸造结构时，主机架12应分为上铸、下焊的两部分，即下部的连接部124为筒形，以便于塔架11连接，上部为半封闭框架结构，铸造结构的主机架12可以使主机架12的壁厚分布更趋于合理，并减少应力集中。当然，本发明不下于此，由于主机架12的体型、重量过大，不论是焊接还是铸造都可能会因外形尺寸过大造成生产上的难度，因此，主机架12还可以采用分段设计，再使用高强螺栓对分段进行连接组装。
根据本发明实施例的直驱风力发电装置100，可以减小对塔体1中心向前侧的倾覆力矩，使直驱风力发电装置100在工作中承受轴向风载荷时，风载荷产生的向塔架11后侧的倾覆力矩减去机舱向前方的倾覆力矩后的总力矩为向后，尽量同静载时向前的力矩相同或相近，这样可以减轻塔体1重量。
本实施例通过使主机架12的前端面后移，使发电机2的部分载荷直接作用在塔架11上，可使轮毂3及发电机2重力静载荷产生的倾覆力矩下降15％，但对动载荷影响没有改变。通过采用有限元分析方法对本实施例的塔体1进行强度刚度方面计算，可以使复杂的焊接结构在最小重量的前提下获得很高的承载能力。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种直驱风力发电装置，其特征在于，包括：
塔体，所述塔体包括塔架和设于塔架顶部的主机架，所述主机架的一侧形成为朝向所述塔体的中心轴线凹陷的电机安装部；
发电机，所述发电机固定于所述电机安装部上，所述发电机的中心轴线在远离所述主机架的方向上向上倾斜延伸，所述发电机的中心轴线与水平面之间的夹角在10°到20°的范围内，在水平投影平面内，所述发电机的重心位于所述塔体的内侧，所述电机安装部形成为在从下往上的方向上朝向所述塔体的中心轴线倾斜向上延伸的板体，所述主机架还包括弧形壁板和过渡板，所述弧形壁板沿上下方向延伸且呈环绕所述塔体的中心轴线延伸的弧形板状，所述电机安装部的沿宽度方向的两端分别与所述弧形壁板的沿周向方向的两端相连，所述过渡板在从下往上的方向上朝向塔体的中心倾斜向上延伸并连接在所述电机安装部的下端，且所述过渡板与水平面之间的夹角小于所述电机安装部与水平面之间的夹角；
轮毂，所述轮毂与所述发电机相连且位于所述发电机的背离所述塔体的一侧。
2.根据权利要求1所述的直驱风力发电装置，其特征在于，所述电机安装部与塔体中心轴线之间的夹角在10°到20°的范围内。
3.根据权利要求2所述的直驱风力发电装置，其特征在于，所述发电机的中心轴线垂直于所述电机安装部的外侧表面。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的直驱风力发电装置，其特征在于，所述塔架呈圆筒状，所述主机架的下端形成有与所述塔架相连的圆筒状的连接部，且所述连接部的直径与所述塔架顶部的直径大体相等。
5.根据权利要求1所述的直驱风力发电装置，其特征在于，所述轮毂的中心轴线与水平面之间的夹角不大于30°。
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