双叶轮风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种双叶轮风力发电机组。

背景技术

深远海漂浮式风电场由于离岸距离较远，机组运维和建设费用成本极高，针对深远海风速高、风向和波浪流向更为稳定的场址环境，更适合于单点系泊式漂浮式平台的超大功率机组，采用的单点系泊式结构，取消了机组较高故障率的偏航系统，大大提高机组运行可靠性，而现有技术环节，在开发大功率机组，只是在机组部件尺寸进行放大型设计，设计更长的叶片、更大齿轮箱和更高功率。

而现有技术和制造体系在设计超大型机组开发存在一定难点，首先，从技术开发层面而言，在叶片、齿轮箱、轴系和发电机方面在面临大功率机组的开发，受成本控制约束，其面临的是刚度变形匹配问题诱发的机组振动问题，超长叶片设计导致其扭转刚度更低，在叶片的挥舞和摆振方向频率低，主传动链由于高传动比和大扭矩的设计，导致机组主传动链共振频率更低，同时在大尺寸结构设计在其密封结构设计的变形控制难度更大，发电机的设计，大尺寸高转速使其转子线速度更大，对电机工艺要求高，在发电机、主齿轮箱，和叶片频率相互耦合作用下，机组设计难度大。另外一方面，在制造工艺设备、加工难度、吊装运输设备以及测试实验台方面提出更高的要求，比如针对齿轮箱齿圈热处理和机加工设备，针对超出叶片模具和厂房投入，针对叶片、齿轮箱、发电机等核心部件型式测试，需要投入更大实验台，目前对于这些国内都受到明显的制约，在推进身远海漂浮技术商业化运用产生巨大挑战。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种双叶轮风力发电机组，其能够降低相应部件的结构尺寸，并降低其在加工、制造、吊装以及测试等方面的技术难度和成本，还能够提高作业效率。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明提供一种双叶轮风力发电机组，双叶轮风力发电机组包括前叶轮组件、后叶轮组件以及机舱底座；前叶轮组件及后叶轮组件分别连接于机舱底座相对的两端；

前叶轮组件包括前叶片、前轮毂、前主轴承、前主齿轮箱及前发电机；前叶片与前轮毂连接并形成前叶轮，前叶轮连接于前主轴承的内圈，前主轴承的外圈连接于机舱底座，且前主齿轮箱传动连接前主轴承的内圈及前发电机；

后叶轮组件包括后叶片、后轮毂、后主轴承、后主齿轮箱及后发电机；后叶片与后轮毂连接并形成后叶轮，后叶轮连接于后主轴承的内圈，后主轴承的外圈连接于机舱底座，且后主齿轮箱传动连接后主轴承的内圈及后发电机；

其中，前叶轮的转动方向与后叶轮的转动方向相反。

在可选的实施方式中，前叶轮的载荷与后叶轮的载荷相同，F

其中，F为载荷，C为叶轮叶片吸收功率因数，L为弦长，P为功率。

在可选的实施方式中，前叶轮及后叶轮均包括3支叶片，前叶轮及后叶轮的叶片旋转夹角为60°；或，前叶轮及后叶轮均包括2支叶片，前叶轮及后叶轮的叶片旋转夹角为90°。

在可选的实施方式中，机舱底座包括机舱前支架、机舱中间支架及机舱后支架；

机舱前支架及机舱后支架均通过支架连接法兰与机舱中间支架连接，且前主轴承的外圈与机舱前支架连接，后主轴承的外圈与机舱后支架连接。

在可选的实施方式中，机舱前支架设置有前机舱铸件，前主轴承、前主齿轮箱及前发电机均容置于前机舱铸件内，且前主轴承的外圈连接于前机舱铸件；

机舱后支架设置有后机舱铸件，后主轴承、后主齿轮箱及后发电机均容置于后机舱铸件内，且后主轴承的外圈连接于后机舱铸件。

在可选的实施方式中，机舱前支架设置有安装前机舱铸件的前机舱铸件连接孔，机舱后支架设置有安装后机舱铸件的后机舱铸件连接孔。

在可选的实施方式中，双叶轮风力发电机组还包括变压器及变压器支架；机舱中间支架的内腔中配置有变压器固定凸台；变压器支架与变压器固定凸台连接；变压器与变压器支架连接，并位于机舱中间支架的内腔中。

在可选的实施方式中，双叶轮风力发电机组还包括变流器及围栏；变流器连接于机舱中间支架；

机舱中间支架配置有顶部平台，顶部平台的外围安装有围栏，以形成维护通道。

在可选的实施方式中，机舱中间支架还设置有机舱吊装固定凸台；双叶轮风力发电机组还包括吊装工装，吊装工装与机舱吊装固定凸台连接。

在可选的实施方式中，吊装工装包括工作台、旋转台位、吊钩支臂及工装吊钩；

工作台的四个撑腿与机舱吊装固定凸台连接，旋转台位与工作台可转动地连接，吊钩支臂与旋转台位连接，工装吊钩与吊钩支臂连接。

本发明实施例的有益效果包括：

该双叶轮风力发电机组包括前叶轮组件、后叶轮组件以及机舱底座；前叶轮组件及后叶轮组件分别连接于机舱底座相对的两端；前叶轮组件包括前叶片、前轮毂、前主轴承、前主齿轮箱及前发电机；前叶片与前轮毂连接并形成前叶轮，前叶轮连接于前主轴承的内圈，前主轴承的外圈连接于机舱底座，且前主齿轮箱传动连接前主轴承的内圈及前发电机；后叶轮组件包括后叶片、后轮毂、后主轴承、后主齿轮箱及后发电机；后叶片与后轮毂连接并形成后叶轮，后叶轮连接于后主轴承的内圈，后主轴承的外圈连接于机舱底座，且后主齿轮箱传动连接后主轴承的内圈及后发电机；其中，前叶轮的转动方向与后叶轮的转动方向相反。

该双叶轮风力发电机组通过将单个叶轮机组所产生的功率通过前后两个叶轮组件所产生功率进行分配，从而能够降低两个叶轮组件分别承担的功率，进而能够降低两个叶轮组件相应的部件的结构尺寸，如叶片、齿轮箱和发电机等，并能够使其在加工、制造、吊装以及测试等方面所存在的瓶颈将不复存在，进而降低其技术难度，而且由于功率分担后，可以直接与现有成熟产品通用，大幅降低了制造成本，并提高作业效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例中双叶轮风力发电机组的结构示意图；

图2为图1中A处的局部示意图；

图3为本发明实施例中双叶轮风力发电机组的前叶片及后叶片包括三个叶片时的结构示意图；

图4为本发明实施例中双叶轮风力发电机组的前叶片及后叶片包括两个叶片时的结构示意图；

图5为本发明实施例中机舱底座第一视角的结构示意图；

图6为本发明实施例中机舱底座第二视角的结构示意图；

图7为本发明实施例中围栏及顶部平台的设置示意图；

图8为本发明实施例中吊装工装的结构示意图。

图标：200-双叶轮风力发电机组；210-前叶轮组件；220-后叶轮组件；230-机舱底座；211-前叶片；212-前轮毂；213-前主轴承；214-前主齿轮箱；215-前发电机；216-前叶轮；221-后叶片；222-后轮毂；223-后主轴承；224-后主齿轮箱；225-后发电机；226-后叶轮；201-叶片；231-机舱前支架；232-机舱中间支架；233-机舱后支架；234-支架连接法兰；217-前机舱铸件；218-前机舱铸件连接孔；228-后机舱铸件连接孔；241-变压器；242-变压器支架；243-变压器固定凸台；245-围栏；246-顶部平台；248-机舱吊装固定凸台；250-吊装工装；251-工作台；252-旋转台位；253-吊钩支臂；254-工装吊钩。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

深远海漂浮式风电场由于离岸距离较远，机组运维和建设费用成本极高，针对深远海风速高、风向和波浪流向更为稳定的场址环境，更适合于单点系泊式漂浮式平台的超大功率机组，采用的单点系泊式结构，取消了机组较高故障率的偏航系统，大大提高机组运行可靠性，而现有技术环节，在开发大功率机组，只是在机组部件尺寸进行放大型设计，设计更长的叶片、更大齿轮箱和更高功率。而现有技术和制造体系在设计超大型机组开发存在一定难点，首先，从技术开发层面而言，在叶片、齿轮箱、轴系和发电机方面在面临大功率机组的开发，受成本控制约束，其面临的是刚度变形匹配问题诱发的机组振动问题，超长叶片设计导致其扭转刚度更低，在叶片的挥舞和摆振方向频率低，主传动链由于高传动比和大扭矩的设计，导致机组主传动链共振频率更低，同时在大尺寸结构设计在其密封结构设计的变形控制难度更大，发电机的设计，大尺寸高转速使其转子线速度更大，对电机工艺要求高，在发电机、主齿轮箱，和叶片频率相互耦合作用下，机组设计难度大。另外一方面，在制造工艺设备、加工难度、吊装运输设备以及测试实验台方面提出更高的要求，比如针对齿轮箱齿圈热处理和机加工设备，针对超出叶片模具和厂房投入，针对叶片、齿轮箱、发电机等核心部件型式测试，需要投入更大实验台，目前对于这些国内都受到明显的制约，在推进身远海漂浮技术商业化运用产生巨大挑战。

基于上述原因，请参考图1-图4，本实施例提供了双叶轮风力发电机组200包括前叶轮组件210、后叶轮组件220以及机舱底座230；前叶轮组件210及后叶轮组件220分别连接于机舱底座230相对的两端；

前叶轮组件210包括前叶片211、前轮毂212、前主轴承213、前主齿轮箱214及前发电机215；前叶片211与前轮毂212连接并形成前叶轮216，前叶轮216连接于前主轴承213的内圈，前主轴承213的外圈连接于机舱底座230，且前主齿轮箱214传动连接前主轴承213的内圈及前发电机215；

后叶轮组件220包括后叶片221、后轮毂222、后主轴承223、后主齿轮箱224及后发电机225；后叶片221与后轮毂222连接并形成后叶轮226，后叶轮226连接于后主轴承223的内圈，后主轴承223的外圈连接于机舱底座230，且后主齿轮箱224传动连接后主轴承223的内圈及后发电机225；

其中，前叶轮216的转动方向与后叶轮226的转动方向相反。

请参考图1-图4，该双叶轮风力发电机组200的工作原理是：

该双叶轮风力发电机组200包括前叶轮组件210、后叶轮组件220以及机舱底座230；前叶轮组件210及后叶轮组件220分别连接于机舱底座230相对的两端；前叶轮组件210包括前叶片211、前轮毂212、前主轴承213、前主齿轮箱214及前发电机215；前叶片211与前轮毂212连接并形成前叶轮216，前叶轮216连接于前主轴承213的内圈，前主轴承213的外圈连接于机舱底座230，且前主齿轮箱214传动连接前主轴承213的内圈及前发电机215；后叶轮组件220包括后叶片221、后轮毂222、后主轴承223、后主齿轮箱224及后发电机225；后叶片221与后轮毂222连接并形成后叶轮226，后叶轮226连接于后主轴承223的内圈，后主轴承223的外圈连接于机舱底座230，且后主齿轮箱224传动连接后主轴承223的内圈及后发电机225；这样由前叶轮216产生的非扭矩载荷将通过前轴承传递至机舱底座230，前叶轮216产生的扭矩载荷直接通过前主轴承213的内圈传递到主齿轮箱和前发电机215，实现机组发电；同理，后叶轮226产生的非扭矩载荷讲将通过后轴承传递至机舱底座230，后叶轮226产生的扭矩载荷直接通过后主轴承223的内圈传递到后齿轮箱和后发电机225，实现机组发电；

由上述内容可知，该双叶轮风力发电机组200包括前叶轮组件210和后叶轮组件220两个叶轮机组，两个叶轮机组能够同时工作，使其能够替代现有技术中的单个叶轮机组的结构设置方式，而这样的替代方式，使得单个叶轮机组所产生的功率可通过前后两个叶轮组件所产生功率进行分配，从而能够降低两个叶轮组件分别承担的功率，进而能够降低两个叶轮组件相应的部件的结构尺寸，如叶片201、齿轮箱和发电机等，并能够使其在加工、制造、吊装以及测试等方面所存在的瓶颈将不复存在，进而降低其技术难度，而且由于功率分担后，可以直接与现有成熟产品通用，大幅降低了制造成本，并提高作业效率；

而且由于叶轮机组在实际生产制造过程中会存在实际偏心误差或安装误差，因此该双叶轮风力发电机组200在工作的过程中，采用的是前叶轮216的转动方向与后叶轮226的转动方向相反，这样的设置方式，使得偏心力产生相反方向产生抵消，进而能够保证前叶轮216和后叶轮226旋转产生的偏心力矩能够被消除，进而提高工作稳定性。

进一步地，请参考图1-图4，在本实施例中，在配置前叶轮组件210和后叶轮组件220时，由前述内容可知，其采用的前叶轮组件210和后叶轮组件220两个叶轮机组同时工作，进而替代现有技术中的单个叶轮机组的结构方式，基于此，本实施例采用的是前叶轮216的载荷与后叶轮226的载荷相同的配置方式，F

请参考图1-图4，在本实施例中，该双叶轮风力发电机组200在工作的过程中，需要控制前后叶轮226旋转时，相邻将两个叶片201夹角理论值的偏差控制在一定范围，因此，在运行过程中的夹角理论值的偏差范围应控制尽可能小，避免前后叶轮226偏心力方向产生过大夹角，产生额外摇摆力矩；基于此，本实施例采用的是在前叶轮216及后叶轮226均包括3支叶片201时，将前叶轮216及后叶轮226的叶片201旋转夹角(如图3中标记B所示)设置为60°；而在前叶轮216及后叶轮226均包括2支叶片201时，将前叶轮216及后叶轮226的叶片201旋转夹角(如图4中标记B所示)设置为90°。

基于上述内容，请参考图1-图7，在本实施例中，在配置机舱底座230时，为便于前述的结构与机舱底座230进行连接，故，机舱底座230包括机舱前支架231、机舱中间支架232及机舱后支架233；机舱前支架231及机舱后支架233均通过支架连接法兰234与机舱中间支架232连接，其目的是降低机舱底座230单个铸件模具的尺寸，便于加工，同时可实现机组模块化组装和拆卸；前主轴承213的外圈与机舱前支架231连接，后主轴承223的外圈与机舱后支架233连接。

而且在上述结构的基础上，本实施例采用全集成式的单叶轮机舱连接结构，机舱结构设计采用塔上可更换大部件的形式，以降低机组运维吊装费用。具体的，机舱前支架231设置有前机舱铸件217，前主轴承213、前主齿轮箱214及前发电机215均容置于前机舱铸件217内，且前主轴承213的外圈连接于前机舱铸件217；机舱后支架233设置有后机舱铸件，后主轴承223、后主齿轮箱224及后发电机225均容置于后机舱铸件内，且后主轴承223的外圈连接于后机舱铸件。为便于前机舱铸件217及后机舱铸件的安装，故，机舱前支架231设置有安装前机舱铸件217的前机舱铸件连接孔218，机舱后支架233设置有安装后机舱铸件的后机舱铸件连接孔228。

进一步地，请参考图1-图7，在本实施例中，该双叶轮风力发电机组200还包括变压器241及变压器支架242；机舱中间支架232的内腔中配置有变压器固定凸台243；变压器支架242与变压器固定凸台243连接；变压器241与变压器支架242连接，并位于机舱中间支架232的内腔中。其外，双叶轮风力发电机组200还包括变流器及围栏245；变流器连接于机舱中间支架232；机舱中间支架232配置有顶部平台246，顶部平台246的外围安装有围栏245，以形成维护通道。

综上，在本实施例中，机舱底座230集成了前机舱铸件217、后机舱铸件、顶部平台246、变压器241、变压器支架242、变流器和围栏245等结构，其中前机舱铸件217、后机舱铸件，直接通过螺栓连接固定于机舱底座230上的机舱铸件连接孔，机舱铸件连接孔分别开在机舱前支架231和机舱后支架233；而变压器241固定于变压器支架242，而变压器支架242是安装与机舱底座230内腔位置处的变压器固定凸台243；而顶部平台246则是设置于整个机舱底座230外周，其目的是用于形成维护通道，以便于工作人员行走，同时在机舱底座230的外围侧安装有成型维护通道的围栏245。

进一步地，请参考图1-图8，在本实施例中，为了提高机组针对大部件的可更换性，降低机组部件吊装费用，故，机舱中间支架232还设置有机舱吊装固定凸台248；双叶轮风力发电机组200还包括吊装工装250，吊装工装250与机舱吊装固定凸台248连接。具体的，吊装工装250包括工作台251、旋转台位252、吊钩支臂253及工装吊钩254；工作台251的四个撑腿与机舱吊装固定凸台248连接，旋转台位252与工作台251可转动地连接，吊钩支臂253与旋转台位252连接，工装吊钩254与吊钩支臂253连接。

通过这样的设置方式，能够在机组需要进行更换前叶轮216、后叶轮226、前机舱铸件217、后机舱铸件、机舱前支架231或机舱后支架233等机组组件时，能够对整个机组部分实现模块化拆卸以及组装。其在工作的过程中，通过将吊装工装250的工作台251的四个撑腿落位至相应的机舱吊装固定凸台248，吊装工装250集成有工装吊钩254、吊钩支臂253和旋转台位252；当吊装工装250固定后，工装吊钩254、吊钩支臂253会固定在需要更换部件的吊环孔内，然后通过旋转台位252可以快速将相关部件旋转到侧面，然后下放至地面，使用这种可拆卸式工装，可快速对部件进行更换，提高作业效率。

综上，请参考图1-图8，该双叶轮风力发电机组200至少具备以下优点：

提出双叶轮前后机组功率分配方案，提出基于叶片201最大弦长的功率分配原理，叶轮吸收功率的大小，最主要参数取决于叶片201最大弦长L，弦长L与叶轮叶片201吸收功率因数直接相关，同时也决定叶轮承载能力，弦长L越长，叶轮吸收功率越多，同时叶轮承受载荷越大，因此，在前后叶轮226功率分配需要以载荷平衡为重要依托；同时要求前后叶轮226旋转方向为相反，使得叶轮前后旋转激振力为相反方向产生抵消，控制前后叶轮226旋转相邻两个叶片201夹角理论值的偏差控制在一定范围，避免前后叶轮226偏心力方向产生过大夹角，产生额外摇摆力矩；如果对于每个叶轮是3支叶片201的，前后叶轮226旋转两个叶片201角度夹角理论值为60°，如果是两支叶片201的，前后叶轮226旋转两个叶片201角度夹角理论值为90°；

机舱铸件、主齿轮箱、发电机和主轴承采用全集中式结构，大幅降低轴向长度，连接结构紧凑，这样由前叶轮216产生的非扭矩载荷讲通过主轴承连接的机舱铸件传递至机舱底座230，叶轮产生的扭矩载荷直接通过前主轴承213内圈传递到主齿轮和发电机，实现机组发电；

拼接式的机舱底座230，同时搭载模块化的主传动链(主齿轮箱、发电机和主轴承)，整个系统采用模块的设计方式，可实现整个机组便携式吊装拆卸；设计搭载的可移动式吊装工装250，在固定于机舱底座230后，吊装工装250内可以快速组装成：工装吊钩254、吊钩支臂253和旋转台位252，通过吊吊带会固定在需要更换部件的吊环孔内，然后通过旋转台位252可以快速将相关部件旋转到侧面，然后下放至地面，使用这种可拆卸式工装，可快速对部件进行更换，提高作业效率。

以上，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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。