[发明专利]风轮机功率传输系统

说明书

交叉引用

本申请要求2010年10月18日提交的名为“DRIVETRAIN FOR A WIND TURBINE”的美国临时专利申请61/393,995的权益。本申请还要求于2011年3月8日提交的名为“WIND TURBINE POWER TRANSMISSION SYSTEM”的美国临时专利申请No.61/450,151的权益。

技术领域

本发明涉及功率传输系统。更具体地说，本发明涉及用于风轮机的功率传输系统。

背景技术

风轮机通常包括转子，所述转子具有由风驱动的大型叶片。转子叶片将风的动能转化为旋转机械能。旋转机械能通常驱动一个或多个发电机产生电功率。因此，风轮机包括功率传输系统，以处理旋转机械能，将其转化为电能。所述功率传输系统有时被称为风轮机的“功率系”。功率传输系统的从风轮机转子到发电机的部分被称为传动系。

通常，有必要将风轮机转子的旋转速度增加至发电机所需的速度。这通过风轮机转子和发电机之间的齿轮箱来完成。因此，齿轮箱形成功率传输系统的一部分，并且将来自风轮机转子的低速、高扭矩输入转化为用于发电机的低扭矩、高速输出。

扭矩传递并不是风轮机功率传输系统的唯一功能。辅助功能是将其他转子负载传递到支承系统的机舱结构和塔架。实际上，由于不同的风力情况、动态相互作用、控制方案、重力及其他因素，风轮机转子承受多种负载。这些负载穿过功率传输系统的路径取决于具体结构。虽然想到为部件设计相应负载路径，但是负载的不可预测性、多样性和大小使得这非常具有挑战性。此外，就算适当设计的部件也不能精确地考虑到机加工误差、负载变形、热膨胀/变形以及其他情况。这些情况可导致不期望的“寄生力”，寄生力具有损坏功率传输系统中的元件的风险，尤其是齿轮箱部件和主轴承。因此，齿轮箱和轴承的可靠性是风电产业中最关心的内容之一。

一些厂商通过设计无齿轮级的功率传输系统来解决齿轮箱的问题。在这种系统中，风轮机转子直接驱动低速发电机。尽管受到转子负载影响的元件数量可能会减少，但是这种直接驱动式风轮机在主轴承以及发电机部件中的寄生负载方面具有同样挑战。直接驱动式风轮机还具有其他问题。尤其是，要产生当量功率，低速发电机要比啮合传动解决方案中对应的中高速部件更大。除了成本问题以外，较大尺寸对于运输、安装和维护也具有挑战性，因为大部分直接驱动式机器是结合有供应量受限的稀土材料的永磁发电机。此外，在发电机的低公差和寄生力的可控管理方面也具有严格要求。

因此，具有齿轮级的功率传输系统仍旧被认为是有利益的，并且非常期望解决可靠性问题的方案。

发明内容

公开了一种用于增加来自风轮机的转子的转速的功率传输系统。功率传输系统包括构造为由转子驱动的主轴、支承结构和齿轮箱。该支承结构包括至少一个轴承，所述轴承用于支承主轴绕着主轴线旋转并且约束主轴的其他运动。因此，除了绕着主轴线旋转之外，在主轴和支承结构之间没有其他自由度。

齿轮箱包括刚性联接到支承结构的齿轮箱壳体以及联接到主轴的齿轮箱输入构件。齿轮箱壳体支承齿轮箱输入构件绕着主轴线旋转同时约束齿轮箱输入构件的其他运动。另一方面，齿轮箱输入构件联接到主轴，具有全方向平移自由度和绕着垂直于主轴线的轴线的旋转自由度。主轴和齿轮箱输入构件之间的柔性在功率传输系统的整体运动学中起着重要的作用。有利地，通过将该柔性与表征其他部件之间的相互作用的运动学关系相结合，功率传输系统确保了以可靠方式传递扭矩。分配其他的内力，使得功率传输系统对于对准缺陷、公差、负载变形、热膨胀以及其他可能导致寄生负载的情况具有低灵敏性。

主轴和齿轮箱输入构件之间的柔性可通过柔性联接器提供，该柔性联接器由与主轴相关联的末端部、与齿轮箱输入构件相关联的末端部以及联接元件限定。联接元件联接到各末端部而限定出两个接头。每个接头都允许联接元件和相应末端部之间绕着垂直于主轴线的轴线的相对旋转以及沿着主轴线的相对平移。由于这种双接头，柔性联接器适应主轴和齿轮箱输入构件之间的径向、轴向和角度失配。

当齿轮箱壳体从安装在风轮机中时位于塔架顶部的支承结构悬伸时，通过作用力的内部分布可提供附加的优点。在该实施方式中，支承结构可包括轴承壳体，其围绕支承主轴的轴承。齿轮箱壳体则可直接或间接地从轴承壳体悬伸。因而，不存在穿过齿轮箱壳体至塔架的负载路径。当功率传输系统进一步包括与齿轮箱形成一体的发电机时，保留了这种优点。尤其是，发电机包括位于发电机壳体内的转子和定子，发电机壳体刚性联接到齿轮箱壳体并从其悬伸。