[发明专利]柔性驱动轴

说明书

技术领域

本发明涉及用于风力或者水力涡轮机的动力传输系统。更具体地，本发明涉及一种用于将转矩从风力涡轮机的转子传递到齿轮箱同时使得结构偏差和制造公差的负作用最小的布置。

背景技术

风力涡轮机传动系通常包括支承在转子轴上的空气动力学转子，转子轴本身支承在一个或多个轴承上，轴承相对于涡轮机结构支承轴同时允许围绕转子轴线转动。转子轴连接到增速齿轮箱，其通常包括多个行星和/或平行齿轮级。该齿轮箱的输出然后通过另一轴连接到产生电输出的发电机。

除了引起围绕主轴线转动的转矩载荷，转子轴还受到离轴线载荷，主要是围绕与主轴线垂直的轴线的力矩。这些载荷造成转子轴和支承结构的偏转。如果这些载荷和偏转被传递到齿轮箱，它们会对齿轮和轴承具有损害作用，导致过早失效。

历史上看，这已导致这样的涡轮机设计，其中齿轮箱的重量主要通过转子轴和齿轮箱输入构件之间的刚性连接支承，且齿轮箱壳体和涡轮机结构之间具有第二连接，该第二连接被设计成只抵抗围绕主轴线的转矩，同时允许整个齿轮箱响应于转子轴的偏转而在其他方向上自由运动，由此防止在齿轮箱自身中产生有害的力。

随着涡轮机动力输出增加，该方法变得不那么有效。增加的输入转矩和增加的齿轮箱质量的需求要求转子轴和齿轮箱输入构件之间的连接部非常大，并且由于螺栓或者重型干涉配合的数量非常多，组装耗时。另外，增加的齿轮箱质量(特别是在认为将发电机直接安装到齿轮箱的顺风端是有利时)向将齿轮箱输入构件支承在齿轮箱壳体中的轴承中引入了非常高的载荷。

因此，可以认为将齿轮箱直接并基本刚性地安装到台板是有利的。这减少了上述问题，但需要结合适应结构偏转、制造公差和会引起齿轮箱输入构件关于转子轴不对准的其他影响的一些其他措施。

这种补偿在一些现有设计中通过在转子轴和齿轮箱输入构件之间的连接部中包含弹性体元件来实现。由于这些元件比传动系的其他元件的硬度低得多，可以适应所述不对准而不产生高的反作用载荷。然而，由于反复加载、大气和流体污染以及暴露于紫外线造成的退化，目前的弹性体技术不能匹配风力涡轮机所需的(通常)20年设计寿命。这就需要在涡轮机寿命内进行反复更换。

多种其他的现有设计通过使用特定联接件来补偿不对准和偏转，该联接件包括与每个部件相关的一组径向突出的齿和具有两组径向突出齿的中间部件，其中一组接合与转子轴相关的齿，另一组接合与齿轮箱输入构件相关的齿。通过向每个匹配齿对应用特定的几何结构，可以布置成使得每组齿允许围绕着与主轴线垂直的轴线转动，并且作为完整联接件，这些转动的效果结合起来允许沿着垂直于主轴线的轴线平移。这种联接件通常称为“齿轮联接件”，除了在现有风力涡轮机中的使用外，它们是适应范围广泛的工业应用中的不对准的常见方法。然而，它们比用于转子轴与齿轮箱连接的其他已知方法明显更加复杂，引入了许多额外部件并需要良好润滑。由于它们的操作模式涉及两个金属表面之间的滑动，因此它们将受到磨损。因此，它们在本应用中的使用对于涡轮机在其设计寿命上的可靠性而言具有风险。

因此，可以看到，允许齿轮箱直接安装到涡轮机结构且又允许在没有弹性体元件或滑动/磨损部件的情况下在转子轴和齿轮箱输入构件之间进行连接的发明对于设计更大功率等级的可靠风力涡轮机来说是有利的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于增加风力涡轮机的转子毂的转速的动力传输系统，其包括：能够被转子毂围绕主轴线驱动的转子轴；具有齿轮箱输入构件的增速齿轮箱；支承转子轴和齿轮箱的支承结构；以及在逆风端连接到转子轴并在顺风端连接到齿轮箱输入构件的主轴。本发明的特征在于，主轴在逆风端连接到转子轴的逆风端。主轴沿着主轴线在转子轴内侧顺风延伸，并在响应于围绕主轴线的力矩以外的载荷方面具有比转子轴、齿轮箱壳体和支承结构大的柔性。这意味着转子轴和齿轮箱输入构件之间的径向和倾斜不对准得到适应

优选地，支承结构包括支承转子轴围绕主轴线转动的轴承布置，所述轴承布置抑制转子毂和转子轴在受到围绕传动系的主轴线的转矩以外的载荷时的运动。这意味着该轴承布置允许转子轴围绕主轴线转动同时限制其他方向的运动。这意味着除了围绕主轴线的力矩以外的转子毂上的所有载荷经过转子轴、转子轴承以及转子轴壳体传递到支承结构。

优选地，支承结构包括转子轴壳体，并且轴承布置位于转子轴壳体和转子轴之间。优选地，轴承布置包括至少一个轴承。