CN102287333A - 齿轮组和包括这样的齿轮组的风力涡轮机及维护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及齿轮组和包括这样的齿轮组的风力涡轮机及维护方法。具体而言，公开了一种风力涡轮(100)，其包括：第一构件、第二构件、轴承以及驱动单元(124，146)，轴承包括内圈和外圈，内圈和外圈的其中一个是齿圈，该齿圈被连接到第一构件和第二构件的其中一个上，该齿圈包括多个具有第一硬度的第一齿，内圈和外圈的其中另一个被连接到第一构件和第二构件的其中另一个上，驱动单元(124，146)相对于第一构件和第二构件的其中另一个固定地布置。驱动单元(124，146)包括与齿圈啮合的传动齿轮(125，158)，并且包括多个具有第二硬度的第二齿。第二硬度不大于第一硬度。

Description

齿轮组和包括这样的齿轮组的风力涡轮机及维护方法
技术领域
本公开大体上涉及一种齿轮组，并且更具体而言，涉及一种可用于例如使风力涡轮机的转子叶片变桨的齿轮组，和包括这样的齿轮组的风力涡轮机，以及维护风力涡轮机的方法。
背景技术
风力涡轮机作为环境安全并且相对廉价的替代能源已受到越来越多的关注。随着这种日益增加的关注，已经做出大量努力来开发可靠和高效的风力涡轮机。
风力涡轮机通常包括转子，该转子包括中心体(hub)以及安装到该中心体上的多个叶片。转子的叶片将风能转变成驱动发电机的旋转扭矩或力。转子通常通过传动系统(drive train)联接到发电机上，该传动系统通常包括齿轮箱等等。齿轮箱逐步增加转子原有的低旋转速度，用于使发电机将旋转机械能高效地转变成可输送到电网的电能。齿轮箱、发电机和其它相关的构件通常被安装在定位在桁架(truss)或管状塔架顶部上的壳体或机舱(nacelle)内。
一些风力涡轮机采用变桨驱动单元来改变或调节各叶片的桨距角。桨距角是确定叶片绕其变桨轴线的定向的角度。在这样的构造中，每个叶片通过变桨轴承附连到中心体上，该变桨轴承通常包括内圈(inner race)和外圈(outer race)。更具体而言，外圈通常可松开地(releasably)附连到中心体上，并且内圈是齿圈(ring gear)，该齿圈通常可松开地附连到相应叶片上，从而使该叶片可相对于其变桨轴线以及中心体旋转。变桨驱动单元包括与齿圈啮合的传动齿轮或小齿轮(pinion)，以及用于驱动该传动齿轮的马达。该马达通常被中心体支撑。
在现有的风力涡轮机中，传动齿轮比变桨轴承更硬。也就是说，传动齿轮具有比变桨轴承的齿圈的硬度更高的硬度。因此，齿圈是磨损构件，其首先磨损，并且需要在该齿圈达到其预期操作寿命时被替换。替换齿圈通常需要拆开转子与传动系统，并且需要使用相对大的陆基起重机(land-based crane)或基于船的起重机(vessel-based crane)来从塔架顶部降下转子。然后在地面上，将叶片移除并替换相关的变桨轴承。需要相对大的起重机，因为转子可非常大和重——被设计用以为公共电网提供电力的风力涡轮机可具有直径为例如30米或更大的转子。这种方法耗时、相对复杂并且昂贵。
因此，需要提供齿轮组、包括这样的齿轮组的风力涡轮机以及维护风力涡轮机的方法，其针对上面所指明的问题中的至少一些。
发明内容
如本文所述的那样，示例性实施例克服了上述一个或多个缺点或本领域中已知的其它缺点。
示例性实施例的一个方面涉及一种齿轮组，其包括：轴承，该轴承包括内圈和外圈，内圈和外圈的其中一个是齿圈，该齿圈包括多个具有第一硬度的第一齿；以及，小齿轮，其可与齿圈啮合，并且包括多个具有第二硬度的第二齿。第二硬度不大于第一硬度。
示例性实施例的另一方面涉及一种风力涡轮机，其包括：第一构件；第二构件；轴承，该轴承包括内圈和外圈，内圈和外圈的其中一个是齿圈，该齿圈被连接到第一构件和第二构件的其中一个上，该齿圈包括多个具有第一硬度的第一齿，内圈和外圈的其中另一个被连接到第一构件和第二构件的其中另一个上；以及，驱动单元，其相对于第一构件和第二构件的其中另一个固定地布置，该驱动单元包括与齿圈啮合的传动齿轮，并且包括多个具有第二硬度的第二齿。第二硬度不大于第一硬度。
示例性实施例的还有一方面涉及一种维护风力涡轮机的方法。该风力涡轮机包括：第一构件；第二构件；轴承，该轴承包括内圈和外圈，内圈和外圈的其中一个是齿圈，该齿圈被连接到第一构件和第二构件的其中一个上并且包括多个具有第一硬度的第一齿，内圈和外圈的其中另一个被连接到第一构件和第二构件的其中另一个上；以及，驱动单元，其相对于第一构件和第二构件的其中另一个固定地布置，该驱动单元包括与齿圈啮合的传动齿轮，并且包括多个具有第二硬度的第二齿，第二硬度大于第一硬度。该方法包括：当齿圈的第一齿达到其预期操作寿命的预定百分比时，利用替换传动齿轮来替换该传动齿轮，该替换传动齿轮包括具有第三硬度的第三齿，第三硬度不大于第一硬度。
从下面结合附图而考虑的详细描述中，示例性实施例的这些和其它方面和优点将变得显而易见。然而，应当理解，附图仅仅是出于图示的目的而设计，并且不作为对本发明的限制的限定，对于本发明的限制应对所附权利要求进行参考。此外，附图不一定按照比例绘制，并且除非另外地指明，它们预期仅仅在概念上展示本文所述的结构和过程。此外，可使用任何合适大小、形状或类型的元件或材料。
附图说明
在附图中：
图1是包括本公开的方面的风力涡轮机的侧视图；
图2是图1的风力涡轮机的中心体和机舱的局部剖开的透视图；
图3是图2的风力涡轮机的变桨轴承的放大的局部截面图；
图4是图2的风力涡轮机的齿圈和变桨驱动单元的放大的透视图；以及
图5是图4的变桨驱动单元的齿轮箱和传动齿轮的放大的截面图。
具体实施方式
图1展示了包括本公开的方面的一示例性风力涡轮机100。风力涡轮机100包括机舱102和转子106。机舱102是安装于塔架104顶部的壳体，在图1中仅仅示出了塔架104的一部分。机舱102容纳了发电机(未在图1中示出)。塔架104的高度基于本领域中已知的因素和条件而选择，并且可延伸到高达60米或更高的高度。风力涡轮机100可安装在提供达到具有所需风力条件的区域的任何地形上。该地形可很大程度地不同并且可包括(但不限于)山地地形或近海位置。转子106包括附连到可旋转中心体110上的一个或多个涡轮叶片108。在该示例性实施例中，转子106具有三个涡轮叶片108。
现在参见图2，风力涡轮机100的传动系统111包括主转子轴116(还已知并被称作低速轴)，其经由主轴承130连接到中心体110上。在这个非限制性的示例性实施例中，传动系统111还包括齿轮箱118，齿轮箱118的一端连接到低速轴116上，并且齿轮箱118的另一端连接到高速轴117上。高速轴117又连接到发电机120上(优选地经由联接器122)。在其它实施例中，主转子轴116可不带有齿轮箱而直接连接到发电机120上。
风力涡轮机100还包括偏航调节系统123，偏航调节系统123可被用来使机舱102相对于塔架104在轴线A-A上旋转，用以控制转子106关于风的方向的投影(perspective)。在这个非限制性的示例性实施例中，偏航调节系统123包括附连到机舱102的主框架132上的偏航板126(yaw deck)，以及安装在偏航板126上的偏航驱动单元124，偏航驱动单元124通过相应的传动齿轮125接合偏航轴承133的齿圈135。如本领域中已知的那样，机舱102通过偏航轴承133而可旋转地安装在塔架104上。在图2中，偏航轴承133的外圈是齿圈135，其通过例如多个紧固件(例如螺柱(stud))附连到塔架104上；同样，偏航轴承133的内圈(未示出)通过例如多个紧固件(例如螺柱)附连到机舱102上。偏航轴承133的结构以及其外圈135和内圈分别怎样连接到塔架104和机舱102上是本领域中已知的，并且因此将不在这里更详细地论述。传感器(例如风向标128和/或风速计)设置在机舱102的顶部上，用以提供关于风的方向和/或速度的信息到风力涡轮机100的控制单元112。
仍参见图1和图2，各涡轮叶片108通过变桨轴承134附连到中心体110上。在图2中示意性地示出了一个变桨轴承134。如图3中所示和本领域中已知的那样，变桨轴承134包括外圈136、内圈138和布置在外圈136与内圈138之间的滚动元件或轴承140。在这个非限制性的示例性实施例中，外圈136通过例如多个紧固件142(例如螺柱或螺栓与螺母)附连到中心体110上；同样，内圈138通过例如多个紧固件144(例如螺柱或螺栓与螺母)附连到相应的涡轮叶片108上。变桨轴承134的结构和其外圈136和内圈138分别怎样连接到中心体110和涡轮叶片108上是本领域中已知的，并且因此将不在这里更详细地论述。在一些构造中，作为用变桨轴承来将涡轮叶片连接到转子的替代，涡轮叶片具有通过变桨轴承而相互连接的两个叶片段。涡轮叶片的内叶片段固定地附连到转子上。在本申请中，用语“叶片”还被用来指这样的涡轮叶片的外叶片段，并且用语“转子”还被用来指这样的构造中的转子和内叶片段。
在这个非限制性的示例性实施例中，内圈138是齿圈，在其内周向表面(图4)上具有多个齿148。包括齿圈138与其齿148的变桨轴承134优选地由合金制成，诸如包含Cr或Mo这样的合金，例如17CrNiMo6或42CrMo4QT。变桨轴承134具有处于从28HRC到58HRC的范围中的硬度，优选地处于从28HRC到34HRC或者处于从48HRC到58HRC的范围中。
通过该设置，涡轮叶片108可响应来自控制单元112的控制信号，绕其变桨轴线B-B相对于中心体110被变桨驱动单元146(在图2和图4中示出)变桨。更具体而言，变桨驱动单元146可通过一对安装托架150安装到中心体110上，该变桨驱动单元146包括：可反转的马达152，转速降低齿轮箱154，其被马达152驱动并且具有轴156，以及传动齿轮或小齿轮158，其与轴156同轴并且具有与齿圈138的齿148啮合的齿160。齿轮箱154是可选的，因为马达152可直接驱动传动齿轮158。
轴156和传动齿轮158可被制成整件元件，或者制成两个单独的件并然后通过合适的手段相互连接。例如，当轴156和传动齿轮158被制成两个单独的件时，它们通过至少一个槽键(spline)(未示出)以及至少一个螺栓(未示出)而可松开地彼此连接，槽键提供扭转/径向约束，而螺栓提供轴向约束。使用两个单独的件的优点将在下面说明。
传动齿轮158(包括其齿160)优选地由合金构成，诸如包含Cr或Mo这样的合金，例如17CrNiMo6或42CrMo4QT，并且具有不大于变桨轴承134的硬度的硬度。在一非限制性的示例性实施例中，至少齿160的硬度与齿圈138的齿148的硬度基本上相同。在另一实施例中，至少齿160的硬度低于齿圈138的齿148的硬度。因此，齿圈134不再是指定的磨损构件。相反地，传动齿轮158会在齿圈134之前磨损，因为其齿160与齿圈134的齿148相比被更频繁地使用，因为至少在一些操作期间，在操作期间传动齿轮158通常具有比齿圈134的旋转更高的旋转。至少对于该设置而言，传动齿轮158可被作为磨损构件对待。这提供了一些显著优点。例如，由于传动齿轮158是磨损构件，现在可定期替换传动齿轮158。由于传动齿轮158的大小和重量，当传动齿轮158和轴156/齿轮箱154是两个单独的件时，可不使用任何起重机或提升装置来替换传动齿轮158。即使当传动齿轮158和轴156/齿轮箱154是整件设计的时，它们也可通过使用基于中心体的起重机(hub-based crane)而替换。换而言之，根据本公开，不需要相对大的陆基起重机或基于船的起重机来替换传动齿轮158和/或齿轮箱154。这种方法大大缩短了替换时间，简化了替换过程，并且降低了替换成本。
即使当传动齿轮158的齿160的硬度与齿圈138的齿148的硬度不同时，也可使用相同的材料来制造齿160和148。在这样的情形下，将使用不同的处理来实现不同的硬度。当然，当硬度不同时，可分别使用不同的材料来制造齿160和148。
相同的方法还可被用来维护现有的风力涡轮机，其中传动齿轮的齿比齿圈的齿更硬。更具体而言，作为使齿圈达到其预期操作寿命并且然后利用新的变桨轴承替换它的替代，可在齿圈达到其预期操作寿命的预定百分比时替换该传动齿轮。举例而言，该预定百分比可为当齿圈的齿损失其材料的大约40％至50％时。该损失可通过已知的方法(诸如目视检查)来确定。优选地，替换传动齿轮的齿具有不比齿圈的齿的硬度大的硬度。在一实施例中，替换传动齿轮的齿的硬度与齿圈的齿的硬度基本上相同。
因此，虽然已经示出、描述和指出了本发明如应用到其示例性实施例的基本的新颖特征，但是应当理解，在不脱离本发明的精神的情况下，可由本领域技术人员在所示的装置的形式和细节方面以及其操作方面做出许多省略和替代以及改变。例如，在另一实施例中，变桨轴承134的外圈136可为齿圈，并且变桨驱动单元146可安装在相应叶片108上。同样，在还有另一实施例中，偏航轴承133的内圈可为齿圈，并且偏航驱动单元124可改为安装在塔架104上。此外，相同的创新方法可被用在传动齿轮125上或被用来替换传动齿轮125以用于偏航轴承133。而且，清楚地意图使那些以基本上相同的方式执行基本上相同的作用用来实现相同结果的元件和/或方法步骤的所有组合落在本发明的范围内。此外，应当认识到，与本发明的任何公开形式或实施例相结合而示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可作为设计选项的常规问题被包括在任何其它公开的或描述的或提出的形式或实施例中。因此，本发明意图仅仅限于如于此所附的权利要求的范围指明的那样。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机(100)，包括：
第一构件；
第二构件；
轴承，所述轴承包括内圈和外圈，所述内圈和所述外圈的其中一个是齿圈，所述齿圈被连接到所述第一构件和所述第二构件的其中一个上，所述齿圈包括多个具有第一硬度的第一齿，所述内圈和所述外圈的其中另一个被连接到所述第一构件和所述第二构件的其中另一个上；以及，
驱动单元(124，146)，所述驱动单元(124，146)相对于所述第一构件和所述第二构件的其中另一个固定地布置，所述驱动单元(124，146)包括与所述齿圈啮合的传动齿轮(125，158)，并且包括多个具有第二硬度的第二齿，
其中，所述第二硬度不大于所述第一硬度。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述第一硬度处于从28HRC到58HRC的范围中。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述驱动单元(146)还包括齿轮箱(154)，所述齿轮箱(154)包括与所述传动齿轮(158)同轴的轴(156)。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述传动齿轮(158)与所述轴(156)作为两个单独的件而制造。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述传动齿轮(158)与所述轴(156)作为整件元件而制造。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述第一构件是所述风力涡轮机(100)的中心体(110)，所述第二构件是所述风力涡轮机(100)的叶片(108)，并且所述驱动单元(146)还包括马达(152)，所述马达(152)被所述中心体(110)支撑并传动地连接到所述传动齿轮(158)上。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述第一构件是所述风力涡轮机(100)的塔架(104)，并且所述第二构件是所述风力涡轮机(100)的机舱(102)，并且所述驱动单元(124)还包括马达，所述马达被所述机舱(102)支撑并传动地连接到所述传动齿轮(125)上。
8.一种维护风力涡轮机(100)的方法，所述风力涡轮机(100)包括：第一构件；第二构件；轴承，所述轴承包括内圈和外圈，所述内圈和所述外圈的其中一个是齿圈，所述齿圈被连接到所述第一构件和所述第二构件的其中一个上并且包括多个具有第一硬度的第一齿，所述内圈和所述外圈的其中另一个被连接到所述第一构件和所述第二构件的其中另一个上；以及，驱动单元(124，146)，所述驱动单元(124，146)相对于所述第一构件和所述第二构件的其中另一个固定地布置，所述驱动单元(124，146)包括与所述齿圈啮合的传动齿轮(125，158)，并且包括多个具有第二硬度的第二齿，所述第二硬度大于所述第一硬度，所述方法包括：
当所述齿圈的所述第一齿达到其预期操作寿命的预定百分比时，利用替换传动齿轮替换所述传动齿轮，所述替换传动齿轮包括具有第三硬度的第三齿，所述第三硬度不大于所述第一硬度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述第一齿损失其材料的大约50％时，所述齿圈的所述第一齿达到所述预定百分比。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一硬度处于从28HRC到58HRC的范围中。
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