CN102418677A - 带有指示磨损的齿轮的风力涡轮 - Google Patents

带有指示磨损的齿轮的风力涡轮 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有指示磨损的齿轮的风力涡轮。具体而言，提供了一种风力涡轮(100)，其具有：塔架(110)；机舱(120)，其被塔架支撑；转子，其带有一个或多个叶片(130)以及轮毂(140)。齿轮箱(202)连接至转子并包括一个或多个齿轮(300)，该齿轮具有有助于识别齿轮磨损的磨损指示线(320)。该磨损指示线位于该一个或多个齿轮的侧表面上。

Description

带有指示磨损的齿轮的风力涡轮
技术领域
本文所述的装置大体上涉及风力涡轮。具体而言，该装置涉及一种具有带有磨损指示器的齿轮的风力涡轮。
背景技术
近来，风力涡轮作为环保和相对廉价的可替代能源受到越来越多的关注。风力涡轮不会释放温室气体(GHGs)，并且因此不会促使全球变暖。随着对风力发电的日益增加的关注，已做出大量努力来发展可靠和高效的风力涡轮。
风通常被认为是太阳能的一种形式，其由太阳对大气的不均匀加热、地球表面的不规则以及地球的旋转引起。地形、水体和植被会改变风的流型(flow pattern)。术语“风能”或“风力”描述这样的过程，风通过该过程而用来使轴转动并随后产生机械动力或电。
通常，风力涡轮用于将风中的动能转变为机械能。该机械动力可用于特定的任务(例如研磨谷物或抽水)或者发电机可将该机械动力(即，轴的旋转)转变为电。风力涡轮通常包括空气动力机构(例如叶片)，其将空气的运动转变为机械运动(例如旋转)，然后利用发电机将该机械运动转变为电能。从发电机输出的功率与风速的立方成正比。当风速加倍时，风力发电机的能力增加为几乎八倍。
大多数商业上可用的风力涡轮利用齿轮传动系统将涡轮叶片连接至发电机。风转动涡轮叶片，该涡轮叶片转动低速轴，该低速轴进给到具有较高速度的输出轴的齿轮箱中。该较高速度的输出轴与发电机相连并发电。该齿轮传动的目的在于增加机械运动的速率。
用于大型(例如大于1.5MW)风力涡轮的工业标准传动系统包括分离的齿轮箱和发电机单元，它们分别被安装到主机架(通常也被称为底座或底板)上。动力经由柔性“高速”联接器从齿轮箱传输至发电机。该设置迫使齿轮箱和发电机彼此物理地隔离，并且，要求齿轮箱的输出轴以及发电机的输入轴分别被齿轮箱轴承和发电机轴承单独支撑。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种风力涡轮，其具有：塔架；机舱，其被塔架支撑；转子，其带有一个或多个叶片以及轮毂。齿轮箱联接至转子并包括一个或多个齿轮，该齿轮具有至少一条有助于识别齿轮磨损的磨损指示线。该磨损指示线位于齿轮的侧表面上。
在本发明的另一方面，提供了一种用于风力涡轮的齿轮箱，其具有一个或多个齿轮，该齿轮带有有助于识别齿轮磨损的磨损指示线。该磨损指示线位于齿轮的侧表面上。
附图说明
图1是一示例性风力涡轮的透视图；
图2是可用于图1的风力涡轮中的传动系统的一个实施例的局部剖开透视图；
图3是根据本发明的一个方面的具有磨损指示线的齿轮的局部侧视图；
图4是根据本发明的一个方面的具有磨损指示线的齿轮齿的截面图；
图5是根据本发明的一个方面的具有磨损指示线的齿轮齿的截面图；
图6是根据本发明的一个方面的具有磨损指示线的齿轮的局部侧视图；
图7是根据本发明的一个方面的具有磨损指示线的齿轮的局部侧视图；
图8是根据本发明的一个方面的具有磨损指示线的齿轮的局部侧视图；
图9是根据本发明的一个方面的具有磨损指示线的齿轮的局部侧视图；以及
图10是根据本发明的一个方面的具有磨损指示线的齿轮齿的截面图。
项目清单
  100   风力涡轮
  110   塔架
  120   机舱
  130   叶片
  140   轮毂
  200   传动系统
  202   齿轮箱
  210   低速轴
  215   轴承
  220   轮毂凸缘架
  230   联接器
  240   行星架
  242   行星齿轮
  244   小齿轮
  246   齿圈
  248   壳体
  250   恒星齿轮
  260   发电机
  262   定子
  264   转子
  266   转子轴承
  300   齿轮
  310   齿
  320   磨损指示线
  405   支承面
  420   磨损指示线-槽
  505   支承面
  520   磨损指示线-凸肋
  600   齿轮
  610   齿
  620   磨损指示线
  700   齿轮
  710   齿
  720   磨损指示线
  730   受损区
  800   齿轮
  810   齿
  820   磨损指示线
  900   齿轮
  910   齿
  912   齿
  914   齿
  920   磨损指示线
  922   磨损指示线
  924   磨损指示线
  1010   齿
  1020   磨损指示线
  1030   插入物
  1035   槽
  1040   支承面
具体实施方式
图1显示了水平轴线式风力涡轮(HAWT)100。该风力涡轮100通常可包括管状塔架110，该塔架可由钢、混凝土或其组合制成。塔架110可通过使多个塔架部段彼此叠置而建立。塔架110支撑机舱120、叶片130和轮毂140的重量。塔架110也可为网格(或桁架)型，并且可备选地由混凝土或混凝土区段形成。机舱120通常容纳传动系统(例如齿轮箱、轴、联接器、发电机等)，以及主机架(也被称为底板)和偏航驱动。其它项目(例如控制电子器件)也可被容纳在机舱120中。通常，机舱120将具有由轻质材料(例如玻璃纤维或石墨复合材料)构成的外壳。机舱壳的主要功能是保护所容之物免受自然环境(例如雨、冰、雪等)影响。
叶片130连接至轮毂140，并且该轮毂可包括变桨控制机构以便控制各叶片的桨距角。通常，在大部分商业风力涡轮中采用三个叶片，然而，也可采用一个、两个或四个或者更多叶片。叶片通过使低速轴旋转而将风的动能转变为机械能。叶片可由玻璃纤维或石墨复合材料、玻璃纤维加强的塑料或木材/环氧树脂层压材料或者其它合适材料制成。该低速轴通常经由栓接凸缘联接器连接至轮毂140。
发电机用于将轴的旋转转变为电能。齿轮箱通常用于增大到发电机的输入轴的速度。齿轮箱使低速轴作为其输入，并且输出是更高速度的轴，其根据本发明的方面可直接进给至发电机。
图2示出传动系统200，其包括混合行星齿轮箱202和发电机260。低速轴210通过两个分开的轴向间隔的主轴承215支撑。低速轴210经由轮毂凸缘架220连接至风力涡轮100的轮毂140和叶片130。因此，低速轴210通过被风转动的叶片130驱动。低速轴210通过扭矩传递联接器230连接至行星架240。行星架240支撑共用公共轴的行星齿轮242和行星小齿轮244。齿圈246固定地附连至齿轮箱壳体248并与行星小齿轮244啮合。恒星齿轮250被行星齿轮242驱动，并且恒星齿轮250的输出被直接进给至发电机260。发电机260具有定子262和转子264。该转子264被转子轴承266支撑，转子轴承266被包封在发电机260中。
齿轮箱202可以是任何合适类型的齿轮箱，包括但不限于平行轴齿轮箱和行星齿轮箱。齿轮箱可具有一个、二个、三个或更多的级，尽管对于大型风力涡轮三个级或更少的级是优选的。单独的齿轮(例如低速轴齿轮、高速轴齿轮、恒星齿轮、行星齿轮、齿圈等)包括许多齿，其与相邻齿轮的齿啮合。例如，恒星齿轮250上的齿与行星齿轮242上的齿啮合。
在风力涡轮的操作期间，齿轮箱202的齿轮可经受磨损。重要的是监控该磨损并修复或更换任何超出规格的齿轮。然而，迄今为止，很难确定齿轮上发生了多少磨损。一种已知的解决方案要求技术人员使用模板，该模板内加工了齿轮印记，并且然后使用测隙规测量模板与齿轮齿之间的间隙。然而，基于执行测量的特定技术人员，该过程可返回不同的结果。
改进的齿轮300如图3中所示，其为可用于风力涡轮的齿轮箱中的齿轮的局部简化侧视图。齿轮300包括多个齿310，仅示出了其中三个。齿310绕齿轮300周向地布置。一个或多个磨损指示线320可沿齿轮300的全部或一部分表面布置。在图3中，该磨损指示线远离齿表面预定的距离D而布置，并布置在每个齿310的两侧。
磨损指示线可凹入齿轮表面并通过槽或刻线形成。图4示出齿轮300的沿图3的截面A-A的截面图，其中磨损指示线由槽420构成。该槽420可与齿310的支承面405相距预定距离D而凹进，该距离D指示不期望的磨损。该槽420可由连续的槽形成或者可包括与齿轮齿的侧部齐平的分段区域。在这种情况下，槽420将采用“虚线”或分段槽的形式，并且这可能是期望的，因为其可有助于技术人员在检查过程期间查看槽420。齿轮箱通常填充有润滑剂，该润滑剂能填满槽420，因而分段槽可使技术人员更易于查看磨损指示线，因为磨损指示线420的有槽部分和无槽部分会有较大的对比。
然而，在一些应用中可期望具有从齿轮表面突出的磨损指示线。图5示出齿310的沿图3的剖线A-A的截面图。磨损指示线520由从齿310的其余端面突出的凸肋构成。该凸肋磨损指示线520可与齿310的支承面505相距预定距离D而凹进，该距离D指示不期望的磨损。该磨损指示线520可由连续的肋形成，或者可包括交替地突出齿轮齿的侧部或与齿轮齿的侧部齐平的分段区域。
图6示出具有沿齿610的顶部部分和侧部部分延伸的磨损指示线620的齿轮600的局部侧视图。如果齿轮齿610的表面磨损至该指示线620之下，在检查期间将容易观察到。技术人员然后可修理或更换一个或多个磨损的齿轮。
图7示出具有磨损指示线720的齿轮700的局部侧视图，该磨损指示线720沿齿710的顶部部分和侧部部分以及齿之间的居间部分延伸。损坏区或磨损区730出现在其中一个齿上，通过将其与磨损指示线720比较可容易识别。技术人员可快速并容易地将齿轮和齿表面相对于磨损指示线720进行比较，以便判断该齿轮是否被不期望地磨损或者需要修理或更换。
图8示出具有分段磨损指示线820的齿轮800的局部侧视图，该分段磨损指示线820沿齿810的侧部部分延伸。该分段磨损指示线820可通过使与齿810的侧部齐平的线区域以及突出和/或凹进侧齿面的区域交替而形成。在一个示例中，线820的凸肋部分可沿齿810的侧部在齐平部分之间交替。在另一示例中，线820的凹槽部分可沿齿810的侧部在齐平部分之间交替。在另一示例中，线820的齐平部分、突出部分和凹进部分的组合可用于帮助技术人员可视地检测磨损指示线820并将其与齿轮或齿表面进行比较。
图9示出具有不同类型的磨损指示线的齿轮900的侧视图。在大多数应用中将在齿轮上使用一种磨损指示线，但也可期望在齿轮或齿上的不同位置使用多种类型的磨损指示线。齿910包括具有粗糙表面的磨损指示线920。齿912包括具有抛光面或反射面的磨损指示线922。齿914包括由磁性材料组成的磨损指示线924。
粗糙表面磨损指示线920可提供线920与齿910或齿轮900的邻近部分之间的良好对比。由于大多数齿轮将具有润滑剂(例如油)的涂层，所以，与周围的光滑表面相比，该粗糙表面将倾向于保留较多的润滑剂。即使技术人员擦拭齿910的侧表面，与齿910的未粗糙化的部分相比，该粗糙表面将“突显”。
抛光面或反射面磨损指示线922也可提供线922与齿912或齿轮900的邻近部分之间的良好对比。由于大多数齿轮将具有润滑剂(例如油)的涂层，所以，与齿912的周围侧表面相比，抛光面或反射面将倾向于保留较少的润滑剂。与齿912的“更粗糙”部分相比，线922的抛光面和/或反射面将“突显”。磨损指示线922也可由荧光或磷光墨水/材料形成。这可有助于在低亮度情况下或使用特定光源(例如伍德型灯或黑光)时“照亮”线。
磁性表面磨损指示线924可有助于在线924与齿914或齿轮900的邻近部分作出区分。该磁性表面可容易利用磁探测器定位。该磁性表面还可保留会与齿914的非磁性的周围侧表面形成对比的小颗粒。
图10示出具有磨损指示线1020的齿轮齿1010的截面图，该磨损指示线1020由紧固在槽1035中的弹性材料插入物1030组成。“凸肋”效果将有助于磨损指示线1020的定位和观察，以及将磨损指示线1020与齿面的支承面1040进行比较。弹性材料1030可以是任何合适材料，并且一个示例将是橡胶材料或橡胶合成物。如特定应用中所要求的那样，槽1035可为矩形或具有榫形形状，或者任何其它合适形状。
磨损指示线可位于齿轮和/或齿的一侧或两侧上，并且每一侧可具有一条或多条磨损指示线。通常，齿轮的至少一侧将具有至少一条磨损指示线。该磨损指示线可从齿轮的耐磨表面向内间隔预定量，该预定量指示齿轮和/或齿的表面上的不期望磨损。该磨损指示线还可由凹槽、凸肋、粗糙面、抛光面、反射面、荧光材料、磷光材料和/或磁性材料或者其任何组合形成。仅作为一个示例，磨损指示线可由凹槽部分、凸肋部分、粗糙面部分和磁性材料部分形成。
磨损指示线还可与光学装置和处理系统(其对齿轮或其部分成像)一起使用，并且然后计算磨损量或估计齿轮寿命的剩余量。磨损指示线的对比表面有助于磨损指示线的手动或电子识别和定位，并且随后评估齿轮和/或齿轮齿所经受的磨损。
可与本发明的风力涡轮一起使用的一种优选发电机类型是永磁(PM)同步发电机，但也可使用异步发电机、绕线磁极式同步发电机或双馈异步发电机。虽然描述了采用单个发电机的风力涡轮，但应当理解，也可利用对齿轮箱的改进而使用多个发电机。另外，应当理解，本发明的磨损指示线可用于任何需要指示齿轮磨损的情形的应用中。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种风力涡轮(100)，包括：
塔架(110)；
机舱(120)，所述机舱被所述塔架(110)支撑；
转子，所述转子包括一个或多个叶片(130)以及轮毂(140)；
齿轮箱(202)，所述齿轮箱连接至所述转子，所述齿轮箱包括一个或多个齿轮(300)，所述齿轮(300)具有至少一条有助于识别齿轮磨损的磨损指示线(320)；
其中，所述至少一条磨损指示线(320)位于所述一个或多个齿轮的侧面上。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述风力涡轮包括在所述一个或多个齿轮(300)中的每个齿轮上的多个齿(310)，其中，所述至少一条磨损指示线(320)位于所述多个齿的侧面上。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一条磨损指示线(320)由凹槽(420)组成。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一条磨损指示线是分段的并且由多个交替的槽区域和齐平区域(820)组成。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一条磨损指示线由凸肋(520)组成。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一条磨损指示线是分段的并且由多个交替的带肋区域和齐平区域(820)组成。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一条磨损指示线由粗糙面(920)组成。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一条磨损指示线包括下列至少一项：
抛光面(922)、反射面(922)、荧光材料(922)、磷光材料(922)和磁性材料(924)。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一条磨损指示线包括下列至少两项或更多项：
凹槽(420)、凸肋(520)、粗糙面(920)、抛光面(922)、反射面(922)、荧光材料(922)、磷光材料(922)和磁性材料(924)。
10.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一条磨损指示线(320)距所述一个或多个齿轮的支承面间隔预定距离。
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