CN103075308A - 具有单级紧凑型传动系的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及并公开一种用于风力涡轮机的传动系。该风力涡轮机包括连接至转子毂的单独的转子叶片。该传动系包括齿轮箱，转子毂直接安装至齿轮箱。齿轮箱进一步包括固定齿轮托架，该固定齿轮托架安装至风力涡轮机的主框架，使得齿轮箱充分地支撑转子毂的重量。发电机包括转子和固定定子，齿轮箱包括联接至转子的输出轴，使得齿轮箱充分地支撑转子的重量。

Description

具有单级紧凑型传动系的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及紧凑型传动系。更具体地，涉及用于风力涡轮机的紧凑型齿轮传动系。
背景技术
风力涡轮机作为环境安全和成本相对较低的备选能源正受到越来越多的关注。风力涡轮机并不排放温室气体（GHGs），并且因此对全球变暖没有促进作用。随着对风力发电的兴趣日益增长，在开发可靠并且高效的风力涡轮机方面已作出了相当多的努力。
典型地，风力涡轮机用于将风中的动能转化成机械动力。该机械动力可以用于具体任务（例如抽水），或者发电机可以将该机械动力（即，轴的旋转）转化成电力。风力涡轮机通常包括空气动力学机构（例如，叶片），以用于将空气的运动转化成机械运动（例如，旋转），该机械运动接着通过发电机转化成电力。来自发电机的动力输出与风速的立方成正比。随着风速加倍，风力发电机的生产能力提高近八倍。
大多数市售风力涡轮机利用多级齿轮传动系将涡轮机叶片连接至发电机。风使涡轮机叶片转动，涡轮机叶片使低速轴旋转。低速轴联接至齿轮箱的输入轴，该齿轮箱具有连接至发电机的速度较高的输出轴。因此，齿轮传动的目的在于增大机械运动的速度。
额定功率大于1MW的现有的风力涡轮机的大多数齿轮传动系利用多个齿轮级来实现处于从大约1﹕70到大约1﹕110的范围内的传动比。三级典型地包括简单的行星或周转第一级，在第一级之后是两个平行偏置级（大齿轮+多个小齿轮），或者在第一级之后是第二简单的行星级、在第二简单的行星级之后是平行偏置级。高传动比使得能够使用比齿轮箱小得多并且成本低得多的发电机。通过径向通风冷却，发电机的相对较高的速度使得发电机被迫具有长度大于宽度的纵横比。齿轮箱的高速输出轴与齿轮箱的低速输入轴大体不同心。由于这些原因，发电机单独安装并且与主框架（通常也称作底架或底板）上的齿轮箱间隔开。动力通过柔性“高速”轴联接件从齿轮箱传递至发电机。该布置迫使齿轮箱与发电机彼此物理隔开，并且同时要求齿轮箱的输出轴和发电机的输入轴分别由齿轮箱轴承和发电机轴承单独支撑。
因此，风力发电工业期望一种构造更优的齿轮传动系，以使可靠性和可用性提高、使成本降低、使质量和尺寸降低、并且使效率提高。
发明内容
本发明的各个方面以及优点将会在下文的描述中进行部分阐述，或者是通过描述可以显而易见的，或者是可以通过实施本发明而学到。
根据本发明的各个方面，提供一种用于风力涡轮机的传动系，该风力涡轮机具有连接至转子毂的单独的转子叶片。该传动系包括齿轮箱，转子毂直接安装至齿轮箱。齿轮箱进一步包括固定齿轮托架，该固定齿轮托架安装至风力涡轮机的主框架部件（例如底板或底架构件），齿轮箱由此充分地支撑转子毂的重量。提供了发电机，齿轮箱具有联接至发电机转子的输出轴，使得齿轮箱充分地支撑发电机转子的重量。
在传动系的特定实施例中，齿轮箱包括外部回转支承，该外部回转支承具有安装至齿轮托架的固定环和旋转齿圈，转子毂直接安装至旋转齿圈。该实施例中的齿轮箱可以包括旋转齿圈与输出轴之间的行星齿轮构造。例如，行星齿轮构造可以包括由齿轮托架支撑并且旋转齿轮连接至旋转齿圈的多个行星齿轮。在该实施例中，齿轮托架可以限定行星齿轮中的每一个行星齿轮的固定轴。旋转太阳齿轮齿轮连接至行星齿轮，太阳齿轮旋转驱动输出轴，输出轴可以被限定成太阳齿轮的轴向延伸部。例如，输出轴和太阳齿轮可以形成为单个的一体部件。
输出轴可以通过各种装置联接至发电机转子。例如，在一个实施例中，花键毂可以安装至转子，输出轴联接至花键毂。花键毂轴承可以安装至与花键毂同心的齿轮托架。
本发明还包括具有如本文所实施的传动系的任何构造的风力涡轮机。
参照下文的描述以及所附权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解。结合在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图显示了本发明的实施例并且与描述一起用于对本发明的原理进行解释。
附图说明
参照附图，说明书中阐述了面向本领域普通技术人员的本发明的完整和可能公开，包括本发明的最佳模式，在附图中：
图1是传统风力涡轮机的透视图；
图2是根据本发明的各个方面的具有传动系的风力涡轮机的部分透视图；
图3是可以用于图2的风力涡轮机中的传动系的实施例的剖视图；以及
图4是具有代表性的传动系的实施例的更详细的剖视图。
附图标记列表：
Figure BDA00002307539900031
Figure BDA00002307539900041
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，实施例的一个或多个示例示于附图中。每个示例都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行多种改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征能够用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明包括落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些改型以及变型。
传统的商用水平轴线风力涡轮机（HAWT）100示于图1中。风力涡轮机100包括管状塔架110，管状塔架110通常由钢或混凝土制成并且可以通过将多个塔架段叠置在彼此的顶部上来竖立管状塔架110。塔架110支撑机舱120、叶片130和转子毂140的重量。塔架110也可以属于网格（或桁架）类型。机舱120典型地能够容纳传动系部件（例如，齿轮箱、轴、联接件、发电机等）、以及传动系部件安装于其上的主框架180（也称作“底板”或“底架”）。参照图2，偏航驱动器160可以与齿圈170相接合，以使主框架180（以及机舱120）相对于塔架110旋转。例如控制电子装置的其它部件也可以容纳在机舱120内。典型地，机舱120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。机舱外壳的主要功能是保护传动系和控制部件不受一些因素（例如，雨、冰、雪等）的影响。
叶片130连接至转子毂140，并且毂140可以包括桨距控制机构，以控制每个叶片130的桨距角。典型地，在大多数商用风力涡轮机中采用三个叶片130，然而，也能够采用一个、两个或四个或者更多个叶片。通过使低速轴旋转，叶片130将风的动能转化成机械能。叶片130可以由玻璃纤维或石墨复合材料、玻璃纤维增强塑料或木质/环氧树脂层合板、或者其它合适的材料制成。通过传统结构，低速轴典型地通过螺栓连接的凸缘联接件连接至毂140。
典型地，在高于1MW的涡轮机中，低速轴将根据风速以可变速度从零到最大稳态速度旋转，该最大稳态速度大体是使涡轮机产生额定功率的涡轮机的额定速度。涡轮机的额定功率下的额定转速随着功率定额、叶片长度、风级等而变化并且将从1.5MW涡轮机的大约18至大约22RPM典型地向下变化到2.5MW涡轮机的大约14至大约16.5RPM。低速轴的额定转速也能够在这些范围之上或之下发生变化。
发电机用于将轴的旋转转化成电能。齿轮箱典型地用于增大输入轴至发电机的速度。齿轮箱具有作为其输入的低速轴，并且输出是速度较高的轴，根据本发明的各个方面，该速度较高的轴能够直接通入发电机中。
图2示出了根据本发明的各个方面的结合了传动系10的风力涡轮机100。传动系10包括齿轮箱12，齿轮箱12直接联接至转子毂140，如下文更详细地讨论的。齿轮箱12包括固定齿轮托架14，固定齿轮托架14安装至机舱120内的主框架180。因此，就该构造而言，通过经由固定齿轮托架14将齿轮箱12直接联接至主框架180，齿轮箱12充分地支撑转子毂140的重量。
仍然参照图2，发电机16通过来自齿轮箱12的输出轴可操作地联接至齿轮箱12，该来自齿轮箱12的输出轴旋转联接至发电机16内的转子。通过该构造，齿轮箱12也充分地支撑发电机转子的重量。
因此，图2中所实施的传动系10省略了转子毂140与齿轮箱12之间的主传动轴，以及相关联的轴承和联接件。传动系构造10允许使用较小、成本较低的发电机16并且不仅缩短了整个传动系长度，还提供了能够产生可观的动力输出的总体而言轻得多的风力涡轮机传动系。由于来自转子140的扭矩通过单级齿轮箱12减小，因此传动系构造10允许使用较小的扭矩传递轴和较小的发电机，从而相比多级齿轮箱提供了较高的可靠性和较少的摩擦损失。此外，如下文更加详细地讨论的，使用固定齿轮托架14设计能够允许简化旋转部件的润滑。此外，能够简化机舱120内的主要结构支撑件（即主框架180），由此进一步降低传动系部件的重量和复杂性。
参照图3和图4，在单级传动系10的特定实施例中，齿轮箱12包括外部回转支承24，外部回转支承24具有例如通过如图4中所示的螺栓30或者任何其它合适的联接机构安装至固定齿轮托架14的固定环26。回转支承24包括例如通过如图4中所示的螺栓30或者任何其它合适的联接机构联接至转子140的旋转齿圈28。齿圈28与毂140之间的联接可以包括任何形式的中间凸缘或者其它的联接装置。因此，如通过图4能够易于理解的，风力涡轮机转子140直接联接至传动系10内的齿轮装置而无需中间传动轴。
齿轮箱12可以包括任何形式的合适的齿轮装置。在所示实施例中，齿轮箱12包括旋转齿圈28与齿轮箱输出轴34之间的行星齿轮构造32。该行星齿轮构造32可以例如包括与旋转太阳齿轮36相接合的多个行星齿轮38，旋转太阳齿轮36旋转驱动输出轴34。例如，输出轴34可以构造成太阳齿轮36的一体部件或者单独的轴向延伸部，如图3中特别示出的。在备选实施例中，输出轴34可以是机械联接至相同的齿轮36而无需中间齿轮装置的单独形成的部件。
行星齿轮38可以被支撑在由固定齿轮托架14的一部分所限定的单独的轴40上，使得行星齿轮38的重量直接由固定托架14负担，如图3中特别示出的。
参照图4，发电机16包括固定定子22，固定定子22可以通过螺栓30或者任何其它合适的联接机构直接联接至固定齿轮托架14。转子20通过任何合适的联接机构（例如附图中所示出的花键毂42）旋转联接至齿轮箱12的输出轴34。花键毂42可以通过螺栓24或者任何其它合适的联接机构直接联接至定子20。花键毂42由任何合适的支承机构44旋转支撑，该任何合适的支承结构44也可以安装至与花键毂42同心的齿轮托架14。
参照图3，发电机定子22可以安装至主框架180（并且因此由主框架180直接支撑）。
应当理解，仅仅为了示例性目的而展示了附图中所示出的以及上文所讨论的示例性传动系构造10。例如，单级传动系构造10可以包括任何合适的齿轮构造，该任何合适的齿轮构造能够产生大约1.7﹕1至大约11﹕1之间（并且更具体地大约4﹕1至大约6﹕1之间）的期望的传动比。
应当进一步理解，本发明包括任何形式的风力涡轮机100（图2），该任何形式的风力涡轮机100能够利用如上文所讨论的根据本发明的各个方面的传动系构造10。
本书面描述使用示例对本发明进行了公开（其中包括最佳模式），并且还使本领域技术人员能够实施本发明（其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法）。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围中。

Claims (18)

1.一种用于风力涡轮机的传动系，所述风力涡轮机包括连接至转子毂的单独的转子叶片，所述传动系包括：
齿轮箱，所述转子毂直接安装至所述齿轮箱；
所述齿轮箱进一步包括固定齿轮托架，所述固定齿轮托架安装至所述风力涡轮机的主框架，其中所述齿轮箱充分地支撑所述转子毂的重量；以及
发电机，所述发电机包括转子和固定定子，所述齿轮箱包括联接至所述转子的输出轴，其中所述齿轮箱充分地支撑所述转子的重量。
2.根据权利要求1所述的传动系，其特征在于，所述齿轮箱包括外部回转支承，所述外部回转支承具有安装至所述齿轮托架的固定环和旋转齿圈，所述转子毂安装至所述旋转齿圈。
3.根据权利要求2所述的传动系，其特征在于，所述齿轮箱包括所述旋转齿圈与所述输出轴之间的行星齿轮构造。
4.根据权利要求3所述的传动系，其特征在于，所述行星齿轮构造包括由所述齿轮托架支撑并且齿轮连接至所述旋转齿圈的多个行星齿轮、以及齿轮连接至所述行星齿轮的旋转太阳齿轮，所述太阳齿轮旋转驱动所述输出轴。
5.根据权利要求4所述的传动系，其特征在于，所述输出轴包括所述太阳齿轮的轴向延伸部。
6.根据权利要求5所述的传动系，其特征在于，所述输出轴和所述太阳齿轮形成为单个的一体部件。
7.根据权利要求4所述的传动系，其特征在于，所述齿轮托架限定了所述行星齿轮中的每一个行星齿轮的固定轴。
8.根据权利要求1所述的传动系，其特征在于，所述传动系进一步包括安装至所述转子的花键毂，所述输出轴联接至所述花键毂以用于旋转驱动所述转子。
9.根据权利要求8所述的传动系，其特征在于，所述传动系进一步包括花键毂轴承，所述花键毂轴承安装至与所述花键毂同心的所述齿轮托架。
10.根据权利要求1所述的传动系，其特征在于，所述定子安装至所述主框架。
11.根据权利要求1所述的传动系，其特征在于，所述传动系具有大约1.7﹕1至大约11﹕1之间的传动比。
12.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：
塔架；
机舱，所述机舱布置在所述塔架的顶上；
主框架，所述主框架固定安装在所述机舱内；
单独的转子叶片，所述单独的转子叶片连接至转子毂；
传动系，所述传动系布置在所述机舱内，所述传动系包括：
齿轮箱，所述齿轮箱直接安装至所述转子毂，所述齿轮箱包括输出轴；
所述齿轮箱进一步包括固定齿轮托架，所述固定齿轮托架安装至所述主框架，其中所述齿轮箱充分地支撑所述转子毂的重量；以及
发电机，所述发电机包括转子和固定定子，所述输出轴联接至所述转子，其中所述齿轮箱充分地支撑所述转子的重量。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述齿轮箱包括外部回转支承，所述外部回转支承具有安装至所述齿轮托架的固定环和旋转齿圈，所述转子毂安装至所述旋转齿圈。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述齿轮箱包括所述旋转齿圈与所述输出轴之间的行星齿轮构造，所述行星齿轮构造包括由所述齿轮托架支撑并且齿轮连接至所述旋转齿圈的多个行星齿轮、以及齿轮连接至所述行星齿轮的旋转太阳齿轮，所述太阳齿轮旋转驱动所述输出轴。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述输出轴包括所述太阳齿轮的轴向延伸部。
16.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述齿轮托架限定了所述行星齿轮中的每一个行星齿轮的固定轴。
17.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机进一步包括安装至所述转子的花键毂，所述输出轴联接至所述花键毂以用于旋转驱动所述转子，并且进一步包括花键毂轴承，所述花键毂轴承安装至与所述花键毂同心的所述齿轮托架。
18.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述定子安装至所述主框架。
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