CN104254704B - 一种使风力涡轮与发电机轴互连的不对称扭矩限制器 - Google Patents

一种使风力涡轮与发电机轴互连的不对称扭矩限制器 Download PDF

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Abstract

一种用于风力涡轮的不对称扭矩限制耦合系统，其中前向扭矩限制离合器和反向扭矩限制离合器以成对关系提供，且所述反向扭矩限制离合器具有的特有滑动扭矩明显小于所述前向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩。在公开的特定实施方案中，不对称的扭矩限制器使风力涡轮与发电机轴互连。耦合件包括输入壳体和输出毂，且超速机构插入在这两者之间。第一扭矩限制机构和所述输入壳体与毂之间的超速机构以串联互连提供，而第二扭矩限制机构和所述输入壳体与输出毂之间的超速机构以并联互连提供。

Description

一种使风力涡轮与发电机轴互连的不对称扭矩限制器
相关申请的交叉参考
本案是2010年8月18日提交的共同未决专利申请12/858,688的部分接续案。
技术领域
本文中本发明属于电力传输装置的领域，且更特别地说属于风力涡轮中使用的扭矩限制离合器。明确地说，本发明涉及一种用于保护风力涡轮免受由扭矩反向造成的轴承和齿轮损坏。本发明提供一种在风力涡轮上使用的不对称的扭矩限制耦合系统，其中正向扭矩限制离合器和反向扭矩限制离合器以成对的关系提供，且所述反向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩是所述正向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩的一小部分。本发明专注于提供这样一种扭矩限制离合器配置作为现有系统的改进方案或作为原始设备。
背景技术
在过去十年已经安装数万风力涡轮，几乎全部是使用并入定位在涡轮叶片与发电机之间的变速箱作为增速器的类似传动系统。变速箱通常经过专门设计且希望确保轴承和齿轮适当对齐以采取其专门的设计负载。这些设计负载通常集中在正向操作旋转方向上。但是，已经发现高反向扭矩会影响变速箱的轴承和齿轮的寿命。在扭矩反向期间，齿轮和轴承变成未对准，在接触表面上引起高度集中的负载。即使是中等的反向扭矩峰值也会损坏未对准的轴承和齿轮。存在多种操作状态，包括传动系和变速箱中的扭转振动，其中一些会在反向传动方向上造成严重扭转。这些状态会发生在(a)当电接触器将风力涡轮发电机接合到栅格时启动之后；(b)在紧急制动期间；(c)在当卡钳制动器接合时的常规制动期间；(d)在栅格断开连接事件期间；和(e)在各种电力故障和控制失效的任一种期间。
虽然用于风力涡轮的变速箱通常设计有20年的轴承和齿轮寿命，但已经发现风力涡轮设计中的变速箱的平均寿命是7年到11年的级别。变速箱更换的成本极高，不仅是直接成本，在停工期也是如此。事实上，据信许多风力涡轮设计中的过早变速箱故障已经成为反向扭矩负载的主要原因，因为未曾提供有效保护。许多风力涡轮具有传统的摩擦扭矩限制耦合件，通常设置在风力涡轮的额定扭矩的150％至200％。这些不会对反向负载下的未对准的轴承和齿轮提供保护。本发明专注于一种不对称的扭矩限制器耦合系统，其中设置在标准正向方向上的高扭矩和设置在反向方向上的低扭矩会显著改进变速箱寿命。
发明概要
根据前述内容，本发明的第一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其中在正向和反向操作方向上都提供变速箱保护。
本发明的另一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其中提供具有不对称性质的双向保护。
本发明的又一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其中提供反向扭矩限制器，其特有滑动扭矩是正向方向上的特有滑动扭矩的一小部分。
本发明的又一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其中离合器机构被封围、密封和干燥，且在惰性气体环境中操作。
本发明的又另一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其包括用于监视叶片轴与发电机轴之间的相位角和滑动来评定关联到变速箱的扭矩的系统。
本发明的又一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其易于适应现有风力涡轮用于增强的操作和耐久性。
通过风力涡轮发电系统中的改进来实现在进行详细描述时显而易知的本发明的前述和其它方面，所述风力涡轮发电系统包括连接到具有高速输出轴的增速变速箱的风力涡轮，和具有输入轴的发电机，所述改进处包括：耦合系统，其使所述输出轴与输入轴互连，所述耦合系统是不对称的，其在第一正向旋转传动方向上具有第一特有滑动扭矩，且在第二反向旋转传动方向上具有第二特有滑动扭矩，所述第二特有滑动扭矩被设置成大致为零。
本发明的其它方面通过一种使风力涡轮与发电机轴互连的不对称扭矩限制器达成，其包括：输入壳体和输出毂；超速机构，其插入在所述输入壳体与输出毂之间；第一扭矩限制机构，其和所述输入壳体与输出毂之间的所述超速机构串联互连；和第二扭矩限制机构，其和所述输入壳体与输出毂之间的所述超速机构并联互连。
附图简述
为了全面了解本发明的各个方面和结构，应参考下文详细描述和附图，其中：
图1是根据先前技术的风力涡轮发电机的功能示意图；
图2是本发明的第一实施方案的功能示意图，特别调适为具有传统扭矩限制器的现有耦合系统的翻新方案；
图3是之前不包括扭矩限制器的风力涡轮发电机的翻新方案的功能示意图；
图4是根据本发明的具有不对称的扭矩限制耦合件且作为原始设备实施的风力涡轮发电机的功能示意图；
图5是适用于执行图4的系统的不对称扭矩限制耦合件的截面图；
图6是图5的实施方案的坡道和滚柱式单向离合器机构的部分剖面图；和
图7是可调整弹簧加载机构的部分剖面图，其迫使压力板接合图5的本发明串联连接的扭矩限制机构。
具体实施方式
现在参考附图且更特别参考图1，可见根据先前技术制造的风力涡轮发电系统一般由数字10标明。系统10包括附接到低速涡轮轴14的一串涡轮叶片12。涡轮轴14穿到变速箱16，其用来以标准方式大大提高变速箱输出轴18的旋转速度。如本领域技术人员易于了解，卡钳制动器20与粘附到变速箱输出轴18的制动器转子22关联地操作，以选择性地停止轴18的旋转。如所示，耦合件介于变速箱输出轴18与发电机轴26之间。本领域技术人员将了解耦合件包括耦合间隔器24，其具有被调适以适应轴18、26之间的未对准的挠曲元件25。
扭矩限制器或扭矩限制离合器28与发电机轴26关联地提供以使变速箱输出轴18和连接的变速箱16与过多的间歇性扭矩隔离。本领域技术人员将了解扭矩限制离合器28通常具有特有滑动扭矩，其设置为计划应用于变速箱16的额定扭矩的1.2倍至2倍。一般来说，扭矩限制离合器28设置在这个额定扭矩的1.5倍。本领域技术人员将了解扭矩限制离合器28通常是双向的，在顺时针方向和逆时针方向旋转模式下以相等滑动扭矩操作。但是，特有滑动扭矩限制器28通常在超过针对反向扭矩偏移提供保护所需的扭矩的情况中表现良好。
如上文呈现，先前技术风力涡轮发电系统10的设计和关联的扭矩限制离合器28极少关注反向传动方向上未对准的轴承和齿轮上的扭矩负载的存在，这种扭矩引起变速箱损坏和早期维修和修理的必要性。如图2至图4中所示且如下文描述，本发明用以通过针对反向负载提供增强的扭矩限制保护来解决这个问题。
现在参考图2，可见根据本发明制造的风力涡轮发电系统的第一实施方案一般由数字32标明。这个第一实施方案呈现为目前使用扭矩限制离合器的系统的翻新方案。如所示，变速箱16具有输出传动轴18，其与卡钳制动器20和制动器转子22操作性地连通。变速箱轴18与发电机轴26通过耦合间隔器34和挠曲元件25互连。耦合间隔器34包括一对同心重叠毂36、38，其分别与轴18、26互连。滑动扭矩通常是系统32的额定扭矩的1.2倍至2 倍的第一扭矩限制离合器28介于耦合间隔器34与发电机轴26之间。在图2 的实施方案中，扭矩限制离合器28是风力涡轮发电系统的原始设备的一部分。为了针对反向扭矩发生情况提供保护，轴18、26之间的原始耦合由包括具有与超速机构42并联的扭矩限制离合器40的毂36、38的耦合间隔器 34替代。超速机构42通常将包括单向离合器，其在第一旋转方向上提供毂36、38之间的直接互连，并且在相反方向上处于空转轮状态。因此，扭矩限制离合器40用作为反向扭矩限制离合器，其在反向旋转方向上提供具有特有滑动扭矩的毂36、38之间的互连。在本发明的优选实施方案中，扭矩限制离合器40的特有滑动扭矩是扭矩限制离合器28所受到的额定扭矩的一小部分。
进一步如图2中所示，密封件44可用以提供密封壳体并且保护耦合间隔器34，且尤其保护扭矩限制离合器40和超速机构42免受环境影响。优选的是干燥环境。为了进一步保护这些元件免受环境影响，期望用惰性气体(诸如氮)略微加压壳体。加压的内部的存在由合适的压力指示器45(诸如球胆或弹簧偏置杆)指示。
在常规正向传动方向上，图2的风力涡轮发电系统32操作使得变速箱轴18通过耦合间隔器34在第一旋转方向上传动发电机轴26。通过介于耦合间隔器34与发电机轴26之间的扭矩限制离合器28来提供保护。在这个旋转方向上，超速机构或单向离合器42提供毂36、38之间的直接互连。
在反向扭矩的情况下，单向离合器42变成空转轮状态且通过反向扭矩限制离合器40提供毂36、38之间的互连。扭矩限制离合器40的特有滑动扭矩小于扭矩限制离合器28的特有滑动扭矩，且因此，针对反向负载扭矩对变速箱16的保护由反向扭矩限制离合器40来提供。
现在参考图3，可见风力涡轮发电系统的第二实施方案一般由数字46 标明。系统46再次通过用耦合间隔器48替换原始耦合间隔器来提供现有系统的翻新方案。这个修改尤其适于不提供有扭矩限制离合器的系统。因此，提供在变速箱轴18与发电机轴26之间的耦合间隔器48包括一对毂50、52，其间介入扭矩限制互连件。此外，超速机构或单向离合器54提供为与扭矩限制离合器56串联连接，使扭矩限制器56表现为正向扭矩限制离合器，且单向离合器54在相反方向上处于空转轮状态。反向扭矩限制离合器58介于与单向离合器54和正向扭矩限制离合器56之间的互连件并联的毂50、52 之间。此外，扭矩限制离合器58的特有滑动扭矩是但仅仅是扭矩限制离合器56的特有滑动扭矩的一小部分。因此，单向离合器54确保扭矩限制离合器56控制正向扭矩施加，而扭矩限制离合器58控制反向扭矩关联。
本发明还专注于使用监视和记录装置来评定风力涡轮发电系统的各个元件之间的滑动和扭矩。在图3的实施方案中，可变磁阻磁性传感器或传感器60、62、64被定位为与变速箱轴18(传感器60)、毂50(传感器62)和发电机轴26(传感器64)关联。传感器60、62、64中的每一个提供对应于关联元件18、50、26的旋转移动的输出。因此，沿着电力传输传动18、48、 26经受的滑动和扭矩可通过监视器/记录器66不断地监视。如所示，发电机 30的输出也可被这样记录。
本领域技术人员将了解不仅可测量各个元件的旋转速度，而且还可测量这些元件之间的相位角。举例而言，本领域技术人员将了解传感器60与传感器62之间的相位角差指示所述传感器之间的特有扭转扭曲，因此可转移到耦合系统中的扭矩。当传感器60、62提供处于彼此相位锁定对应的信号时，没有扭矩被授予轴18。类似地，在传感器60与64或62与64之间监视到的旋转速度差指示所述传感器所关联的元件之间的任何瞬时滑动。因此，监视器/记录器66可获得关于风力涡轮发电系统46中的传输轴和其耦合件的扭矩和滑动特有的数据。
现在参考图4，可见根据本发明制造的风力涡轮发电系统的原始设备一般由数字70标明。此处变速箱16再次具有通过耦合间隔器24和挠曲元件 25互连到毂72的输出轴18，毂72与发电机30的发电机轴26操作性地传动连通。在本发明的原始设备实施方案中，用作为正向扭矩限制器的扭矩限制器74与单向离合器或超速机构76串联互连以使毂72与发电机轴26互连。扭矩限制离合器78与这个配置并联且进一步使毂72与发电机轴26互连，如图3的实施方案，扭矩限制离合器78操作以提供与扭矩限制离合器74相反定向的旋转的扭矩限制能力。这个反向扭矩限制器78的特有滑动扭矩是正向扭矩限制离合器74的特有滑动扭矩的一小部分。此外，如上所讨论，其操作相同。
应预期到本发明的各个实施方案通常将具有正向操作扭矩限制离合器，其特有滑动扭矩是系统受到的额定扭矩的1.2倍至2倍，且最优选的是这个扭矩的1.5倍级别。反向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩通常将小于正向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩。如本领域技术人员所熟知和了解，还应预期到本发明的扭矩限制离合器可包括多个盘形离合器。当然，在适当关注包装限制的情况下，这些盘的尺寸和数量通常由所需的反作用力来决定。如上所呈现，本发明还预期本发明的扭矩限制离合器以及超速机构通常将处于惰性气体环境中，且惰性气体是在大于大气压力的压力下，从而确保免受环境影响。事实上，根据本发明的优选实施方案，考虑到填充氮的壳体。
本发明的监视器/记录器26企图用于记录和录入过多的扭矩和/或扭矩滑动事件。传感器60、62、64可具有任何适当性质，但目前期望是可变磁阻金属环形传感器，其具有对应于旋转速度和位置的隔开轮齿传感信号。如熟练技术人员将了解，信号差指示扭矩和/或滑动。
与先前技术进行对比，本发明寻求保护风力涡轮发电系统的变速箱免受周期性碰撞这类系统的变速箱的反向扭矩的不利影响。通过提供上文呈现和描述的不对称的扭矩限制耦合件，正向和反向扭矩限制器可独立操作且具有不同设置，确保对变速箱的保护。
现参考图5，可获得关于根据本发明制成的用于风力涡轮发电的不对称扭矩限制耦合件(一般由数字80指示)的特定实施方案的了解。不对称扭矩限制耦合件80包括输入壳体82，其与图4的实施方案一致且通过转接板 84连接到风力涡轮变速箱的高速轴。转接板84可螺栓或以另外方式固定到输入壳体82。输出毂86适于通过适当的键或齿条接合或优选的是锁紧盘连接器88来接收和固定发电机轴或类似物。不对称扭矩限制耦合件82的扭矩限制机构维持在输入壳体82与输出毂86内且插入其间，如下文更明确提出。
在相对面上具有摩擦材料的摩擦板总成90由于插入在输出毂86与摩擦板总成90之间且绕着其圆周间隔的多个圆筒形滚柱92而操作为单向离合器或超速机构。如图6中最佳所示，摩擦板总成90的单向离合器是坡道和滚柱式离合器，其中每个圆筒形滚柱92具有关联的弹簧94，其推动滚柱使其在摩擦板总成90内表面的弓形道96与界定输出毂86内表面的坡道98之间接合。熟悉本领域的技术人员将了解，在一个旋转方向上，圆筒形滚柱92 锁定摩擦板总成90和输出毂86，而在相反的旋转方向上，摩擦板总成90 大致自由滑行。将了解刚描述的超速机构90到98优选的是零反冲制动杆或零反冲坡道和滚柱设计来提供公开的不对称设计的可靠操作且减少磨损。显然，摩擦板90由弹簧108、110夹到输入壳体82。
再次参考图5，将知晓端板100通过与输入壳体82螺纹接合的锁定环或固定螺母102而固定在适当位置。密封件104插入在输入壳体82与端板100 之间。
压力板106在107处扣到输入壳体82。如图7中最佳所示，圆盘弹簧 108和堆叠的波形弹簧110插入在端板100与压力板106之间，推动压力板 106使其与摩擦板90接合。圆盘弹簧108和堆叠的波形弹簧110可包括多堆贝式垫圈或弹簧来提供主要弹簧力和扭矩调整——后者通过改变弹簧堆的合成来实现。此外，每堆贝式弹簧因内波形弹簧而居中。另外，锁定环或固定螺母102与输入壳体82可调整地螺纹接合来通过将端板100推动朝向压力板106而细微地设置期望的弹簧压缩和特有扭矩。
如图5中最佳所示，摩擦板总成112通过帽螺钉114而旋转地固定到输出毂86。挠曲板总成115类似地固定且插入在摩擦板总成90与112之间，且贝式弹簧116插入在摩擦板总成112与挠曲板总成115之间并且推动摩擦表面使其与输入壳体82接触。这种配置造成输入壳体82保持稳定且与输出毂86一致。
将了解元件90到98用作为单向离合器或超速机构，元件90、106到110 包括第一摩擦扭矩限制机构，而元件112到116包括第二摩擦扭矩限制机构。这个第二摩擦扭矩限制机构在正向和反向旋转反向上展示相同扭矩量，其中扭矩设置大致小于元件90、106到110的第一摩擦扭矩限制机构的特有扭矩。实际上，第二摩擦扭矩限制机构可具有设置在零或几乎为零的特有扭矩。另外，第二扭矩限制机构的弹簧力期望地小于第一扭矩限制机构来确保当贝式弹簧116的力作用在挠曲板总成115上且在相反方向上有相同力抵着摩擦板总成90时，摩擦板总成90保持稳定到输出毂86。
在与图2到图4中呈现的本发明观点一致的不对称扭矩限制耦合件80 操作的背景下，将了解摩擦板总成90和输出毂86通过单向或坡道和滚柱式离合器串联互连。摩擦板总成90和摩擦板总成112相互并联，且摩擦板总成90控制正向操作。在反向操作中，摩擦板总成112和摩擦挠曲板总成115 控制操作，这是因为图6的单向离合器结构致使摩擦板总成90实质上在反向方向上无关紧要。
已经发现对于不对称扭矩限制器十分重要的是其不给驱动系统添加额外反冲，因为传动装置中的反冲给风力涡轮驱动系统增加了经受的问题。上述两种串联和并联扭矩限制机构的设计和坡道和滚柱式离合器的超速机构都实现了零反冲。
本发明的实施方案的另一特征是使扭矩限制机构维持在正惰性气体氛围内。为这个目的，除了密封件104之外，密封件118插入在端板100与输出毂86之间，且密封件120插入在输入壳体82与输出毂86之间。由于提供在输入壳体82与输出毂86之间的这些密封件，Schrader阀122用于在适当压力下将惰性气体引入界定在其间的腔室内。在优选实施方案中，惰性气体是氩。隔板124提供在隔板壳体126内来允许监视内部压力。
因此，可见本发明的各个方面已由上文呈现的结构所实现。根据专利条例，虽然仅上文呈现和详细描述本发明的最佳模式和优选实施方案，但本发明不限于此或不受限于此。因此，应参考以下权利要求来了解本发明的范畴和范围。

Claims (14)

1.一种使风力涡轮与发电机轴互连的不对称扭矩限制器，其包括：
输入壳体和输出毂；
超速机构，其插入在所述输入壳体与输出毂之间；
第一扭矩限制机构，其和所述输入壳体与输出毂之间的所述超速机构串联互连；
第二扭矩限制机构，其和所述输入壳体与输出毂之间的所述超速机构并联互连；并且，
其中，所述第一扭矩限制机构包括摩擦板总成、端板、压力板和插入在所述端板与压力板之间的弹簧总成，且其中所述超速机构维持在所述摩擦板总成的内圆周周围且与所述输出毂介接，所述端板密封在所述输入壳体与输出毂之间，所述弹簧总成迫使所述压力板与所述摩擦板总成接触接合。
2.根据权利要求1所述的不对称扭矩限制器，其中，所述输入壳体还绕着所述输出毂密封。
3.根据权利要求2所述的不对称扭矩限制器，其中，所述输入壳体和输出毂界定腔室，所述腔室由惰性气体填充。
4.根据权利要求3所述的不对称扭矩限制器，其中，所述惰性气体加压在所述腔室内，且还包括密封压力指示器，其与所述腔室连通且可从所述输入壳体外部看见。
5.根据权利要求4所述的不对称扭矩限制器，其中，所述指示器包括隔板。
6.根据权利要求3所述的不对称扭矩限制器，其中，所述惰性气体是氩。
7.根据权利要求1所述的不对称扭矩限制器，其中，所述超速机构包括与所述输出毂介接的零反冲弹簧偏压坡道和滚柱。
8.根据权利要求1所述的不对称扭矩限制器，其中，所述超速机构包括零反冲制动杆。
9.根据权利要求1所述的不对称扭矩限制器，其中，到所述超速机构的输入端包括由弹簧夹到所述输入壳体的所述第一扭矩限制机构。
10.根据权利要求1所述的不对称扭矩限制器，其中，所述不对称扭矩限制器的总正向扭矩设置是所述第一扭矩限制机构的扭矩设置和所述第二扭矩限制机构的扭矩设置的至少一部分，且所述不对称扭矩限制器的反向扭矩设置仅是所述第二扭矩限制机构的所述扭矩设置。
11.一种使风力涡轮与发电机轴互连的不对称扭矩限制器，其包括：
输入壳体和输出毂；
超速机构，其插入在所述输入壳体与输出毂之间；
第一扭矩限制机构，其和所述输入壳体与输出毂之间的所述超速机构串联互连；
第二扭矩限制机构，其和所述输入壳体与输出毂之间的所述超速机构并联互连；并且，
其中，所述第一扭矩限制机构包括摩擦板总成、端板、压力板、插入在所述端板与压力板之间的弹簧总成和锁定环，且其中所述超速机构维持在所述摩擦板总成的内圆周周围且与所述输出毂介接，所述弹簧总成迫使所述压力板与所述摩擦板总成接触接合，所述锁定环螺纹地接合所述输入壳体且推动所述端板使其与所述弹簧总成选择性压缩接合，从而提供扭矩设置调整。
12.根据权利要求11所述的不对称扭矩限制器，其中，所述弹簧总成包括多堆贝式弹簧，选定数目堆提供主要弹簧力和扭矩设置选择。
13.根据权利要求12所述的不对称扭矩限制器，其中，每堆贝式弹簧因内波形弹簧而居中。
14.一种使风力涡轮与发电机轴互连的不对称扭矩限制器，其包括：
输入壳体和输出毂；
超速机构，其插入在所述输入壳体与输出毂之间；
第一扭矩限制机构，其和所述输入壳体与输出毂之间的所述超速机构串联互连，所述第一扭矩限制机构被弹簧夹到所述输入壳体且所述第一扭矩限制机构包括到所述超速机构的输入端；
第二扭矩限制机构，其和所述输入壳体与输出毂之间的所述超速机构并联互连；并且，
其中，所述第一扭矩限制机构包括摩擦板总成、端板、压力板和插入在所述端板与压力板之间的弹簧总成，且其中所述超速机构维持在所述摩擦板总成的内圆周周围且与所述输出毂介接，所述弹簧总成迫使所述压力板与所述摩擦板总成接触接合。
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