CN117905648A - 用于风力涡轮的传动系组件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于风力涡轮的传动系组件。这些组件可包括转子轮毂和发电机模块。发电机模块包括发电机定子和用于支撑发电机定子的固定框架。发电机还包括发电机转子、用于支撑发电机转子的轴、以及用于将轴可旋转地安装在固定框架上的轴承组件。轴可移除地连接到发电机转子，并且轴承组件包括前轴承和后轴承。发电机模块的逆风端附接到转子轮毂的顺风端。本公开还涉及包括这样的风力涡轮组件的风力涡轮和用于组装传动系组件的方法。

Description

用于风力涡轮的传动系组件
技术领域
本公开涉及用于风力涡轮的组件，并且更特别地涉及用于风力涡轮的传动系组件。本公开还涉及用于制造和组装这样的传动系组件的方法，以及包括这样的传动系组件的风力涡轮。
背景技术
现代风力涡轮通常用来将电力供应到电力网中。这种类型的风力涡轮大体上包括塔架和布置在塔架上的转子。典型地包括轮毂和多个叶片的转子在风对叶片的影响下开始旋转。这种旋转生成扭矩，该扭矩通常传递到发电机，以便产生电功率并将电功率馈送到电力网中。
风力涡轮是已知的，其中连接到轮毂的转子轴充当齿轮箱的低速输入轴。齿轮箱的高速输出轴接着驱动发电机。还已知直接驱动发电机的转子轮毂或连接到轮毂的转子轴。这样的风力涡轮大体上被称为“直接驱动”或“无齿轮”风力涡轮。
直接驱动风力涡轮的发电机转子的旋转速度对应于风力涡轮转子的旋转速度(例如，2-20RPM)，并且在其中采用齿轮箱的情况下通常远低于发电机转子的旋转速度。因此，直接驱动风力涡轮的发电机的直径通常大得多。直接驱动风力涡轮发电机可具有例如6-8米(236-315英寸)的直径、例如2-3米(79-118英寸)的长度。
发电机大体上包括转子或旋转结构和定子或固定结构。转子和定子结构两者都承载电磁元件，并且在转子和定子之间设置有空气间隙。例如，永磁励磁发电机(PMG)是已知的。在这样的PMG中，永磁体大体上安装在发电机转子上，而绕组元件(例如，线圈)通常安装在定子上。永磁发电机大体上被认为是可靠的，并且比其它发电机类型需要更少的维护，并且因此特别适用于海上风力涡轮。
在具有径向空气间隙的发电机的情况下，转子可径向地布置在定子的外部，或者反之亦然。从电磁角度来看，为了使发电机高效，空气间隙应当尽可能小。另一方面，空气间隙的宽度应当足够大，以避免转子和定子之间的接触，这种接触可导致发电机内的显著损坏。
风力涡轮转子大体上设置在塔架的“逆风侧”或“上游”。在直接驱动风力涡轮中，发电机也可布置在塔架的逆风侧。风力涡轮转子(轮毂和叶片)和发电机的总重量提供了必须传递到塔架的显著弯曲负载。
风力涡轮转子上的空气动力负载也必须传递到塔架。此外，在操作中，可能出现侧向和/或前后振荡。例如，由于转子上的空气动力推力，可能出现前后振荡。在海上风力涡轮的情况下，波浪负载也可导致显著的振荡。
由于(弯曲)负载引起的振荡和潜在变形可损害空气间隙稳定性。空气间隙稳定性是风力涡轮构造和风力涡轮的传动系的构造的设计的驱动因素之一。例如，US2013/0134712公开了一种直接驱动风力涡轮，其通过布置在风力涡轮转子和发电机转子之间的阻尼器主动控制空气间隙。WO 2012/007185公开了一种风力涡轮构造，其包括转子轮毂和固定框架之间的两个轴承，以及发电机转子和发电机定子之间的一个或多个附加轴承。
另一个要考虑到的重要因素是在塔架的顶部上的结构的重量。在塔架的顶部上的结构的重量减轻可导致塔架和进一步的支撑结构(例如，风力涡轮基础、过渡件等)中的进一步的重量减轻。
设计的其它重要驱动因素包括可制造性、维护和组装传动系组件的能力以及由风力涡轮生成的电功率的能量成本。
在一些已知的风力涡轮构造中，轮毂和发电机转子连接到轴，该轴可旋转地安装在固定框架上。一个或多个轴承可设置在轴和固定框架之间。发电机的固定框架连接到风力涡轮的主框架。主框架可通过偏航系统连接到塔架。这样的构造例如从Veasy的70风力涡轮已知。Vensys 70构造和其它直接驱动风力涡轮构造在例如“Towards 100％RenewableEnergy”(第33-50页)中公开的Friedrich Klinger所著的“STATE OF THE ARTandNEWTECHNOLOGIES OFDIRECTDRIVE WIND TURBINES”中有所描述。
另外，Haliade-X海上风力涡轮具有传动系组件，其中前轴承布置在风力涡轮的轮毂内部。
考虑到不同要求和约束条件的风力涡轮的设计的优化是一项复杂的工程任务。此外，不同的设计变量相互依赖并以复杂的方式相互作用。因此，改进的设计通常不能通过专注于任何单一方面来实现，而是应当考虑到许多或所有不同的方面。
特别是对于例如具有12MW或更大的标称功率输出或额定功率的大型海上风力涡轮，风力涡轮构造和传动系结构的优化可能是复杂的。除了结构要求之外，还必须考虑到其它因素，诸如发电机的有效和高效冷却。
发明内容
在本公开的一个方面中，提供了一种用于风力涡轮的传动系组件。该组件包括转子轮毂和发电机。发电机模块包括发电机定子和用于支撑发电机定子的固定框架。发电机模块还包括发电机转子、用于支撑发电机转子的轴、以及用于将轴可旋转地安装在固定框架上的轴承组件。轴承组件包括前轴承和后轴承。在传动系组件中，轴可移除地连接到发电机转子，并且发电机模块的逆风端附接到转子轮毂的顺风端。
根据这个方面，提供了一种用于风力涡轮的传动系组件，与其中轴和固定框架相对于发电机转子和定子布置得更靠前(更“逆风”)的现有技术构造相比，该传动系组件可提高空气间隙稳定性。具有可移除地连接到发电机转子的可旋转地安装的轴的布置有利于传动系组件的制造和组装和维护。
发电机转子的逆风端在本文中可解释如下：当风力涡轮正常操作时，机舱和风力涡轮转子将与盛行风方向基本上一致。因此，风将从风力涡轮的逆风侧流到风力涡轮的顺风侧。发电机转子的逆风端可被认为是发电机转子的最远离逆风侧(即在塔架前方的最远处)定位的端部或端部部分。转子轮毂的顺风端可被认为是转子轮毂的最远离顺风侧定位的端部或端部部分。类似地，在纵向方向上延伸的其它风力涡轮部件可具有它们自己的逆风侧和逆风端，以及它们自己的顺风侧和顺风端。逆风端也可被认为是部件的前端，而部件的顺风端可被认为是后端。术语“逆风”和“上游”以及术语“顺风”和“下游”可能够互换使用。
传动系组件在本文中可被认为是将机械功率转换成电功率的部件的组件。在直接驱动风力涡轮中，传动系组件可大体上包括风力涡轮转子(转子轮毂和叶片)、发电机以及在两者之间将机械功率从风力涡轮转子传递到发电机的任何部件。
在另一个方面中，提供了一种风力涡轮，其包括根据本文中公开的任何示例的组件。风力涡轮还包括机舱，其中机舱布置在发电机模块的顺风侧处。
技术方案1.一种用于风力涡轮的传动系组件，包括：
转子轮毂；和
发电机模块，其中，所述发电机模块包括
发电机定子、用于支撑所述发电机定子的固定框架、发电机转子、用于支撑所述发电机转子的轴以及用于将所述轴可旋转地安装在所述固定框架上的轴承组件，其中
所述轴可移除地连接到所述发电机转子，并且其中
所述轴承组件包括前轴承和后轴承，并且其中
所述发电机模块的逆风端附接到所述转子轮毂的顺风端。
技术方案2.根据技术方案1所述的传动系组件，其中，所述轴径向地布置在所述固定框架的外部。
技术方案3.根据技术方案2所述的传动系组件，其中，所述前轴承的内环和/或所述后轴承的内环过盈配合到所述发电机模块的所述固定框架。
技术方案4.根据技术方案2或3所述的传动系组件，其中，所述前轴承的外环和/或所述后轴承的外环收缩配合到所述发电机模块的所述轴。
技术方案5.根据技术方案1至4中任一项所述的传动系组件，其中，所述前轴承和所述后轴承是单列锥形滚子轴承。
技术方案6.根据技术方案1至5中任一项所述的传动系组件，还包括夹环，所述夹环附接在所述固定框架的逆风侧处并构造成将预加载提供到所述轴承组件。
技术方案7.根据技术方案1至6中任一项所述的传动系组件，其中，所述前轴承和所述后轴承之间的纵向距离为1.5米或更大，并且特别地为2米或更大，并且更特别地其中，所述前轴承和所述后轴承之间的纵向距离在2米和2.5米之间。
技术方案8.根据技术方案1至7中任一项所述的传动系组件，其中，所述转子轮毂包括限定所述转子轮毂的所述顺风端的轮毂安装凸缘，并且所述轴包括限定所述发电机模块的所述逆风端的轴安装凸缘。
技术方案9.根据技术方案8所述的传动系组件，其中，所述轴安装凸缘包括环形安装平面和用于所述前轴承的轴承座。
技术方案10.根据技术方案8或9所述的传动系组件，其中，所述轴包括基本上圆柱形的部分，所述基本上圆柱形的部分将所述轴安装凸缘连接到用于将所述轴连接到所述发电机转子的凸缘。
技术方案11.根据技术方案10所述的传动系组件，包括在所述轴的内壁和所述固定框架的外壁之间的一个或多个增强件。
技术方案12.根据技术方案8至11中任一项所述的传动系组件，还包括布置在所述后轴承的顺风侧处的止动件。
技术方案13.根据技术方案8至12中任一项所述的传动系组件，其中，所述固定框架包括将所述固定框架与所述发电机定子连接的多个臂，并且其中，所述多个臂从所述固定框架径向地向外延伸并且基本上在径向平面内。
技术方案14.根据技术方案1至7中任一项所述的传动系组件，其中，所述转子轮毂包括限定所述转子轮毂的所述顺风端的轮毂安装凸缘，并且其中，所述发电机转子包括限定所述发电机模块的所述逆风端的发电机转子安装凸缘。
技术方案15.根据技术方案14所述的传动系组件，其中，所述发电机转子安装凸缘连接到所述轮毂安装凸缘和所述轴。
技术方案16.根据技术方案15所述的传动系组件，其中，多个紧固件延伸穿过所述发电机转子安装凸缘、所述轮毂安装凸缘和所述轴。
技术方案17.根据技术方案14至16中任一项所述的传动系组件，其中，所述固定框架是基本上截锥形的。
技术方案18.根据技术方案14至17中任一项所述的传动系组件，其中，所述后轴承轴向地布置在所述发电机定子的顺风侧处。
技术方案19.根据技术方案18所述的传动系组件，其中，所述固定框架包括将所述固定框架与所述发电机定子连接的多个臂，并且其中
所述多个臂从所述固定框架径向地向外和轴向地向前延伸。
技术方案20.根据技术方案1至19中任一项所述的传动系组件，其中，所述发电机转子径向地布置在所述发电机定子的外部。
技术方案21.根据技术方案1至20中任一项所述的传动系组件，包括在所述发电机转子和所述发电机定子之间的径向空气间隙。
技术方案22.根据技术方案21所述的传动系组件，其中，所述径向空气间隙的标称值在5-10mm的范围内。
技术方案23.根据技术方案21或22所述的传动系组件，其构造成使用冷却空气流来冷却，其中，所述冷却空气流被轴向地导向通过所述径向空气间隙。
技术方案24.根据技术方案1至23中任一项所述的传动系组件，其中，所述固定框架包括多个第一孔，并且所述轴包括多个第二孔，并且其中，所述第一孔和所述第二孔构造成接收锁定销，以将所述轴旋转地锁定到所述固定框架。
技术方案25.根据技术方案1至24中任一项所述的传动系组件，其中，所述发电机定子的定子结构具有前壁、基本上平行于所述前壁的后壁以及将所述前壁连接到所述后壁的定子边沿。
技术方案26.一种风力涡轮，包括：
塔架，
主框架，其可旋转地安装在所述塔架上；和
根据技术方案1至25中任一项所述的传动系组件，其中，所述传动系组件附接到所述主框架。
技术方案27.根据技术方案26所述的风力涡轮，还包括机舱，其中，所述机舱布置在所述发电机模块的顺风侧处。
技术方案28.根据技术方案26或27所述的风力涡轮，还包括构造成保护所述轮毂的外壁的保护盖。
技术方案29.根据技术方案26至28中任一项所述的风力涡轮，其中，所述风力涡轮是海上直接驱动风力涡轮。
技术方案30.根据技术方案26至29中任一项所述的风力涡轮，其中，所述风力涡轮具有12MW或更大的标称功率输出。
本公开的实施例的附加目的、优点和特征对于本领域技术人员在阅读说明书之后将变得显而易见，或者可通过实践了解。
附图说明
图1示意性地图示了风力涡轮的一个示例的透视图；
图2A示意性地图示了风力涡轮组件的示例的截面图；
图2B至图2C示意性地图示了图2A的风力涡轮组件的示例的若干详图；以及
图3示意性地图示了风力涡轮组件的另一个示例。
具体实施方式
现在将详细参考本教导的实施例，其一个或多个示例在附图中被图示。每个示例仅通过解释的方式而不是作为限制被提供。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本教导的范围或精神的情况下，可进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，意图是，本公开覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
图1是风力涡轮10的示例的透视图。在该示例中，风力涡轮10是水平轴式风力涡轮。在该示例中，风力涡轮10包括从在地面12上的支撑系统14延伸的塔架15、安装在塔架15上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的轮毂20和至少一个转子叶片22，至少一个转子叶片22联接到轮毂20并从轮毂20向外延伸。在该示例中，转子18具有三个转子叶片22。在备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。塔架15可由管状钢制成，以在支撑系统14和机舱16之间限定空腔(图1中未示出)。在备选实施例中，塔架15是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。根据备选方案，该塔架可为混合塔架，其包括由混凝土制成的部分和管状钢部分。另外，塔架可为部分格构塔架或全格构塔架。
转子叶片22围绕轮毂20间隔开，以有利于使转子18旋转，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。转子叶片22通过在多个负载转移区域26处将叶片根部部分24联接到轮毂20而配合到轮毂20。负载转移区域26可具有轮毂负载转移区域和叶片负载转移区域(二者在图1中均未示出)。诱导至转子叶片22的负载经由负载转移区域26转移到轮毂20。
在示例中，转子叶片22可具有从约15米(m)至约90m或更长的长度。转子叶片22可具有使得风力涡轮10能够如本文中所述起作用的任何合适的长度。当风从风向28冲击转子叶片22时，转子18围绕转子轴线30旋转。当转子叶片22旋转并受到离心力时，转子叶片22也受到各种力和力矩。照此，转子叶片22可从中性或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。
此外，转子叶片22的变桨角度(即确定转子叶片22相对于有效风的取向的角度)可由变桨系统32改变，以通过调整至少一个转子叶片22相对于风矢量的角向位置来控制由风力涡轮10生成的负载和功率。示出了转子叶片22的变桨轴线34。在风力涡轮10的运行期间，变桨系统32可特别改变转子叶片22的变桨角度，使得转子叶片(的部分)的迎角减小，这有利于减小旋转速度和/或有利于转子18的失速。
在该示例中，每个转子叶片22的叶片变桨由风力涡轮控制器36或由变桨控制系统单独地控制。备选地，所有转子叶片22的叶片变桨可由所述控制系统同时控制。
此外，在该示例中，当风向28改变时，机舱16的偏航方向可围绕偏航轴线38旋转，以相对于风向28定位转子叶片22。
在该示例中，风力涡轮控制器36示出为集中在机舱16内，然而，风力涡轮控制器36可为遍布风力涡轮10、在支撑系统14上、在风电场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。风力涡轮控制器36包括处理器40，处理器40配置成执行本文中描述的方法和/或步骤。此外，本文中描述的许多其它部件包括处理器。
如本文中所用，术语“处理器”不限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是广义地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。应当理解，处理器和/或控制系统也可包括存储器、输入通道和/或输出通道。
图2A示意性地图示了附接到风力涡轮的主框架的传动系组件的示例的截面图。图2B示出了该示例的发电机模块，并且旨在图示传动系的组装的方法。图2C示出了该示例的发电机模块的固定框架的等距视图。现在将更详细地描述图2A至图2C的示例。
图2A图示了用于风力涡轮的传动系组件100。传动系组件100包括转子轮毂20和发电机模块120。发电机模块120包括发电机定子130和用于支撑发电机定子130的固定框架166。发电机模块120还包括发电机转子122、用于支撑发电机转子122的轴140以及用于将轴140可旋转地安装在固定框架168上的轴承组件。轴承组件包括前轴承162和后轴承164。发电机模块的逆风端附接到转子轮毂的顺风端。
发电机模块120因此包括旋转结构(发电机转子122和轴140)、固定结构(固定框架166和发电机定子130)和轴承组件。本文中公开的发电机模块的部件可相对于其它风力涡轮部件单独地预组装和测试。
在该示例中，转子轮毂20包括限定转子轮毂的顺风端的轮毂安装凸缘27，并且发电机模块120包括限定发电机模块的逆风端的发电机安装平面141。如在图2A中可看到的，转子轮毂20完全布置在发电机模块120的逆风侧。换句话说，发电机模块120完全布置在转子轮毂20的顺风侧。
轮毂20可包括三个安装凸缘或负载转移区域26，叶片(图2中未示出)可附接到该安装凸缘或负载转移区域26。如参考图1所述，叶片中的每个可经由变桨系统连接到轮毂20。
在轮毂的逆风侧29处，可安装鼻锥或“桨毂盖”。在轮毂的顺风侧处，轮毂20包括环形轮毂安装凸缘27。在图2的示例中，轴140包括用于附接到环形轮毂安装凸缘27的轴安装凸缘145。发电机安装凸缘的前表面或逆风表面可形成发电机安装平面141。
由于发电机安装平面141在转子轮毂的顺风侧结合在轴140中，可获得比在一些现有技术构造中更大的适合于将轴140连接到轮毂的平坦表面区域。类似地，在转子轮毂20的顺风端处可获得更大的平坦表面区域。
轴140在该示例中包括用于支撑前轴承162的前轴承座142。轴140还包括环形的、径向延伸的轴安装凸缘145。其前(或“逆风”)表面的外壁限定环形安装平面141。可使用任何合适的紧固件将轴140在安装平面141处附接到安装凸缘27。特别地，可使用螺栓。
轴140在该示例中还包括基本上圆柱形的部分144，该圆柱形的部分144将轴安装凸缘145连接到用于连接到发电机转子122的轴的凸缘149。
将轴140的基本上圆柱形的部分144附接到轴安装凸缘145的方面是，在轴140的内壁197和固定框架166的外壁199之间形成显著的环形空间。形成的环形空间可用于各种目的。在示例中，结构增强件可包括在该环形空间中。
发电机转子122可移除地连接到轴140。例如，在轴的凸缘149和发电机转子122的凸缘128处的螺栓连接。
通过使发电机转子122和轴140之间的连接可移除，可有利于制造。发电机转子可具有例如6-8米的外径。为了有利于制造，发电机转子122可分段制造。例如，可使用并单独地制造两个、三个或更多个区段。每个区段可形成环扇段。
然后，这些区段可彼此组装以形成发电机转子。每个区段可通过金属铸造来制造。例如，可使用球墨铸铁铸造。轴也可通过金属铸造单独地制造为一体件。例如，可使用铸造球墨铸铁或钢铸造。通过单独地制造轴和发电机转子122，可简化制造过程。
在图示示例中，轴还包括渐缩或截锥部分148。截锥部分148将轴的凸缘149连接到后轴承座143。后轴承座143支撑后轴承164。轴140在该示例中还包括环形延伸部或环147，其包括若干孔183。这里将参考固定框架166中的对应孔来描述这些孔的功能。环147还可包括多个减轻重量的孔189。
发电机模块120包括发电机转子122和发电机定子130。如此前所提及的，发电机转子122可移除地附接到轴140。发电机转子122在该示例中还包括径向向外延伸的前盖126。前盖126在前侧或逆风侧处封闭发电机。前盖126还构造成支撑外转子边沿124。
外转子边沿124在该示例中承载电磁元件。在具体示例中，发电机可为永磁发电机，其中发电机转子承载永磁体，并且发电机定子承载多个线圈。磁体可布置在永磁体模块中。在操作中，带有永磁体的转子的旋转运动将在绕组中引起变化的磁场，这在绕组中引起电流。
发电机定子130在该示例中包括连接到固定框架166的定子结构131。定子结构131可在径向截面上为基本上U形的。定子结构131可包括连接在前(或“逆风”)壁138和后(或“顺风”)壁136处的定子边沿133。前壁136和后壁138可基本上平行。在定子130的径向截面中，定子边沿133和壁136、138一起限定U形。定子结构131还可包括多个径向布置的内定子加强件135。
后壁138可包括多个径向向内延伸的凸缘。发电机定子130可在这些凸缘处连接到固定框架166的臂134。因此，定子130可仅在定子的顺风端处被支撑并形成悬臂结构。
发电机定子130还包括布置在定子边沿133处(即，沿着定子的外圆周)的多个线圈132。在线圈132和永磁体之间，限定径向空气间隙。在所公开的示例中，发电机转子122径向地布置在发电机定子130的外部，但是在其它示例中，发电机转子可能径向地布置在定子的内部。
在图示示例中，电磁元件(线圈和磁体)可使用通过空气间隙的轴向冷却空气流来冷却。特别地，在图示示例中，多个冷空气入口可布置在后壁138处。冷空气可通过设置在内定子加强件135中的孔沿着定子130的圆周分布。内定子加强件135中的孔可充当冷却空气分配孔口。
冷空气可在前壁136处离开定子130，并且朝向空气间隙被导向或引导。冷空气可从逆风侧轴向地穿过空气间隙流到顺风侧。当冷却空气流过空气间隙时，它可冷却电磁元件。冷却空气继而变热。加热的冷却空气可通过多个空气出口在后壁138处离开发电机。
在一些示例中，在朝向定子130的后壁138处的入口流回之前，加热的冷却空气可在热交换器中接着再次被冷却。可使用任何合适的热交换器，例如，液体-空气热交换器。
类似地，对于发电机转子122，发电机定子130和特别地定子结构131也可制造成单独的区段(例如，两个、三个或更多个区段)，这些区段附接到彼此以形成发电机定子130的定子结构131。
在图示示例(具体参考图2C)中，发电机模块120的固定框架166包括支撑前轴承162的前轴承座167、用于支撑后轴承164的后轴承座169以及在前轴承座和后轴承座之间的基本上圆柱形的部分175。
固定框架166在该示例中还可包括多个臂134。臂134径向地向外延伸并将固定框架166连接到发电机定子130。在该示例中，臂134基本上沿着径向平面径向地向外延伸，即，臂不以显著的方式向前或向后延伸。
为了将固定框架166连接到发电机定子，臂134可包括多个紧固件孔178。合适的紧固件(诸如例如螺栓)可用来将固定框架166连接到发电机定子130。更特别地，在该示例中，固定框架166连接到发电机定子130的定子结构131。并且在该具体示例中，提供了六个臂134，但是将清楚的是，在其它示例中，可使用任何其它合适数量的臂134。
臂134可与固定框架166一体地形成，例如作为单件铸件。在其它示例中，臂134可单独地制造，并且固定地或可移除地附接到固定框架。在图示示例中，臂134形成有带有侧壁179的C形截面。在其它示例中，可使用其它合适的形状。
固定框架可包括多个第一孔，并且轴包括多个(对应的)第二孔。第一孔和第二孔可构造成接收锁定销，以将轴旋转地锁定到固定框架。
臂134可包括用于接收锁定销的多个第一孔181。为了执行某些维护任务，风力涡轮转子可能需要牢固地锁定在适当的位置。发电机模块的轴140可包括多个第二孔183。在该特定示例中，轴140包括结合有孔183的环187。
当风力涡轮转子要被锁定在适当的位置时，第二孔183中的一个或多个可与固定框架中对应的第一孔181对齐。可在对应的第一孔181和第二孔183的对中的一个中引入锁定销，以便将发电机转子122锁定到位。在示例中，可使用多个锁定销，其被引入对齐的第一孔181和第二孔183的对中。由于风力涡轮转子连接到轴，整个传动系可被锁定，从而可安全地执行维护和/或检查任务。
固定框架166还可包括终止于安装凸缘139的向外渐缩部分137，即，固定框架166沿着该部分的直径在顺风方向上增加。安装凸缘139限定安装平面172。传动系组件100(并且更特别地，组件100的发电机模块120)可在由固定框架166的凸缘139限定的安装平面172处附接到风力涡轮的主框架150。
在一些示例中，固定框架166可由铸造球墨铸铁制成。
在本公开的另一个方面中，提供了一种风力涡轮，其包括根据本文中公开的任何示例的传动系组件。风力涡轮可为陆上风力涡轮或海上风力涡轮。在海上风力涡轮的情况下，海上风力涡轮可为固定的或浮动的。
风力涡轮的主框架150可能够旋转地安装在塔架(图2A中未示出)上。主框架150构造成支撑传动系组件100并将所有相关负载传递到风力涡轮塔架。
主框架150可包括由偏航轴承支撑的环形凸缘152。合适的偏航系统(未示出)可用来相对于塔架旋转主框架(和整个上塔架结构)，使得在操作中风力涡轮转子可与盛行风向一致。另外，当需要时，风力涡轮转子可背离风向旋转，例如在故障的情况下。
风力涡轮还可包括机舱(图2中未示出)。机舱可布置在发电机模块120的顺风侧，即机舱不包围发电机模块。机舱可封闭电力设备(例如，转换器、变压器、照明)、机械设备(起重机或升降机、在安装期间使用的平台)和/或其它设备(空调、热交换器、通信系统)，并且可附接到机器的中央框架。例如，可使用螺栓将机舱连接到中央框架。机舱可包括壳体，该壳体保护内部的电力和机械设备免受潮湿和/或腐蚀性室外环境的影响。
在该特定示例中，止动件170可布置在后轴承164的顺风侧处。止动件170可具有基本上平坦的前表面，其允许在组装期间后轴承164的安全定位。因此，固定框架166可在该区域中更圆，并且可避免或至少减少固定框架166中的局部应力集中。
前轴承162和后轴承164使轴140能够围绕旋转轴线RA旋转，并且将负载从风力涡轮转子传递到固定框架166。将通过轴承162、164传递的负载包括例如轴向负载(例如，风力涡轮转子上的空气动力推力)和径向负载(例如，由于发电机中的电磁力或由于定位在轴承的逆风侧的风力涡轮转子的重量引起的负载)。轴140布置成径向地包围固定框架，并且轴承162、164径向地布置在固定框架和轴140之间。
增加前轴承162和后轴承164之间的(纵向)距离提高了轴承吸收和传递弯曲负载的能力。换句话说，如果轴承放置得相隔更远，则对轴承的机械要求可降低。在示例中，前轴承和后轴承之间的距离可为1.5米或更大，并且特别地为2米或更大。轴承之间的纵向距离可沿着纵向方向(即沿着或平行于旋转轴线RA)测量。
通过将前轴承162和后轴承164两者布置在轮毂的顺风侧，它们定位得更靠近发电机转子和定子。因此，可提高发电机转子122和定子130的电磁元件之间的空气间隙稳定性。风力涡轮转子中可能出现的振荡和其它运动对空气间隙将具有较小的影响。提高的空气间隙稳定性可导致发电机的更紧凑的设计，这可减轻传动系的总重量。发电机的重量的减轻可导致塔架和塔架支撑结构的进一步的重量减轻。
在一些示例中，发电机转子122和发电机定子130之间的径向空气间隙的标称值在5-10mm的范围内，特别地在6mm和8mm之间。根据发电机的设计，即在没有由例如空气动力负载或电磁负载引起的变形或振荡的情况下，空气间隙的标称值在本文中可被视为空气间隙的平均宽度。通过将轴承定位成更靠近发电机转子和定子，即使对于具有12MW或更高的标称额定功率的风力涡轮，也可实现5-10mm的空气间隙。在风力涡轮的正常操作(即，在没有故障的情况下的操作)期间，轴承的布置和结构的整体刚度确保负载和振荡有效地传递到塔架，并且空气间隙在所有操作条件下以及沿着发电机的整个圆周保持其标称值的至少50％。
在一些示例中，前轴承162和后轴承164可为单列锥形滚子轴承。两个单列锥形滚子轴承可支撑和传递所有相关的力和力矩。
与使用例如双锥形滚子轴承相比，两个单列锥形滚子轴承的组合可具有减轻的重量和改进的轴向和径向引导。在所示的示例中，前轴承162和后轴承164可定位成比在一些现有技术构造中更向顺风侧(更向后)，这增加了轴承162、164需要能够承受的弯曲负载。通过选择单列锥形滚子轴承，由于更向后定位而导致的重量增加可至少部分地被补偿。
轴承162、164中的每个包括内环(或内“滚道”)、外环(或外“滚道”)和在内环和外环之间的一个或多个滚动元件。在单列锥形滚子轴承的情况下，可使用单列滚子(例如，基本上圆柱形的滚子)。轴承162、164的内环和外环由高级钢制成，并且由于它们的功能而在强度、刚度和机加工公差方面具有非常高的要求。特别地，用于轴承的内环和外环的钢是比用于铸造固定框架166和/或轴140的铁或钢更高等级的钢。
可参考图2B图示传动系组件100的组装过程的示例。固定框架166可设置在平坦(地)表面上。止动件170可布置在固定框架166周围。例如，止动件170可被提升到固定框架166上方，并且然后降低，直到止动件搁靠固定框架166的向外渐缩部分137。
随后，后轴承164的内环可以类似的方式降低，直到它搁靠止动件170。后轴承的内环可与固定轴过盈配合。后轴承的内环被推到其位置，并且基于后轴承162的内环和固定框架之间的摩擦形成允许转移负载的接头。在示例中，可使用收缩配合。在这种情况下，后轴承162的内环可在围绕固定框架安装之前被加热。后轴承162的内环可包括滚子。由于热量，轴承环膨胀，并且因此可配合在固定框架周围。当轴承环冷却时，在固定框架和轴承之间形成紧密配合。在任一情况下，轴承(环)可移除地装配到固定框架。在安装之后，轴承环可在需要时被移除。例如，如果在组装期间发现偏差，则轴承(环)可被移除，从而可校正其位置。另外，在损坏或过早磨损的情况下，轴承(环)可被移除。
在其它示例中，轴承可以其它方式可移除地附接到固定框架166。例如，可使用螺栓连接。
在下一步骤中，承载前轴承162和后轴承164的外环的轴140可安装在固定框架166周围。在此之前，轴140与轴承的外环装配在一起。在一些示例中，外环可使用过盈配合来安装。
在示例中，外轴承环可被收缩配合。轴140的轴承座的区域可被加热，使得它们膨胀，并且然后可装配轴承的外环。当轴140冷却时，在外轴承环和轴140之间形成基于摩擦的接头，该接头允许通过接口传递负载。轴承环与轴140的组装可在将内轴承环安装在固定框架上之前、之后或同时被执行。
一旦轴140已经装配有外轴承环，并且固定框架已经装配有后轴承的内环(带有滚子)，轴组件可被升高并装配在固定框架上。轴被引导或向下推动，直到后轴承164的外环与滚子和后轴承的内环接合以形成后轴承164。
前轴承162的内环可在下一步骤中组装。内环可承载轴承的滚子。可使用过盈配合或用于连结的其它方法。在具体示例中，内环被加热，使得其膨胀并且然后被装配在固定框架周围。当内环冷却时，在固定框架和前轴承162之间形成基于摩擦的接头。
在示例中，在内环的固定之后，可将预负载施加到系统，以补偿任何间隙并确保轴承组件的正确操作。在图示示例中，夹环180用于预加载轴承组件。可测量松度或间隙，并且基于该测量，可选择具有合适厚度的多种垫片。垫片可布置在夹环180和前轴承162的内轴承环之间或者在夹环180和固定框架166的前表面之间。然后可将夹环螺栓连接到固定框架。通过拧紧螺栓，轴向力被施加在夹环上，夹环可轴向地移位，并且前轴承162的内环被推向后轴承164。后轴承不能轴向地移动，因为内环通过止动件170和固定框架166固持在其位置。因此，轴承组件可用合适的预加载来压缩。
在轴140与固定框架166的组装之后，可组装发电机转子和定子。在示例中，接下来可安装包括线圈和电缆的发电机定子130。随后，可安装发电机转子122。在示例中，可安装不带有永磁体的发电机转子122。如果磁体没有安装在发电机转子122上，则可有利于发电机转子122与发电机定子130的组装。在转子结构已经与定子130组装之后，可安装永磁体。可使用永磁体模块。在示例中，永磁体模块可在轴向方向上滑动并固定到转子的边沿。
一旦磁体已安装在转子上，发电机模块就已完全组装好，并且可测试发电机模块。这样的测试可在没有与任何其它部件的任何连接的情况下被执行。
在发电机模块120的完全组装之后，转子轮毂20可附接到发电机模块120。转子轮毂20与发电机模块的连结可被竖直地执行，即，固定框架仍然可竖直地取向，如图2B中所示。在轴140、发电机定子130和发电机转子122的安装之后，轮毂可接着被提升和降低到发电机模块上。在该示例中，轴140可附接到轮毂20。
在传动系组件100已经组装之后，传动系组件可被提升和旋转并安装在主框架150上。在示例中，用于提升传动系组件100的吊装设备可抓住轮毂20，轮毂20可比例如发电机的零件更硬和更强。在其它示例中，发电机模块120可首先附接到主框架150，并且随后，转子轮毂20可安装在发电机模块120的逆风侧处。
图3示意性地图示了用于风力涡轮的传动系组件200的另一个示例。传动系组件200可附接到风力涡轮的主框架150。对于图2的示例，主框架150可在环形凸缘152处附接到偏航系统。因此，主框架150可能够旋转地安装在风力涡轮塔架上，并且可旋转以根据期望使主框架150(和整个上塔架结构)沿风向或偏离(outof)风向取向。
大体上，根据图3的示例的传动系组件200具有与传动系组件100相同的许多元件。因此，对于图3的示例，将不重复对传动系组件的全部描述。相反，在下文中，将突出与图2的示例不同的图3的示例的一些方面。
传动系组件200包括轮毂20和发电机模块220。发电机模块220包括发电机转子222和发电机定子230。发电机模块220还包括支撑发电机定子230的固定框架266。并且，发电机转子222可移除地附接到轴240。轴240可旋转地安装在固定框架266上。
如在前面的示例中，轴承组件包括前轴承262和后轴承264，并且发电机模块的逆风端附接到转子轮毂的顺风端。转子轮毂可包括限定转子轮毂的顺风端的轮毂安装凸缘27，并且发电机220包括限定发电机模块的逆风端的发电机安装平面235。在该示例中，发电机转子222包括由发电机转子安装凸缘228的逆风(前)端限定的发电机安装平面235。
发电机转子安装凸缘228可连接到轮毂安装凸缘227和轴240。多个紧固件可布置成延伸穿过轮毂安装凸缘27、发电机转子安装凸缘228和轴240的一部分。紧固件可布置在轮毂安装凸缘27、发电机转子安装凸缘228和轴240的对应通孔中。可使用合适的螺栓。
在其它示例中，第一组紧固件可用来将轮毂20连接到发电机转子222。这些第一组紧固件可布置在轮毂20的通孔和发电机转子安装凸缘228中的盲孔中。可使用合适的螺柱。第二组紧固件(例如，螺柱)可用来将轴连接到发电机转子安装凸缘228。轴可包括通孔，并且发电机安装凸缘可包括对应的盲孔。该示例的一个方面是，轮毂20可从传动系组件的其余部分拆卸，同时保持发电机转子222和轴240连接。
在该示例中，固定框架266可为基本上截锥形的。固定框架可沿着其长度的一部分或者基本上沿着其整个长度(如在图示示例中)为截锥形的。在固定框架266的逆风端处，布置前轴承座267以支撑前轴承262，并且可在固定框架266的顺风端附近布置用于支撑后轴承264的后轴承座269。
固定框架266可包括安装凸缘239以连接到主框架150的安装凸缘154。
轴240可包括形成前轴承座242的前凸缘和径向向外延伸的环形部分，发电机可安装到该环形部分。轴240还可包括稍微渐缩的中心部分244：轴的直径在顺风方向上稍微减小。中心部分244终止于支撑后轴承264的后轴承座243处。
后轴承264可轴向地布置在发电机定子230的顺风侧处。因此，在该示例中，后轴承264布置在发电机定子230的顺风侧处，并且前轴承262布置在发电机定子230的逆风侧处。可提高空气间隙稳定性。
如在前面的示例中，前轴承262和后轴承264之间的纵向距离可超过2米。
在该示例中，固定框架266包括将固定框架266与发电机定子230连接的多个臂234，并且多个臂234从固定框架266径向地向外和轴向地向前延伸。如在前面的示例中，臂234可连接到发电机定子230的定子结构231。固定框架可包括例如6个或8个或任何其它合适数量的臂234。臂234可与固定框架一体地形成，或者可单独地制造并固定地或可移除地附接到固定框架266。
如在前面的示例中，风力涡轮可包括布置在发电机模块220的顺风侧的机舱(未示出)。
尽管这在上述示例中的任一个中均未图示，但是风力涡轮可包括保护罩或盖，该保护罩或盖构造成保护轮毂的外壁免受例如紫外线、冰雹或直接雨水冲击的影响。这样的保护罩或盖可布置在轮毂的至少一部分或整个轮毂周围，并且在罩和轮毂之间具有间隔。
本书面描述使用示例来公开本教导，包括优选实施例，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本文中公开的教导，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有无实质性差别的等同结构要素，则此类其它示例旨在落入权利要求书的范围内。本领域普通技术人员可混合和匹配来自所描述的各种实施例的方面以及每个这样的方面的其它已知等同物，以根据本申请的原理构造附加的实施例和技术。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮的传动系组件，包括：
转子轮毂；和
发电机模块，其中，所述发电机模块包括
发电机定子、用于支撑所述发电机定子的固定框架、发电机转子、用于支撑所述发电机转子的轴以及用于将所述轴可旋转地安装在所述固定框架上的轴承组件，其中
所述轴可移除地连接到所述发电机转子，并且其中
所述轴承组件包括前轴承和后轴承，并且其中
所述发电机模块的逆风端附接到所述转子轮毂的顺风端。
2.根据权利要求1所述的传动系组件，其中，所述轴径向地布置在所述固定框架的外部。
3.根据权利要求2所述的传动系组件，其中，所述前轴承的内环和/或所述后轴承的内环过盈配合到所述发电机模块的所述固定框架。
4.根据权利要求2或3所述的传动系组件，其中，所述前轴承的外环和/或所述后轴承的外环收缩配合到所述发电机模块的所述轴。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传动系组件，其中，所述前轴承和所述后轴承是单列锥形滚子轴承。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传动系组件，还包括夹环，所述夹环附接在所述固定框架的逆风侧处并构造成将预加载提供到所述轴承组件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传动系组件，其中，所述前轴承和所述后轴承之间的纵向距离为1.5米或更大，并且特别地为2米或更大，并且更特别地其中，所述前轴承和所述后轴承之间的纵向距离在2米和2.5米之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传动系组件，其中，所述转子轮毂包括限定所述转子轮毂的所述顺风端的轮毂安装凸缘，并且所述轴包括限定所述发电机模块的所述逆风端的轴安装凸缘。
9.根据权利要求8所述的传动系组件，其中，所述轴安装凸缘包括环形安装平面和用于所述前轴承的轴承座。
10.根据权利要求8或9所述的传动系组件，其中，所述轴包括基本上圆柱形的部分，所述基本上圆柱形的部分将所述轴安装凸缘连接到用于将所述轴连接到所述发电机转子的凸缘。
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