CN103883484B - 柔性驱动轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性驱动轴。具体地，一种用于增加风力涡轮机的转子的转速的动力传输***(10)具有：能够被转子毂(106)围绕主轴线(11)驱动的转子轴(1)；具有齿轮箱输入构件(7)的增速齿轮箱；支承转子轴(1)和齿轮箱的支承结构(6)；以及在逆风端连接到转子轴(1)并在顺风端连接到齿轮箱输入构件(7)的主轴(2)。本发明特征在于，主轴(2)在逆风端连接到转子轴(1)的逆风端。主轴(2)沿着主轴线(11)在转子轴(1)内侧顺风延伸，并在响应于围绕主轴线的力矩以外的载荷方面具有比转子轴(1)、齿轮箱壳体(4)和支承结构(6)大的柔性。这意味着转子轴(1)和齿轮箱输入构件(7)之间的径向和倾斜不对准得到适应。

Description

柔性驱动轴

技术领域

本发明涉及用于风力或者水力涡轮机的动力传输***。更具体地，本发明涉及一种用于将转矩从风力涡轮机的转子传递到齿轮箱同时使得结构偏差和制造公差的负作用最小的布置。

背景技术

风力涡轮机传动系通常包括支承在转子轴上的空气动力学转子，转子轴本身支承在一个或多个轴承上，轴承相对于涡轮机结构支承轴同时允许围绕转子轴线转动。转子轴连接到增速齿轮箱，其通常包括多个行星和/或平行齿轮级。该齿轮箱的输出然后通过另一轴连接到产生电输出的发电机。

除了引起围绕主轴线转动的转矩载荷，转子轴还受到离轴线载荷，主要是围绕与主轴线垂直的轴线的力矩。这些载荷造成转子轴和支承结构的偏转。如果这些载荷和偏转被传递到齿轮箱，它们会对齿轮和轴承具有损害作用，导致过早失效。

历史上看，这已导致这样的涡轮机设计，其中齿轮箱的重量主要通过转子轴和齿轮箱输入构件之间的刚性连接支承，且齿轮箱壳体和涡轮机结构之间具有第二连接，该第二连接被设计成只抵抗围绕主轴线的转矩，同时允许整个齿轮箱响应于转子轴的偏转而在其他方向上***，由此防止在齿轮箱自身中产生有害的力。

随着涡轮机动力输出增加，该方法变得不那么有效。增加的输入转矩和增加的齿轮箱质量的需求要求转子轴和齿轮箱输入构件之间的连接部非常大，并且由于螺栓或者重型干涉配合的数量非常多，组装耗时。另外，增加的齿轮箱质量(特别是在认为将发电机直接安装到齿轮箱的顺风端是有利时)向将齿轮箱输入构件支承在齿轮箱壳体中的轴承中引入了非常高的载荷。

因此，可以认为将齿轮箱直接并基本刚性地安装到台板是有利的。这减少了上述问题，但需要结合适应结构偏转、制造公差和会引起齿轮箱输入构件关于转子轴不对准的其他影响的一些其他措施。

这种补偿在一些现有设计中通过在转子轴和齿轮箱输入构件之间的连接部中包含弹性体元件来实现。由于这些元件比传动系的其他元件的硬度低得多，可以适应所述不对准而不产生高的反作用载荷。然而，由于反复加载、大气和流体污染以及暴露于紫外线造成的退化，目前的弹性体技术不能匹配风力涡轮机所需的(通常)20年设计寿命。这就需要在涡轮机寿命内进行反复更换。

多种其他的现有设计通过使用特定联接件来补偿不对准和偏转，该联接件包括与每个部件相关的一组径向突出的齿和具有两组径向突出齿的中间部件，其中一组接合与转子轴相关的齿，另一组接合与齿轮箱输入构件相关的齿。通过向每个匹配齿对应用特定的几何结构，可以布置成使得每组齿允许围绕着与主轴线垂直的轴线转动，并且作为完整联接件，这些转动的效果结合起来允许沿着垂直于主轴线的轴线平移。这种联接件通常称为“齿轮联接件”，除了在现有风力涡轮机中的使用外，它们是适应范围广泛的工业应用中的不对准的常见方法。然而，它们比用于转子轴与齿轮箱连接的其他已知方法明显更加复杂，引入了许多额外部件并需要良好润滑。由于它们的操作模式涉及两个金属表面之间的滑动，因此它们将受到磨损。因此，它们在本应用中的使用对于涡轮机在其设计寿命上的可靠性而言具有风险。

因此，可以看到，允许齿轮箱直接安装到涡轮机结构且又允许在没有弹性体元件或滑动/磨损部件的情况下在转子轴和齿轮箱输入构件之间进行连接的发明对于设计更大功率等级的可靠风力涡轮机来说是有利的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于增加风力涡轮机的转子毂的转速的动力传输***，其包括：能够被转子毂围绕主轴线驱动的转子轴；具有齿轮箱输入构件的增速齿轮箱；支承转子轴和齿轮箱的支承结构；以及在逆风端连接到转子轴并在顺风端连接到齿轮箱输入构件的主轴。本发明的特征在于，主轴在逆风端连接到转子轴的逆风端。主轴沿着主轴线在转子轴内侧顺风延伸，并在响应于围绕主轴线的力矩以外的载荷方面具有比转子轴、齿轮箱壳体和支承结构大的柔性。这意味着转子轴和齿轮箱输入构件之间的径向和倾斜不对准得到适应

优选地，支承结构包括支承转子轴围绕主轴线转动的轴承布置，所述轴承布置抑制转子毂和转子轴在受到围绕传动系的主轴线的转矩以外的载荷时的运动。这意味着该轴承布置允许转子轴围绕主轴线转动同时限制其他方向的运动。这意味着除了围绕主轴线的力矩以外的转子毂上的所有载荷经过转子轴、转子轴承以及转子轴壳体传递到支承结构。

优选地，支承结构包括转子轴壳体，并且轴承布置位于转子轴壳体和转子轴之间。优选地，轴承布置包括至少一个轴承。

优选地，主轴具有比转子轴、齿轮箱输入构件、转子轴壳体或者齿轮箱壳体小的直径。这意味着主轴的硬度相应较低，因此当由于制造公差、传动系的差别热膨胀、整个结构在载荷下的偏转或者任何其他因素而在转子轴和齿轮箱输入构件之间存在径向和倾斜不对准时，这种不对准将大部分通过主轴的偏转适应，只有小部分将造成齿轮箱输入构件及相关齿轮和轴承偏转。该好处可通过将主轴的长度增加至可用包装空间所容许的最大程度来最大化。

优选地，齿轮箱包括刚性连接到支承结构的齿轮箱壳体。优选地，齿轮箱包括刚性连接到转子轴壳体的齿轮箱壳体。

优选地，齿轮箱壳体包括能够支承齿轮箱输入构件围绕主轴线转动的一个或多个轴承。这意味着允许围绕主轴线的转动但其他方向的运动被限制。优选地，允许齿轮箱输入构件沿主轴线进行一定程度的平移以补偿转动部分相对于齿轮箱壳体/转子轴壳体的热膨胀。

优选地，主轴的逆风端刚性连接到转子轴，主轴的顺风端刚性连接到齿轮箱输入构件，由此围绕传动系的主轴线的力矩通过驱动轴从转子轴传递到齿轮箱输入构件。

优选地，主轴借助中间部件连接到转子轴。优选地，中间部件具有比转子轴和支承结构大的柔性。

优选地，主轴借助中间部件连接到齿轮箱输入构件。优选地，第二中间部件包括面键连接。

根据本发明的另一方面，提供一种风力涡轮机。

附图说明

现在将参考附图仅通过例子对本发明进行描述，其中：

图1是风力涡轮机的一个例子的透视图；和

图2显示本发明的动力传输***。

具体实施方式

图1是风力涡轮机的一个例子的透视图。尽管显示了离岸风力涡轮机，但应该注意下面的描述能够应用于其他类型的风力涡轮机。风力涡轮机102包括安装到毂106的转子叶片104，毂106通过塔架112上的舱108支承。风引起转子叶片104和毂106围绕主轴线11转动(图2)。该转动能量被传递到容纳在舱108内的图2所示类型的动力传输***。

图2显示包括转子轴1的风力涡轮机传动系，转子轴通过凸缘13支承转子毂106(图1)。转子轴1通过逆风转子轴承10和顺风转子轴承9支承在转子轴壳体3内，逆风转子轴承10和顺风转子轴承9一起允许转子轴1围绕主轴线11转动同时限制其他方向的运动。在本发明的环境下，术语“逆风”和“顺风”假定主轴线11以风的方向取向，因此转子毂106和凸缘13在传动系的“逆风”端，而发电机5在传动系的“顺风”端。转子轴壳体3连接到支承结构6，支承结构6借助偏航机构连接到塔架(塔架和偏航机构没有显示)。这种布置的结果是除了围绕主轴线11的力矩以外的转子毂102上的所有载荷经过转子轴1、转子轴承9和10以及转子轴壳体3传递到支承结构。本领域技术人员明白实现这种结果的其他布置，例如，可以使用两个以外的多个转子轴承，或者转子轴壳体3和支承结构6可组合成单个部件。

转子轴壳体3还借助转子轴壳体3的顺风端与齿轮箱壳体4的逆风部分之间的螺栓连接支承齿轮箱壳体4。齿轮箱壳体4借助齿轮箱壳体4的顺风部分和发电机壳体的逆风部分之间的类似螺栓连接支承发电机5。在本发明的其他实施方式中，齿轮箱、发电机5或者这两者可替代地通过直接连接到支承结构来支承。

齿轮箱包括齿轮箱输入构件7，其通过一个或多个轴承14支承在齿轮箱壳体4内，从而允许围绕主轴线转动同时限制其他方向运动，或者任选地允许沿着主轴线11进行一定程度的平移，从而补偿转动部分相对于齿轮箱壳体4/转子轴壳体3的热膨胀。在图2所示的实施方式中，齿轮箱输入构件7是行星齿轮级的行星架。

从转子轴1到齿轮箱输入构件7的转矩传输借助主轴2，其以基本刚性的形式连接到转子轴1和齿轮箱输入构件7。在图2所示的实施方式中，在主轴2的逆风端，借助集成到转子轴的盘或者锥形区段12直接进行到转子轴1的连接。在主轴2的顺风端，连接借助齿轮箱输入构件7和主轴2之间的圆柱形界面上的干涉配合实现。描述的干涉配合将主轴2连接到中间部件8，中间部件8又具有到齿轮箱输入构件7的进一步基本刚性的连接。该进一步连接可形成为使用中间部件8和输入构件7的配合面中的突起和凹部***传递转矩。这种布置在本发明中被限定为“面键”连接。

将会明白，这些连接可通过其他方法实现同时保持本发明的功能。例如，与逆风连接相关的所述盘或者锥形区段12可与主轴2而不是转子轴1整体制造，或者可以是通过进一步连接附接到转子轴1的单独部件。类似地，与顺风连接相关的中间部件8可与主轴2或者齿轮箱输入构件7整体制造。部件之间的连接可通过圆柱形干涉配合以外的其他措施形成，例如螺栓、键沟或者渐细界面上的干涉配合或者任何其他基本刚性的连接手段。

主轴2的直径远远小于转子轴1、齿轮箱输入构件7、转子轴壳体3或者齿轮箱壳体4。结果，其硬度相应较低，因此当由于制造公差、传动系的差别热膨胀、整个结构在载荷下的偏转或者任何其他因素而在转子轴1和齿轮箱输入构件7之间存在径向和倾斜不对准时，这种不对准将大部分通过主轴2的偏转适应，只有小部分将造成齿轮箱输入构件7及相关齿轮和轴承偏转。该好处可通过将主轴2的长度增加至可用包装空间所容许的最大程度来最大化。

另外的好处可通过降低结构的其他部分的硬度来实现。特别地，转子轴12的支承主轴2的区段可被设计成响应于围绕垂直于主轴线11的轴线的力矩而减小其硬度。这可允许主轴2相对于转子轴1倾斜，并增加传动系适应不对准而不负面影响齿轮箱中的齿轮和轴承的能力。类似的效果可通过响应于围绕垂直于主轴2的轴线的力矩减小中间部件8的硬度来实现。

Claims (17)

1.一种用于增加风力涡轮机的转子毂的转速的动力传输***，包括：

转子轴，其能够被所述转子毂围绕主轴线驱动；

增速齿轮箱，其包括齿轮箱输入构件；

支承结构，其支承所述转子轴和所述齿轮箱；

转子轴壳体，其连接到所述支承结构；以及

主轴，其具有逆风端和顺风端，所述逆风端连接到所述转子轴，所述顺风端连接到所述齿轮箱输入构件，所述主轴沿着所述主轴线在所述转子轴内侧顺风延伸；

其特征在于，

所述主轴具有设置在所述逆风端和所述顺风端之间的细长部分，所述逆风端和顺风端具有比细长部分大的直径，

所述主轴在响应于围绕所述主轴线的力矩以外的载荷方面具有比所述转子轴、所述齿轮箱壳体和所述支承结构大的柔性，

由此适应所述转子轴和所述齿轮箱输入构件之间的径向和倾斜不对准。

2.根据权利要求1所述的动力传输***，其中，所述转子轴通过逆风转子轴承和顺风转子轴承支承在所述转子轴壳体内，所述轴承能够允许所述转子轴围绕所述主轴线的旋转同时限制其他方向的运动。

3.根据权利要求1所述的动力传输***，其中，所述支承结构包括支承所述转子轴围绕所述主轴线转动的轴承布置，所述轴承布置限制所述转子毂和转子轴在受到围绕所述动力传输***的所述主轴线的转矩以外的载荷时的运动。

4.根据权利要求2所述的动力传输***，其中，所述支承结构包括转子轴壳体，并且所述轴承布置位于所述转子轴壳体和所述转子轴之间。

5.根据权利要求3所述的动力传输***，其中，所述轴承布置包括至少一个轴承。

6.根据权利要求3所述的动力传输***，其中，所述齿轮箱包括刚性连接到所述转子轴壳体的齿轮箱壳体。

7.根据权利要求5所述的动力传输***，其中，所述主轴具有比所述转子轴、所述齿轮箱输入构件、所述转子轴壳体或者所述齿轮箱壳体小的直径。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的动力传输***，其中，所述齿轮箱包括刚性连接到所述支承结构的齿轮箱壳体。

9.根据权利要求5至7中任一项所述的动力传输***，其中，所述齿轮箱壳体包括能够支承所述齿轮箱输入构件围绕所述主轴线转动的一个或多个轴承。

10.根据权利要求9所述的动力传输***，其中，所述一个或多个轴承还能够允许所述齿轮箱输入构件沿所述主轴线进行一定程度的平移。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的动力传输***，其中，所述主轴的所述逆风端刚性连接到所述转子轴，所述主轴的所述顺风端刚性连接到所述齿轮箱输入构件，由此围绕所述动力传输***的所述主轴线的力矩通过所述主轴从所述转子轴传递到所述齿轮箱输入构件。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的动力传输***，其中，所述主轴借助第一中间部件连接到所述转子轴。

13.根据权利要求12所述的动力传输***，其中，所述第一中间部件具有比所述转子轴和所述支承结构大的柔性。

14.根据权利要求1至7中任一项所述的动力传输***，其中，所述主轴借助第二中间部件连接到所述齿轮箱输入构件。

15.根据权利要求14所述的动力传输***，其中，所述第二中间部件包括面键连接。

16.根据权利要求1至7中任一项所述的动力传输***，其中，所述齿轮箱输入构件是行星齿轮箱***的行星架。

17.一种风力涡轮机，其包括根据任一前述权利要求所述的动力传输***。