CN112166249B - 风轮机动力***连接 - Google Patents

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Abstract

风轮机(100)的动力***至少包括第一动力***部件(21、22、23、26)和第二动力***部件(21、22、23、26)。所述第一动力***部件(21、22、23、26)的旋转输出端与所述第二动力***部件(21、22、23、26)的旋转输入端联接，并且动力***壳体封装所述动力***部件(21、22、23、26)，所述动力***壳体至少包括封装所述第一动力***部件(21、22、23、26)的至少一部分的第一动力***壳体区段(211、221、231、261)和封装所述第二动力***部件(21、22、23、26)的至少一部分的第二动力***壳体区段(211、221、231、261)。所述第一和第二动力***壳体区段(211、221、231、261)之间的连接包括：多个螺栓(42)，其安装在所述第一和第二动力***壳体区段(211、221、231、261)的相应螺栓孔(421)中；以及多个定位销(43)，其安装在所述第一和第二动力***壳体区段(211、221、231、261)的相应的定位销孔(431)中，所述定位销(43)已经通过收缩装配安装在所述定位销孔(431)中。

Description

风轮机动力***连接
技术领域
本发明涉及一种风轮机的动力***，该动力***至少包括第一动力***部件和第二动力***部件，第一动力***部件的旋转输出端与第二动力***部件的旋转输入端联接，并且第一动力***部件的壳体与第二动力***部件的壳体连接。本发明还涉及一种用于将第一风轮机动力***部件连接至第二风轮机动力***部件的方法。
背景技术
风轮机动力***将风力驱动的转子轮毂的低速旋转转换成电动发电机的输入轴的高速旋转。动力***的重要部件是齿轮箱。齿轮箱通常包括多个齿轮箱级，用于逐步提高转速。齿轮箱级由齿轮箱壳体封装。在齿轮箱的输入端，低速输入轴将齿轮箱联接至转子轮毂。主轴承支撑旋转轴和轮毂的旋转。在一些风轮机中，低速轴的部分以及低速轴和齿轮箱输入端之间的联轴器元件由联轴器壳体封装。
齿轮箱壳体和联轴器壳体之间的连接一般由多个延伸穿过待连接的壳体的螺栓来提供。对于动力***中的最佳扭矩传递，重要的是，后续的动力***部件良好对准，并且它们之间的连接必须紧密并且永久。然而，由于工作的风轮机的动力***中的振动和大的扭矩，随着时间的推移，螺栓可能会松动甚至断裂。当第一螺栓松动时，情况可能会迅速恶化。当两个壳体连接不紧密时，还可能导致两个动力***部件之间的扭矩传递减少。在一些风轮机中，主轴承壳体支撑在机舱底板的基座上，联轴器元件、齿轮箱和发电机以悬臂布置附接在其上。在这种布置中，主轴承壳体、联轴器壳体、齿轮箱和发电机用凸缘连接部螺栓连接在一起，并作为悬臂布置安装在主框架上。通常，由部件重量引起的弯矩和由机舱加速度引起的扭矩由凸缘连接部中的螺栓承担。凸缘连接部中的扭矩传递通常也由螺栓预紧产生的摩擦来承担。由于特别是齿轮箱和发电机的重量以及与风轮机的操作相关的高扭矩，这样的布置会对连接不同动力***部件的壳体的螺栓产生额外的应力。
为了避免这些问题，需要定期进行维护操作以更换断裂的螺栓并拧紧松动的螺栓。维护是一项耗时且昂贵的活动，通常需要中断风轮机的能量生产。特别是对于离岸风轮机来说，这是一个问题，因为这些风轮机比较难以到达，而且通常生产更多的功率，这意味着中断能量生产会“损失”更多的能量。
已知的加强两个风轮机动力***部件壳体之间连接的方法就是使用更多且更大的螺栓。螺栓通常安装在旋转轴周围的圆形凸缘中。然而，这种方法的成功受到圆形凸缘的半径的限制。当凸缘的大部分已经被螺栓占据时，只有通过提供更大的壳体才能增加更多的螺栓。
考虑到上述指出的当前风轮机动力***中的问题，本发明的目的是改进不同风轮机动力***部件的壳体之间的连接。
发明内容
根据本发明，该目标通过提供风轮机的动力***来实现的，该动力***包括至少第一动力***部件和第二动力***部件，所述第一动力***部件的旋转输出端与所述第二动力***部件的旋转输入端联接，并且动力***壳体封装所述动力***部件。所述动力***壳体至少包括封装所述第一动力***部件的至少一部分的第一动力***壳体区段和封装所述第二动力***部件的至少一部分的第二动力***壳体区段。所述两个***壳体区段之间的连接包括：多个螺栓，其安装在所述两个动力***壳体区段的相应螺栓孔中；以及多个定位销，其安装在所述两个动力***壳体区段的相应的定位销孔中，所述定位销通过收缩装配安装在所述定位销孔中。
使用两个动力***壳体区段之间的这种连接导致更均匀的载荷分布，并且可以有助于避免壳体区段之间的微动和例如凸缘或销孔中的磨耗腐蚀。当螺栓和收缩装配的定位销如声称的那样组合时，螺栓通常将承担由动力***部件的重量引起的弯矩，而定位销则承担来自施加在动力***壳体上的扭矩的所有剪切力。
收缩装配是一种众所周知的技术，例如，工业管道工程或轴承的安装。利用收缩装配，组装后通过相对尺寸的变化来实现干涉装配。这通常是通过如下操作来实现：在组装前对一个部件进行加热或冷却，并在组装后让其恢复到环境温度，利用热膨胀现象进行连结。例如，金属排水管的件的热膨胀使施工人员能够将冷却件与之装配。当邻接的件达到相同的温度时，连结就会变得张紧并且牢固。到目前为止，还没有考虑过用收缩装配来提供封装两个相互连接的风轮机动力***部件的壳体区段之间的紧密连接。
例如，可以通过使用用于夹持定位销的引导工具并将定位销***液氮浴中来安装定位销。然后，将定位销滑入一个定位销孔中，定位销在该定位销孔中将膨胀并建立对封装两个动力***部件的壳体区段的紧密夹持。这些收缩装配连接比已经公知的螺栓连接更牢固并且更持久，因此能够提高装配的紧密性，并大大减少必须进行的维护工作，而不需要提供更大直径的动力***壳体。
优选地，定位销包括接合特征，该接合特征用于当定位销安装在定位销孔中时，允许定位销被引导工具夹持。接合特征例如可以包括一个或多个螺纹孔或无螺纹孔。当用引导工具夹持定位销时，引导工具可以用于将定位销浸入冷冻剂浴中和/或将其推入一个定位销孔中。该螺纹孔也可用于在拆卸(部分)动力***时，借助于中空液压缸和安装在螺纹孔中的螺纹杆，促进定位销的移除。
为了使作用在动力***壳体区段上的所有机械力得到最佳分布，多个螺栓可以围绕旋转输出和/或输入端呈大致的圆形布置。
为了便于螺栓和定位销的进入，并且为了具有用于建立连接的大表面积，第一动力***壳体区段和/或第二动力***壳体区段可以包括大体圆形的凸缘，并且多个螺栓可以布置在圆形的凸缘中。
优选地，至少一些定位销设置在两个螺栓之间的位置中。定位销不是由螺栓形成的圆形的必要部分，但将定位销安装成靠近螺栓并与螺栓排成直线，将减少施加在螺栓上的应力。例如，至少一些定位销设置在两对螺栓之间的位置中。在这样的布置中，螺栓的数量大约是定位销的两倍。连接圆中的每个定位销后面都有两个螺栓。另选地，在每对相邻的螺栓之间设置有一个定位销。
根据本发明的改进的连接可以例如在齿轮箱和除齿轮箱以外的动力***部件之间提供，例如在低速轴联轴器壳体和齿轮箱壳体之间，或者在齿轮箱壳体和发电机壳体之间。但应该明确的是，本发明并不限于这些连接，还可以用于连接其它风轮机动力***部件。例如，第一和第二动力***壳体区段中的一者或两者可以是中间动力***壳体区段。术语中间动力***壳体区段是指动力***壳体区段，其并不特意在内部具有特定的元件，而只是联接两个其它壳体区段。特别是这可以是主轴承壳体和齿轮箱壳体的壳体区段的联接。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于将第一风轮机动力***部件连接到第二风轮机动力***部件的方法。该方法包括以下步骤：将所述第一动力***部件与所述第二动力***部件对准；将至少一个螺栓***到封装所述第一动力***部件的至少一部分的第一动力***壳体区段以及封装所述第二动力***部件的至少一部分的第二动力***壳体区段中的螺栓孔中；紧固所述螺栓；将定位销收缩装配在所述第一动力***壳体区段中的定位销孔中，并将其收缩装配在所述第二动力***壳体区段中的相应的定位销孔中。
对准的步骤可以通过将已经连接到第一动力***壳体区段的至少一个引导销***到第二动力***壳体区段的引导孔中来辅助，反之亦然。引导销可以是一个壳体区段的组成部分和/或可以在对准两个区段之前被安装。根据本发明的一个特定实施方式，通过将引导销***其一个定位销孔中，将引导销连接至一个动力***壳体区段。然后，另一个动力***壳体区段中的相应的定位销孔作为引导孔，并在两个壳体区段的对准期间接收引导销。当两个壳体区段对准时，优选在已经***了几个螺栓之后(不一定完全拧紧)，然后将引导销从定位销孔中移除，以允许定位销装配在定位销孔中。
可以理解的是，本发明第一方面的优选和/或可选特征可以与本发明的其它方面结合。所附的独立权利要求中限定了本发明的各个方面，并且所附的从属权利要求中限定了有利特征。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参照下面的图示来描述本发明的一些实施方式，其图示中：
图1示意性示出了可以有利地应用本发明的风轮机；
图2示出了风轮机动力***的一部分的近景图；
图3示出了联轴器与齿轮箱壳体对准；
图4示出了根据本发明的风轮机动力***的齿轮箱的前视图；
图5示出了***定位销孔中的定位销；
图6示出了定位销和定位销引导工具的剖视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了可以有利地应用本发明的风轮机100。风轮机100包括塔架10，塔架10的顶部上有机舱20，该机舱20包括风轮机100的多个功能部件。转子轮毂30可旋转地安装至机舱20的前端，并承载若干转子叶片40。此处所示的风轮机100包括三个转子叶片40，但具有更多或更少转子叶片40的风轮机也是可能的。风轮机100通过转动(偏航)机舱20来生产电能，使得转子叶片40旋转的平面或多或少地垂直于风的方向定位。在机舱20中，使用发电机将轮毂旋转转化成电。
图2示出了风轮机动力***的一部分的近景图。在操作中，风使转子叶片40和转子轮毂30(此图中未示出这两者)旋转。由机舱20封装的动力***将转子轮毂30的旋转转化成电力。电力电缆从动力***向下穿过塔架10，延伸到地面，在那里可以使用电力，将电力储存在电池中或传输到电网。该风轮机100的动力***包括主轴承21，该主轴承21被设置用于支撑主轴（也称为低速轴24），转子轮毂30附接至主轴并促进其旋转。低速轴24与转子轮毂30一起旋转，形成后续齿轮箱22的输入端。低速轴24借助联轴器26与齿轮箱输入端联接。主轴承21、联轴器26和齿轮箱22分别由主轴承壳体211、联轴器壳体261、齿轮箱壳体221封装。后续动力***部件的壳体也连接在一起。在图2中，只能看到这些动力***部件的壳体。因此，涉及主轴承21、联轴器26和齿轮箱22的附图标记也指向各动力***部件的壳体。
在齿轮箱22中，在齿轮箱输入端处的低速转子轮毂30的转速被转换为在齿轮箱输出端处的发电机23的较高转速。齿轮箱22通常包括多个区段，用于以两个或更多的级来提高转速。齿轮箱区段一起形成由齿轮箱壳体221封装的单个齿轮箱单元22。发电机23将高速齿轮箱输出轴的旋转动力转化为有用的电力，该电力然后经由风轮机塔架10向下输送。在该动力***中，发电机23的发电机壳体231用螺栓固定至齿轮箱壳体221上。另选地，齿轮箱22和发电机23之间可以安装有第二联轴器。该第二联轴器可以由第二联轴器壳体封装。另选地，该第二联轴器由齿轮箱壳体221和/或发电机壳体231的延伸部分完全或部分封装。需要注意的是，即使没有由该联轴器壳体261封装的单独的动力***部件，在主轴承壳体211和齿轮箱壳体221之间或在任何其他两个动力***部件之间也可以设置联轴器壳体261。例如，主轴承壳体211可以直接与齿轮箱22连接，而联轴器壳体261将主轴承壳体211联接至齿轮箱壳体221。
在这个适用于大型离岸风轮机的示例性动力***中，主轴承壳体211支撑在立于机舱底板上的基座25上。联轴器26、齿轮箱22和发电机23都从主轴承壳体211悬伸。对于支撑沉重的齿轮箱22和发电机23的这种构设，重要的是，主轴承壳体211和联轴器壳体261之间以及联轴器壳体261和齿轮箱壳体221之间的牢固连接。
下文中，将更详细地描述联轴器壳体261和齿轮箱壳体221之间的连接。然而，本发明并不限于动力***部件之间的这种特定的连接，并且例如也适用于主轴承壳体211与联轴器壳体261的连接和/或用于齿轮箱壳体221与发电机壳体231之间的连接。还需要注意的是，如以下所述，动力***壳体的单独区段可以封装单独的动力***部件。然而，动力***壳体区段也可以只封装动力***部件的一部分。然后，封装后续动力***部件的壳体区段可以具有延伸部分，用于覆盖前一动力***部件的尚未封装的部分。另选地，中间动力***壳体区段可以联接封装两个相邻动力***部件的壳体区段。与中间动力***壳体区段的这两种连接都可以使用本文所述的发明构思。
图3示出了齿轮箱22与联轴器壳体261对准。在此，当使用起重机使齿轮箱22靠近联轴器壳体261的相对端面时，联轴器壳体261可以已经连接至主轴承壳体211。在一个实施方式中，联轴器壳体261和齿轮箱壳体221首先连接在一起，然后它们再连接至主轴承壳体211。可以在远离放置风轮机100的位置的工厂中完成联轴器壳体261和齿轮箱壳体221之间的这种连接。引导销63是齿轮箱壳体221的一体部分，或者仅仅是刚***在齿轮箱壳体221中，该引导销63指示联轴器壳体261中的相应的引导孔(未示出)的位置，以使齿轮箱壳体221能够附接至联轴器壳体261。联轴器壳体261中的引导孔可以是仅在对准阶段使用的专用孔。另选地，引导销63***到齿轮箱壳体221的定位销孔或螺栓孔中，并稍后会在连接过程中被移除。在本图示中，螺栓42被示出为在两个壳体正确对准之前已经***在齿轮箱壳体221的螺栓孔中，但也可以在对准阶段之后提供这些螺栓42。当然，同样也可以让引导销63伸出联轴器壳体261之外，并将这些引导销63与齿轮箱壳体221中的引导孔、定位销孔431或螺栓孔421对准。
图4示出了根据本发明的一个实施方式的风轮机100的动力***的齿轮箱22的前视图。齿轮箱壳体221包括圆形的凸缘41，凸缘41周围都布置有螺栓孔421和定位销孔431。这些孔421、431中的一个或多个可以在对准阶段期间用作引导孔。可以使用视觉标记来指示孔421、431中的哪一者用作引导孔。类似地，联轴器壳体261中相应的引导孔也可以进行视觉标记。在本实施方式中，使用的螺栓孔421是定位销孔431的两倍。每个定位销孔431后面都有两个螺栓孔421。当然，也可以采用其它的布置方式，例如每个螺栓孔之后具有定位销孔431。
图5示出了定位销43***定位销孔431中。在定位销43***到齿轮箱壳体221和联轴器壳体261的相应定位销孔431中时，使用引导工具50来夹持并移动定位销43。在此图中，从齿轮箱侧***定位销43，但根据齿轮箱的设计，从另一侧***定位销43可能更容易或同等容易。在定位销43***到定位销孔431中之前，可以对定位销43进行冷却，以便使其收缩到装配定位销孔431的足够小的尺寸。例如，冷却是通过将定位销43***液氮或不同的冷冻剂的浴液中来完成的。因为在工厂中操控液氮比在风轮机塔架的顶部上的机舱中操控液氮更容易，所以联轴器壳体261和齿轮箱壳体221优选在工厂中连接好，然后作为单个单元运输至风轮机。另外，其他部件（例如发电机23）也可以在工厂中连接好。然后使用引导工具50将定位销43带到定位销孔431处，并将定位销43推入内部。如果是非常紧密的装配，则可以用可选地设置在引导工具50的轴51上的滑锤53将定位销43敲入孔431内。当然，使用普通的锤也可以完成类似的工作。在引导工具50与定位销43的接触界面处可以设置有平坦的对准面52，以保证定位销43不会被推入定位销孔431中过深。
图6示出了定位销43和定位销引导工具50的剖面。除了已经在图5中示出并参照图5解释的内容外，该剖面还示出了定位销43中呈凹口44的形式的接合特征。凹口44允许将引导工具50的夹持元件54***到定位销43中并与之接合。凹口44和夹持元件54可以包括协作的螺纹，或者夹持元件可以包括用于保持到定位销43上的磁性材料。另选地或额外地，通过选择用于夹持元件的合适材料，在***氮气浴中后，夹持元件可以收缩装配到定位销43。当***到定位销孔431后再次升温时，夹持元件54和凹口44将再次恢复到它们的原始尺寸，从而允许从凹口44中容易地移除引导工具50。
可以理解的是，本发明第一方面的优选和/或可选特征可以与本发明的其他方面结合。所附的独立权利要求中限定了本发明的各个方面，并且所附的从属权利要求中限定了有利特征。

Claims (16)

1.一种风轮机(100)的动力***，所述动力***至少包括第一动力***部件和第二动力***部件，所述第一动力***部件的旋转输出端与所述第二动力***部件的旋转输入端联接，并且动力***壳体封装所述动力***部件，所述动力***壳体至少包括封装所述第一动力***部件的至少一部分的第一动力***壳体区段和封装所述第二动力***部件的至少一部分的第二动力***壳体区段，所述第一动力***壳体区段和第二动力***壳体区段之间的连接包括：
多个螺栓(42)，所述多个螺栓安装在所述第一动力***壳体区段和第二动力***壳体区段的相应螺栓孔(421)中，以承担由所述动力***部件的重量引起的弯矩；以及
多个定位销（43），所述多个定位销安装在所述第一动力***壳体区段和第二动力***壳体区段的相应定位销孔(431)中，所述定位销(43)已经通过收缩配合安装在所述定位销孔(431)中，以承担来自施加在所述动力***壳体上的扭矩的剪切力，从而导致更均匀的载荷分布。
2.根据权利要求1所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述定位销 (43)包括接合特征，该接合特征用于当所述定位销(43)安装在所述定位销孔(431)中时允许所述定位销(43)被引导工具夹持。
3.根据权利要求1或2所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述收缩配合包括使所述定位销(43)冷却。
4.根据权利要求1所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述多个螺栓(42)围绕所述旋转输出端和/或旋转输入端呈圆形布置。
5.根据权利要求4所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述第一动力***壳体区段和/或所述第二动力***壳体区段包括圆形的凸缘(41)，并且其中所述多个螺栓(42)布置在所述圆形的凸缘(41)中。
6.根据权利要求4或5所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述定位销(43)中的至少一些设置在两个所述螺栓(42)之间的位置中。
7.根据权利要求6所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述定位销(43)中的至少一些设置在两对所述螺栓(42)之间的位置中。
8.根据权利要求6所述的风轮机(100)的动力***，其中，在每一对相邻的螺栓(42)之间设置有一个所述定位销(43)。
9.根据权利要求1所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述第二动力***壳体区段是齿轮箱壳体(221)，并且所述第一动力***壳体区段不是齿轮箱壳体。
10.根据权利要求9所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述第一动力***壳体区段是主轴承壳体(211)和齿轮箱壳体(221)之间的中间动力***壳体区段。
11.根据权利要求1所述的风轮机(100)的动力***，其中，所述第一动力***部件是齿轮箱(22)，并且所述第二动力***部件是发电机(23)。
12.一种用于将风轮机(100)的第一动力***部件连接到所述风轮机(100)的第二动力***部件的方法，该方法包括以下步骤：
将所述第一动力***部件与所述第二动力***部件对准；
将至少一个螺栓(42)***到封装所述第一动力***部件的至少一部分的第一动力***壳体区段的螺栓孔(421)中并***到封装所述第二动力***部件的至少一部分的第二动力***壳体区段中的对应螺栓孔(421)中；
紧固所述螺栓，以使得所述螺栓承担由所述动力***部件的重量引起的弯矩；
将定位销(43)收缩配合在所述第一动力***壳体区段中的定位销孔(431)中并收缩配合在所述第二动力***壳体区段的相应的定位销孔(431)中，以使得所述定位销承担来自施加在所述动力***壳体上的扭矩的剪切力，从而导致更均匀的载荷分布。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述收缩配合包括使所述定位销(43)冷却。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述收缩配合包括使用诸如液氮之类的冷冻剂来冷却所述定位销(43)。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述对准步骤包括将已经连接到所述第一动力***壳体区段的至少一个引导销(63)***到所述第二动力***壳体区段的引导孔中，或反之亦然。
16.根据权利要求15所述的方法，其中
通过将所述引导销(63)***到所述第一动力***壳体区段的定位销孔(431)中，将所述引导销(63)连接到所述第一动力***壳体区段，
所述引导孔是所述第二动力***壳体区段的对应定位销孔(431)，并且
所述方法还包括将所述引导销(63)从所述定位销孔(431)移除并且将定位销(43)收缩配合在所述定位销孔(431)中。
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