CN114412720A - 风力发电机组传动链 - Google Patents

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吴永鹏
宋克伟
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Abstract

本发明提供一种风力发电机组传动链，属于风力发电机组技术领域，包括与风轮连接的轮毂、与所述轮毂连接的主轴、以及与所述主轴传动连接的齿轮箱，所述齿轮箱连接发电机；风轮在风力载荷作用下转动，带动轮毂做旋转运动，轮毂带动主轴转动，主轴带动齿轮箱转动，齿轮箱输出转速增大，带动发电机转动发电。本发明省去了传统的弹性联轴器和高速轴联轴器，节省成本的同时避免了主轴承的故障；结构紧凑，传动链尺寸短，节省空间，取消了价格较高的弹性联轴器、高速轴制动器和齿轮箱输入端轴承，大大节省了成本；齿轮箱的末端太阳轮与输出轴采用花键连接，输出轴带有两个轴承定轴输出，发电机内无轴承结构，保证了传动链的高可靠性。

Description

风力发电机组传动链
技术领域
本发明涉及风力发电机组技术领域，具体涉及一种集成化的风力发电机组传动链。
背景技术
随着风力发电技术的快速进步，机组功率等级越来越大，风轮直径越来越长，机组大型化已成为风电行业的发展趋势。叶片碳纤新材料的应用及技术的创新，叶片越来越长，而风电机组受到噪声的限制，叶尖速度不能过高，因而随着风轮直径的增大，风轮转速逐渐减小。
如果采用传统的双馈传动方案，齿轮箱的速比会非常高，齿轮箱的尺寸就会比较大，双馈发电机的尺寸也会很大，整个传动链的长度就很长，因而机舱的尺寸也随之变得很长，给储存、运输带来困难。另外，齿轮箱的高速级和双馈发电机故障较多，后续运维成本较高，若机组安装在海上，受海风自然条件和船只的影响，运维成本增高。
可见，随着功率等级的增大，双馈传动链存在越来越多的弊端。若选用直驱传动方案，随着机组功率等级增大，风轮直径增长，风轮转速降低，发电机的转速较低，极对数增加，发电机的尺寸就会变得很大，发电机和整机的运输都受到限制，同时发电机铜线用量增多，发电机成本较高，机组成本增高，市场竞争力下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机组传动链，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明提供一种风力发电机组传动链，包括：
与风轮连接的轮毂、与所述轮毂连接的主轴、以及与所述主轴传动连接的齿轮箱，所述齿轮箱连接发电机；其中，
风轮在风力载荷作用下转动，带动轮毂做旋转运动，轮毂带动主轴转动，主轴带动齿轮箱转动，齿轮箱输出转速增大，带动发电机转动发电。
优选的，所述主轴的两端均设有主轴法兰，所述轮毂与主轴法兰连接，所述齿轮箱的一级行星架与所述主轴另一端的主轴法兰连接。
优选的，所述主轴设于轴承座上；齿轮箱的一级齿圈与轴承座上的轴承座法兰连接。
优选的，齿轮箱的输出轴端面与发电机的转子轴接，所述齿轮箱的固定壳体与发电机的固定壳体连接。
优选的，所述轴承座上与所述轮毂相邻的一端设有上风向主轴承，所述轴承座的另一端设有下风向主轴承。
优选的，所述主轴上与所述轮毂相邻的一端与所述上风向主轴承的内圈过盈配合连接，所述主轴的另一端与所述下风向主轴承的内圈过盈配合连接。
优选的，所述齿轮箱的太阳轮与输出轴采用花键连接。
优选的，所述齿轮箱的输出轴设有轴承，齿轮箱与发电机的法兰刚性连接。
优选的，所述轮毂与主轴法兰通过第一高强螺栓连接；所述主轴另一端的主轴法兰与齿轮箱的一级行星架通过第二高强螺栓和第一圆柱销连接，所述轴承座与齿轮箱的一级齿圈通过第三高强螺栓和第二圆柱销刚性连接。
优选的，所述齿轮箱输出轴与发电机转子通过第四高强螺栓连接，所述齿轮箱的太阳轮与发电机的定子通过第五高强螺栓连接。
本发明有益效果：
主轴、齿轮箱和发电机的高度集成，省去了传统的弹性联轴器和高速轴联轴器；主轴与齿轮箱直接通过高强螺栓(或螺柱)和圆柱销法兰刚性连接，齿轮箱输入端取消轴承，节省成本的同时避免了主轴承的故障；齿轮箱与发电机采用法兰刚性连接，取消了高速轴联轴器，节省了成本；
结构紧凑，传动链尺寸短，节省空间，取消了价格较高的弹性联轴器、高速轴制动器和齿轮箱输入端轴承，节省了成本；齿轮箱的末端太阳轮与输出轴采用花键连接，输出轴带有两个轴承定轴输出，发电机内无轴承结构，保证了传动链的高可靠性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的风力发电机组集成式传动链的结构图。
图2为本发明实施例所述的风力发电机组集成式传动链的剖视结构图。
图3为本发明实施例所述的风力发电机组集成式传动链的主轴法兰与齿轮箱一级行星架连接结构图，即图2中K-K处截面图。
图4为本发明实施例所述的风力发电机组集成式传动链的轴承座与齿轮箱一级行星架连接结构图，即图2中L-L处截面图。
其中：1-轮毂；2-主轴；3-第一高强螺栓；4-轴承座；5-上风向主轴承；6-下方向主轴承；7-第二高强螺栓；8-第一圆柱销；9-齿轮箱；10-第三高强螺栓；11-第二圆柱销；12-第五高强螺栓；13-发电机；14-第四高强螺栓。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例
本实施例中，提供的一种风力发电机组传动链，本实施例中，从风力发电机组的输入端风轮到输出端发电机，贯穿整个传动链，是整个机组的核心，对机组的可靠性起关键作用。具体结构形式为：叶片受到风载作用开始转动，圆周均布的三支叶片带动轮毂做旋转运动，轮毂与主轴通过高强螺栓(或螺柱)刚性连接，主轴开始转动，主轴与齿轮箱刚性连接，带动齿轮箱转动，同时齿轮箱是增速传动比，其输出转速增大，齿轮箱与发电机通过高强螺栓(或螺柱)刚性连接，带动发电机转动发电，整个传动过程实现风能转化成电能。
如图1至图4所示，本实施例所述的风力发电机组传动链，具体包括如下结构：与风轮连接的轮毂、与所述轮毂连接的主轴、以及与所述主轴传动连接的齿轮箱，所述齿轮箱连接发电机；其中，风轮在风力载荷作用下转动，带动轮毂做旋转运动，轮毂带动主轴转动，主轴带动齿轮箱转动，齿轮箱输出转速增大，带动发电机转动发电。
所述主轴的两端均设有主轴法兰，所述轮毂与主轴法兰连接，所述齿轮箱的一级行星架与所述主轴另一端的主轴法兰连接。所述主轴设于轴承座上；齿轮箱的一级齿圈与轴承座上的轴承座法兰连接。
齿轮箱的输出轴端面与发电机的转子轴接，所述齿轮箱的固定壳体与发电机的固定壳体连接。所述轴承座上与所述轮毂相邻的一端设有上风向主轴承，所述轴承座的另一端设有下风向主轴承。
所述主轴上与所述轮毂相邻的一端与所述上风向主轴承的内圈过盈配合连接，所述主轴的另一端与所述下风向主轴承的内圈过盈配合连接。所述齿轮箱9的太阳轮与输出轴采用花键连接。
所述齿轮箱9的输出轴设有轴承，齿轮箱9与发电机13的法兰刚性连接。所述轮毂1与主轴法兰通过第一高强螺栓3连接；所述主轴另一端的主轴法兰与齿轮箱9的一级行星架通过第二高强螺栓7和第一圆柱销8连接，所述轴承座4与齿轮箱9的一级齿圈通过第三高强螺栓10和第二圆柱销11刚性连接。
所述齿轮箱9输出轴与发电机13转子通过第四高强螺栓14连接，所述齿轮箱的太阳轮与发电机的定子通过第五高强螺栓12连接。
本实施例中，轮毂1为铸造成型，主轴2为锻造成型，两零件具有较高的刚度，通过第一高强螺栓3(或螺柱)连接；主轴法兰与齿轮箱9的一级行星架通过第二高强螺栓7(或螺柱)和第一圆柱销8连接，齿轮箱的一级齿圈通过第三高强螺栓(或螺柱)和第二圆柱销与轴承座法兰连接；齿轮箱9定轴输出，输出轴自带两个轴承，输出轴端面与发电机13转子轴通过第四高强螺栓14(或螺柱)连接，齿轮箱固定壳体与发电机固定壳体通过第五高强螺栓12(或螺柱)连接。本实施例中，减少了主轴与齿轮箱间的弹性联轴器，齿轮箱输入轴减少了两个轴承，节省了较大的成本，同时齿轮箱内采用模块化结构，便于齿轮箱与主轴的车间装配；齿轮箱与发电机刚性连接，减少了高速轴联轴器，节省了机组成本。省去了低速端弹性联轴器和高速端联轴器，齿轮箱和发电机两个关键零部件进行了技术创新，整个集成式传动链结构具有较高的可靠性和较低的成本。
具体的，本实施例中，轮毂1与主轴2通过第一高强螺柱3(或螺栓)刚性连接，将风轮侧的风载荷传递到主轴2；主轴2与上风向主轴承5(双TRB或滑动轴承)和下风向主轴承6的内圈过盈配合，上风向主轴承5、下风向主轴承6的外圈与轴承座4过盈配合，轴承座固定在机舱底座上，支撑传动链的重力，保证传动链自由旋转。
主轴2后端的主轴法兰与齿轮箱9的输入行星架通过双排第二高强螺栓7(或螺柱)和第一圆柱销8连接，第二高强螺栓7和第一圆柱销8承受风轮侧传递的扭矩和齿轮箱行星架产生的弯矩及剪切。第二高强螺栓7和第一圆柱销8承受风轮侧传递的扭矩和齿轮箱9的行星架重力产生的弯矩，保证风轮侧的载荷可靠地传递到齿轮箱9，且有效保证齿轮箱的安全可靠性。
风轮侧的输入转矩传递到齿轮箱9的行星架，齿轮箱行星架取消了上下风向轴承，节省了轴承的成本，行星架的重力由上风向主轴承5和下风向主轴承6支撑。齿轮箱9输入端无轴承，其行星架靠主轴承支撑，节省了齿轮箱轴承的成本；同时齿轮箱9内部模块化设计，保证齿轮箱9方便安装与维护。
齿轮箱9的一级齿圈与轴承座4后端法兰通过第三高强螺栓10(或螺柱)和第二圆柱销11连接，第三高强螺栓10和第二圆柱销11承受风轮侧传递的扭矩和齿轮箱重力、发电机重力共同产生的弯矩和发电机的磁拉力。
齿轮箱9的齿圈与发电机定子通过第五高强螺栓12(或螺柱)连接，第五高强螺栓12承受风轮侧传递的扭矩和发电机定子重力产生的弯矩和发电机13的磁拉力。在进行主轴1强度校核计算时，考虑齿轮箱9行星结构和发电机13转子重量的影响，须保证主轴1强度满足风轮中心载荷的前提下能够承受后端的载荷，确保主轴1的可靠性。
齿轮箱9的末端太阳轮与输出轴采用花键连接，输出轴带有两个轴承定轴输出，发电机13内无轴承结构。齿轮箱9太阳轮与输出轴采用花键连接，花键连接受力均匀，对中性好，传递扭矩大，更好保证齿轮箱9输出轴的可靠性。
齿轮箱9输出轴法兰与发电机转子轴通过第四高强螺栓14(或螺柱)连接，第四高强螺栓14承受风轮侧传递的扭矩和发电机转子重力产生的弯矩及发电机的磁拉力。风力发电机组在风载作用下，载荷从轮毂1传递到主轴2，通过齿轮箱9的增速，传递到发电机13，通过发电机的输电功能，将机械能转换成电能。
齿轮箱9输出轴自带轴承，发电机13转子轴无轴承，齿轮箱9与发电机13法兰刚性连接，此结构形式方便发电机13与齿轮箱9进行装配，便于后期发电机13的拆卸维护。发电机13内无轴承，无需配备润滑***，由于主轴1与齿轮箱9刚性连接，可采用一套集中式润滑***，实现上风向主轴承5、下风向主轴承6与齿轮箱9内部轴承的润滑，节省了润滑***的成本。
综上所述，本发明实施例所述的。半直驱传动链的发电机转速属于中速，尺寸较小；齿轮箱速比低，长度短；齿轮箱和发电机直接连接，节省了高速联轴器零部件，整个传动链较紧凑，且长度短，便于机组的储存和运输；齿轮箱成本低于双馈，发电机成本低于直驱，高于双馈，综合核算半直驱传动链的成本最低。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组传动链，其特征在于，包括：
与风轮连接的轮毂、与所述轮毂连接的主轴、以及与所述主轴传动连接的齿轮箱，所述齿轮箱连接发电机；其中，
风轮在风力载荷作用下转动，带动轮毂做旋转运动，轮毂带动主轴转动，主轴带动齿轮箱转动，齿轮箱输出转速增大，带动发电机转动发电。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述主轴的两端均设有主轴法兰，所述轮毂与主轴法兰连接，所述齿轮箱的一级行星架与所述主轴另一端的主轴法兰连接。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述主轴设于轴承座上；齿轮箱的一级齿圈与轴承座上的轴承座法兰连接。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组传动链，其特征在于，齿轮箱的输出轴端面与发电机的转子轴接，所述齿轮箱的固定壳体与发电机的固定壳体连接。
5.根据权利要求3所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述轴承座上与所述轮毂相邻的一端设有上风向主轴承，所述轴承座的另一端设有下风向主轴承。
6.根据权利要求5所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述主轴上与所述轮毂相邻的一端与所述上风向主轴承的内圈过盈配合连接，所述主轴的另一端与所述下风向主轴承的内圈过盈配合连接。
7.根据权利要求4所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述齿轮箱的太阳轮与输出轴采用花键连接。
8.根据权利要求7所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述齿轮箱的输出轴设有轴承，齿轮箱与发电机的法兰刚性连接。
9.根据权利要求3所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述轮毂与主轴法兰通过第一高强螺栓连接；所述主轴另一端的主轴法兰与齿轮箱的一级行星架通过第二高强螺栓和第一圆柱销连接，所述轴承座与齿轮箱的一级齿圈通过第三高强螺栓和第二圆柱销刚性连接。
10.根据权利要求4所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述齿轮箱输出轴与发电机转子通过第四高强螺栓连接，所述齿轮箱的太阳轮与发电机的定子通过第五高强螺栓连接。
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