專利名稱：緊湊型齒輪傳動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所描述的設(shè)備大體涉及緊湊型傳動系統(tǒng)。更具體地，該設(shè)備涉及用于風(fēng)力渦 輪機的緊湊型齒輪傳動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
最近，作為環(huán)境安全且相對較廉價的替代能源，風(fēng)力渦輪機受到了更多的關(guān)注。風(fēng) 力渦輪機不會發(fā)出溫室氣體(GHG)，且因此，風(fēng)力渦輪機不會有助于全球變暖。隨著對風(fēng)發(fā) 電的越來越大的興趣，已經(jīng)做出大量努力來發(fā)展可靠且高效的風(fēng)力渦輪機。風(fēng)通常被認(rèn)為是由于太陽不均勻地加熱大氣、地球表面的不規(guī)則性和地球的旋轉(zhuǎn) 而產(chǎn)生的太陽能的一種形式。風(fēng)流動型式由地球的地形、水體和植被改變。術(shù)語風(fēng)能或風(fēng) 力描述使用風(fēng)來使軸旋轉(zhuǎn)且隨后產(chǎn)生機械動力或電的過程。通常，使用風(fēng)力渦輪機將風(fēng)中的動能轉(zhuǎn)化成機械動力。此機械動力可用于特定任 務(wù)(例如研磨谷物或泵送水)，或者發(fā)電機可將此機械動力(即軸的旋轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)化成電。風(fēng)力 渦輪機通常包括用于將空氣的運動轉(zhuǎn)化成機械運動(例如旋轉(zhuǎn))的空氣動力學(xué)機構(gòu)(例如 葉片)，然后用發(fā)電機將該機械運動轉(zhuǎn)化成電功率。從發(fā)電機輸出的功率與風(fēng)速的立方成比 例。當(dāng)風(fēng)速加倍時，風(fēng)力發(fā)電機的容量增加為差不多八倍。大多數(shù)可在商業(yè)上獲得的風(fēng)力渦輪機利用齒輪傳動系統(tǒng)來將渦輪機葉片連接到 發(fā)電機上。風(fēng)使渦輪機葉片轉(zhuǎn)動，這會使低速軸旋轉(zhuǎn)，低速軸供入具有較高速輸出軸的齒輪 箱中。這個較高速輸出軸連接到發(fā)電機上，并且發(fā)電。齒輪傳動旨在提高機械運動的速度。用于大型(例如> 1MW)風(fēng)力渦輪機的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傳動系統(tǒng)包括單獨地安裝到主機 架(通常也稱為底座框架或底板)上的離散的齒輪箱和發(fā)電機單元。功率通過柔性的“高 速”軸聯(lián)接件從齒輪箱傳遞到發(fā)電機。此布置強制齒輪箱和發(fā)電機在物理上彼此隔開，以及 要求齒輪箱的輸出軸和發(fā)電機的輸入軸兩者分別由齒輪箱軸承和發(fā)電機軸承單獨地支承。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種用于風(fēng)力渦輪機的傳動系統(tǒng)。該風(fēng)力渦輪機包括連接到低速軸上的轉(zhuǎn) 子和連接到齒輪箱上的低速軸。齒輪箱具有連接到發(fā)電機上的高速軸。該傳動系統(tǒng)包括置 于齒輪箱和發(fā)電機之間的軸承。齒輪箱潤滑介質(zhì)至少部分地包含在齒輪箱內(nèi)，且軸承與齒 輪箱共用齒輪箱潤滑介質(zhì)。


圖1是一個示例性風(fēng)力渦輪機的透視圖；圖2是可用于圖1的風(fēng)力渦輪機中的傳動系統(tǒng)的一個實施例的局部剖面透視圖；圖3是可用于圖1的風(fēng)力渦輪機中的傳動系統(tǒng)的另一個實施例的局部剖面透視 圖；圖4是可用于圖1的風(fēng)力渦輪機中的傳動系統(tǒng)的又一個實施例的局部剖面透視圖；圖5是在維護(hù)期間的圖4的實施例的局部剖面透視圖。部件列表100風(fēng)力渦輪 機110塔架120機艙130葉片140輪轂210低速軸215軸承220輪轂法蘭安裝件230 聯(lián)接件240行星托架242行星齒輪244行星小齒輪246環(huán)形齒輪248齒輪箱殼體250 太陽齒輪260發(fā)電機262定子264發(fā)電機轉(zhuǎn)子266軸承310齒輪箱312齒輪箱殼體314 齒輪箱背板315緊固件320行星托架325環(huán)形齒輪330行星小齒輪335行星齒輪340 太陽齒輪342太陽小齒輪350發(fā)電機定子殼體360發(fā)電機轉(zhuǎn)子365定子370發(fā)電機護(hù) 罩375制動盤377制動卡鉗380旋轉(zhuǎn)輪轂385軸承390變槳管410齒輪箱412齒輪箱 背板415緊固件420行星托架425環(huán)形齒輪426環(huán)形齒輪430行星小齒輪435行星齒 輪436行星齒輪440太陽齒輪441太陽齒輪442太陽小齒輪軸480內(nèi)輪轂505襯墊510 墊板512絕緣體514緊固件580內(nèi)輪轂586密封件
具體實施例方式圖1中示出了一種典型的商用水平軸風(fēng)力渦輪機(HAWT) 100。風(fēng)力渦輪機100可 包括通常由鋼制成的管狀塔架110?？赏ㄟ^將多個塔架段堆疊在彼此的頂部上來豎起塔架 110。塔架110支承機艙120、葉片130和輪轂140的重量。塔架也可為柵格(桁架)型的， 且管狀塔架可備選地由混凝土形成。機艙120通常容納傳動系統(tǒng)(例如齒輪箱、軸、聯(lián)接 件、發(fā)電機等)，以及主機架(也稱為底板)和偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器。諸如控制電子裝置的其它物品 也可容納在機艙120內(nèi)。通常，機艙120具有由諸如玻璃纖維或石墨合成物的輕量材料構(gòu) 成的外皮。機艙外皮的主要功能是保護(hù)容納物不受自然環(huán)境(例如雨、冰、雪等)影響。葉片130連接到輪轂140上，而輪轂可包含變槳控制機構(gòu)，以控制各個葉片的槳距 角。通常，在大多數(shù)商用風(fēng)力渦輪機中采用三個葉片，但是，也可采用一個、兩個或四個或更 多的葉片。葉片通過使低速軸旋轉(zhuǎn)將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化成機械能。葉片可由玻璃纖維或石墨合 成物、玻璃纖維增強的塑料或木材/環(huán)氧層壓材料，或其它合適的材料制成。低速軸通常通 過栓接的法蘭聯(lián)接件連接到輪轂140上。使用發(fā)電機來將軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成電能。通常使用齒輪箱來提高發(fā)電機的輸入軸的 速度。齒輪箱將低速軸作為其輸入，而輸出是較高速的軸，根據(jù)本發(fā)明的各方面，該較高速 的軸可直接供入發(fā)電機中。圖2示出了包括復(fù)合行星齒輪箱和發(fā)電機的一種已知的傳動系統(tǒng)。低速軸210由 兩個單獨的且軸向地隔開的主軸承215支承。低速軸210通過輪轂法蘭安裝件220連接到 風(fēng)力渦輪機100的輪轂140和葉片130上。因此，低速軸210由使葉片130轉(zhuǎn)動的風(fēng)驅(qū)動。 低速軸210通過扭矩傳遞聯(lián)接件230連接到行星托架240上。行星托架240支承行星齒輪 242和行星小齒輪244，行星齒輪242和行星小齒輪244共用共同的軸。環(huán)形齒輪246固定 地附連到齒輪箱殼體248上，且與行星小齒輪244嚙合。太陽齒輪250由行星齒輪242驅(qū) 動，而太陽齒輪250的輸出直接供入發(fā)電機260中。發(fā)電機260具有定子262和轉(zhuǎn)子264。轉(zhuǎn)子264由轉(zhuǎn)子軸承266支承，轉(zhuǎn)子軸承 266被封閉在發(fā)電機260內(nèi)。這種設(shè)計的一個缺點在于，轉(zhuǎn)子軸承266是與齒輪箱隔開的。 如果需要接近轉(zhuǎn)子軸承，則必須移除整個發(fā)電機260。這對安裝在偏遠(yuǎn)地點的風(fēng)力渦輪機來 說可能是非常耗時及勞動密集型的過程。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的緊湊型傳動系統(tǒng)的截面圖。一個主要改進(jìn)是發(fā)電 機軸承是容納在齒輪箱內(nèi)的，從而允許齒輪箱潤滑到達(dá)軸承，從而消除了發(fā)電機軸承對單 獨的潤滑系統(tǒng)的需求。另一個優(yōu)點是可在不必移除發(fā)電機的情況下接近軸承以進(jìn)行維護(hù)。圖3中示出了復(fù)合行星齒輪箱310，但要理解的是，任何合適類型的齒輪箱均可與 本發(fā)明一起使用，包括但不限于行星式、雙行星式、周轉(zhuǎn)式和其它類型的齒輪箱。齒輪箱殼 體312通過緊固件315或任何其它合適的緊固器件直接連接到發(fā)電機定子殼體351上。齒 輪箱310包括行星托架320、環(huán)形齒輪325、行星小齒輪330、行星齒輪335和太陽齒輪340。太陽小齒輪軸342用作發(fā)電機350的機械輸入。發(fā)電機350包括轉(zhuǎn)子360和定子 365。如圖3所示，發(fā)電機轉(zhuǎn)子360通過法蘭安裝布置361安裝到旋轉(zhuǎn)輪轂380上。旋轉(zhuǎn)輪 轂380緊緊地安裝在轉(zhuǎn)子軸承385的外座圈上，轉(zhuǎn)子軸承385又緊緊地安裝在齒輪箱殼體 312的管狀伸出部上。在旋轉(zhuǎn)輪轂380和齒輪箱殼體312之間有效地旋轉(zhuǎn)的、優(yōu)選地為迷宮 型的密封單元386，允許齒輪箱潤滑劑潤滑軸承385，而不會漏出齒輪箱。緊湊型傳動系統(tǒng)包括制動系統(tǒng)，以為風(fēng)力渦輪機至少提供停機制動功能。圖3中 體現(xiàn)的制動系統(tǒng)包括至少一個制動盤375和一個液壓制動卡鉗377。制動盤375剛性地安 裝到旋轉(zhuǎn)輪轂380上，且從而以與發(fā)電機轉(zhuǎn)子360相同的速度旋轉(zhuǎn)。制動卡鉗377剛性地 安裝到發(fā)電機定子殼體350上，且從而制動卡鉗377是固定的。使用發(fā)電機護(hù)罩370來使 發(fā)電機相對于制動盤375和制動卡鉗377密封。緊湊型傳動系統(tǒng)可容易地適應(yīng)其它類型的 制動系統(tǒng)，包括鼓式和蹄式制動系統(tǒng)，以及以氣動的方式促動的系統(tǒng)。太陽齒輪340、太陽小齒輪軸342和托架320是空心的，以容納變槳管390，變槳管 390承載用于風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子輪轂變槳系統(tǒng)控制器的控制和功率配線。變槳管以與風(fēng)力渦 輪機轉(zhuǎn)子和托架320相同的速度旋轉(zhuǎn)，并且從而變槳管在其前(逆風(fēng))端處剛性地附連到 托架320上。變槳管的順風(fēng)端或后端由安裝在剛性地安裝到旋轉(zhuǎn)輪轂380上的殼體中的軸 承381支承。優(yōu)選為迷宮型的變槳管密封件382防止齒輪箱潤滑劑在變槳管周圍漏出齒輪 箱。發(fā)電機定子365優(yōu)選電連接到電力電子變換器上，電力電子變換器控制和調(diào)節(jié)從 風(fēng)力渦輪機供應(yīng)到公共電網(wǎng)的由發(fā)電機提供的電功率。法蘭安裝布置361 (將轉(zhuǎn)子360連接到旋轉(zhuǎn)輪轂380上)可選地包含絕緣層和絕 緣螺栓，以在轉(zhuǎn)子360和旋轉(zhuǎn)輪轂380之間提供電絕緣，從而對軸承385(和內(nèi)部齒輪箱軸 承)提供保護(hù)，使其不受由電力電子變換器產(chǎn)生的損害性電流的影響。絕緣層材料優(yōu)選為 玻璃纖維增強的聚合物，例如G10或G11。接地電刷372通過定子護(hù)罩370和定子架351在轉(zhuǎn)子360和大地之間提供低阻抗 的接地路徑。接地電刷通過確保轉(zhuǎn)子(和軸承)處的感生電壓處在期望閾值以下(例如約 < 2伏)，來提供保護(hù)軸承385(和內(nèi)部齒輪箱軸承)不受損害性電流的影響的額外措施。圖4示出了采用雙行星齒輪箱的根據(jù)本發(fā)明的方面的緊湊型傳動系統(tǒng)的截面圖。 齒輪箱400通過緊固件415直接連接到發(fā)電機350上。齒輪箱400包括齒輪箱殼體412、行 星托架420、環(huán)形齒輪425和426、行星小齒輪430、行星齒輪435和436以及太陽齒輪440 和 441。第二級太陽小齒輪軸442用作發(fā)電機350的輸入。發(fā)電機350包括轉(zhuǎn)子360和定 子365。使用發(fā)電機護(hù)罩370來使發(fā)電機相對于制動盤375和制動卡鉗377密封開。如圖4所示，發(fā)電機350安裝在內(nèi)輪轂480上，其通過緊固件415而固定和附連到齒輪箱背板414 上。轉(zhuǎn)子軸承385置于內(nèi)輪轂480和齒輪箱背板414的伸出部之間?？衫酶鶕?jù)本發(fā)明的方面的發(fā)電機/齒輪箱構(gòu)造來實現(xiàn)許多優(yōu)點。發(fā)電機350懸 出齒輪箱310 (或400)的背部，其中齒輪箱的背部限定為高速軸輸出端。發(fā)電機定子殼體 安裝到齒輪箱背板312、414(例如通過栓接的法蘭布置)上。齒輪箱的高速輸出是具有轉(zhuǎn) 子軸承385的旋轉(zhuǎn)輪轂380、480。轉(zhuǎn)子軸承385安裝在固定及附連到齒輪箱背板312、414 上的內(nèi)輪轂上。發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝到齒輪箱的旋轉(zhuǎn)輪轂380、480上，從而使得“發(fā)電機”軸承 完全包含在齒輪箱內(nèi)，從而分享齒輪箱系統(tǒng)的潤滑和冷卻。密封件586可有助于將齒輪箱 潤滑介質(zhì)保持在輪轂480的內(nèi)部內(nèi)。太陽齒輪軸/小齒輪342、442可通過花鍵或齒輪齒連接件連接到旋轉(zhuǎn)輪轂380、 480上，從而允許太陽齒輪使其本身在行星齒輪之間居中。花鍵連接件可包括用以承受特別 是由于斜齒輪嚙合引起的軸向推力的軸向止動器。發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝件可為法蘭安裝布置，且可選地具有夾在轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)輪轂之間的 絕緣材料(具有絕緣螺栓、墊圈等)，以在發(fā)電機轉(zhuǎn)子和傳動系統(tǒng)中的所有軸承之間提供電 絕緣。如圖4所示，發(fā)電機轉(zhuǎn)子360通過雙法蘭聯(lián)接件連接到旋轉(zhuǎn)輪轂480上，該雙法蘭聯(lián) 接件由墊板510、可選的絕緣體512和緊固件514組成。絕緣體512夾在旋轉(zhuǎn)輪轂480和 轉(zhuǎn)子360之間，且可由任何合適的電絕緣材料構(gòu)成。例如，絕緣體512可為玻璃增強的聚合 物，例如G10或G11。絕緣體512使以電容的方式耦合的轉(zhuǎn)子電壓(例如由電力電子變換器 產(chǎn)生)與發(fā)電機軸承和齒輪箱的剩余部分隔絕。通過結(jié)合絕緣體512來保護(hù)軸承385不受 電流損害。制動盤375直接安裝到旋轉(zhuǎn)輪轂380、480(例如通過栓接的法蘭)上。至少一個 制動卡鉗377可安裝到發(fā)電機殼體上，且根據(jù)需要對制動盤375施加制動力。圖5示出了圖4的傳動系統(tǒng)的分解截面圖。在組裝和/或拆卸期間，PM發(fā)電機350 是“無軸承”的，而雙法蘭聯(lián)接件使得能夠在不移除發(fā)電機的情況下更換發(fā)電機軸承?？梢瞥苿颖P375和制動卡鉗377。然后可移除發(fā)電機護(hù)罩370，以允許接近輪轂 480。轉(zhuǎn)子360和定子365可通過栓接的和/或夾緊的夾具/襯墊505剛性地彼此連接。然 后將結(jié)合的轉(zhuǎn)子和定子固定到定子殼體351上?？赏ㄟ^移除緊固件481和軸承385保持器(未示出)來移除輪轂480。然后可將 輪轂480拉離發(fā)電機背板414和軸承385?，F(xiàn)在可更換或修理發(fā)電機軸承385，而不必移除 發(fā)電機350、轉(zhuǎn)子360或定子365，從而大大地降低維護(hù)成本。懸臂式安裝和聯(lián)接布置的一個優(yōu)點在于，即便是在使齒輪箱相對于風(fēng)力渦輪機底 板和低速輸入軸偏斜的極端的風(fēng)載荷下，懸臂式安裝和聯(lián)接布置也允許發(fā)電機和制動系統(tǒng) 保持與齒輪箱成一直線。一種優(yōu)選的發(fā)電機類型是PM同步發(fā)電機，但也可使用感應(yīng)發(fā)電機、繞線磁極式同 步發(fā)電機，或雙饋異步發(fā)電機。已經(jīng)描述了采用單個發(fā)電機的風(fēng)力渦輪機，但將理解的是， 也可在修改齒輪箱的情況下使用多個發(fā)電機。雖然本文已經(jīng)描述了各種實施例，但根據(jù)說明書將理解，可進(jìn)行元件、變型的各種 組合及其改進(jìn)，且處在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于風(fēng)力渦輪機的傳動系統(tǒng)，所述風(fēng)力渦輪機包括連接到低速軸上的轉(zhuǎn)子，連接到齒輪箱上的低速軸，所述齒輪箱具有連接到發(fā)電機上的高速軸，所述傳動系統(tǒng)包括置于所述齒輪箱(400)和所述發(fā)電機(350)之間的軸承(385)；至少部分地包含在所述齒輪箱內(nèi)的齒輪箱潤滑介質(zhì)；其中，所述軸承與所述齒輪箱共用所述齒輪箱潤滑介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子， 所述傳動系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接到所述發(fā)電機和所述軸承上的輪轂安裝件(480)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機用絕緣緊固件連接到所 述輪轂安裝件上，所述絕緣緊固件在所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子和所述齒輪箱之間提供大體上的電絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機附連到所述齒輪箱的殼 體上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機通過栓接的法蘭連接件 附連到所述殼體上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述高速軸連接到旋轉(zhuǎn)輪轂上，所述 傳動系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接到齒輪箱殼體的至少一部分上的一個或多個軸承； 其中，所述一個或多個軸承置于所述旋轉(zhuǎn)輪轂和所述齒輪箱殼體之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述齒輪箱構(gòu)造成以下中的至少一種行星式、雙行星式、復(fù)合行星式和周轉(zhuǎn)式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述齒輪箱包括至少一個太陽齒輪 和至少一個太陽軸，所述至少一個太陽軸連接到所述旋轉(zhuǎn)輪轂上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個太陽軸通過花鍵和齒 輪齒連接件中的至少一種連接到所述旋轉(zhuǎn)輪轂上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳動系統(tǒng)，其特征在于，所述傳動系統(tǒng)進(jìn)一步包括 制動盤；其中，所述制動盤直接安裝到所述旋轉(zhuǎn)輪轂上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種緊湊型齒輪傳動系統(tǒng)。提供了一種用于風(fēng)力渦輪機的傳動系統(tǒng)。風(fēng)力渦輪機包括連接到低速軸上的轉(zhuǎn)子，以及連接到齒輪箱(400)上的低速軸。齒輪箱具有連接到發(fā)電機(350)上的高速軸。該傳動系統(tǒng)包括置于齒輪箱和發(fā)電機之間的軸承(385)。齒輪箱潤滑介質(zhì)至少部分地包含在齒輪箱內(nèi)，且軸承與齒輪箱共用齒輪箱潤滑介質(zhì)。
文檔編號F03D11/00GK101865084SQ20101000552
公開日2010年10月20日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者A·D·加德里, G·R·巴恩斯, I·A·休斯, M·洛克漢瓦拉, P·L·詹森, R·N·道森 申請人:通用電氣公司