用以減輕轉(zhuǎn)矩反向的風(fēng)力渦輪機(jī)聯(lián)接件的制作方法
【專利說明】用以減輕轉(zhuǎn)矩反向的風(fēng)力渦輪機(jī)聯(lián)接件
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年9月26日以同一標(biāo)題提交的未決的美國臨時(shí)申請序號(hào)61/882,856的權(quán)益，所述申請以引用的方式完全并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明在本文中涉及插入在風(fēng)力渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的聯(lián)接件。具體來說，本發(fā)明涉及被構(gòu)造成消除轉(zhuǎn)矩反向?qū)︼L(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的齒輪箱軸承的不良影響的這樣一種聯(lián)接件。
【背景技術(shù)】
[0004]在過去幾十年中已安裝了超過100，000兆瓦和多兆瓦的風(fēng)力渦輪機(jī)，幾乎全部使用了與增速器類似的結(jié)合有齒輪箱的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安置在渦輪機(jī)葉片與發(fā)電機(jī)之間。齒輪箱被設(shè)計(jì)成具有20年的壽命，但通常需要在5至10年或更少的時(shí)間進(jìn)行修復(fù)或更換。齒輪箱軸承的軸向斷裂逐漸成為風(fēng)電場投資回報(bào)的主要成本因素。瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩反向期間的沖擊負(fù)荷已被認(rèn)為是這種損壞的根本原因。最近的研究表明，非常規(guī)模式的軸承損壞(稱為白色浸蝕區(qū)域(WEA)損壞)導(dǎo)致軸承的軸向斷裂。WEA損壞實(shí)際上是微觀材料變化，在其中可能引發(fā)斷裂并且斷裂擴(kuò)展的軸承滾道正下方形成超硬內(nèi)含物像長條。嚴(yán)重的和快速的微觀塑性變形被懷疑是WEA損壞的原因。
[0005]在轉(zhuǎn)矩反向期間，齒輪箱軸承的負(fù)荷區(qū)突然移位180度。軸承輥徑向地沖擊到滾道上，同時(shí)從螺旋齒輪發(fā)生高的軸向負(fù)荷反向。沖擊負(fù)荷和軸向地面牽引負(fù)荷的幅度和速率二者確定軸承內(nèi)座圈中WEA塑性變形的可能性。驅(qū)動(dòng)鏈的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)固有頻率越高，轉(zhuǎn)矩變化率越大，并且因此當(dāng)輥沖擊軸承內(nèi)座圈時(shí)，應(yīng)變率更高。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)的大小增大時(shí)，快速軸承負(fù)荷區(qū)反向期間的高應(yīng)變率以及高的沖擊應(yīng)力似乎超過其中在軸承內(nèi)座圈中引發(fā)WEA損壞的閾值。一旦引發(fā)，正常的輥負(fù)荷即可在僅僅一年或兩年內(nèi)引起軸向斷裂和軸承失效。
[0006]在風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，高慣性表征整個(gè)系統(tǒng)，從渦輪機(jī)葉片、主軸、齒輪箱高速聯(lián)接件到發(fā)電機(jī)自身。實(shí)際上，最高的慣性通常位于該系統(tǒng)的兩端，即位于葉片和發(fā)電機(jī)處。在轉(zhuǎn)矩反向時(shí)，系統(tǒng)的高慣性可顯著影響系統(tǒng)部件的全部，尤其是齒輪箱。在美國專利申請公開US 2012/045335中所描述的非對稱性轉(zhuǎn)矩限制離合器系統(tǒng)描述了這個(gè)問題的解決方案。替代解決方案考慮到增加系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)卷繞(包括葉片、主軸、齒輪箱、高速軸/聯(lián)接件和發(fā)電機(jī)中的某些)，這會(huì)降低固有頻率。如果這單獨(dú)進(jìn)行，則可能會(huì)在渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中引起其他問題；諸如渦輪機(jī)其他零件中的諧振頻率問題。例如，已知的是，齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間的聯(lián)接間隔件可具有有問題的軸向固有頻率，這可能會(huì)引起間隔件元件的諧振和破壞。正常操作期間系統(tǒng)固有頻率的任何變化都可能使得渦輪機(jī)的再認(rèn)證成為必需。
[0007]必須以不影響渦輪機(jī)正常操作的方式來增加扭轉(zhuǎn)卷繞。這可通過與高的扭轉(zhuǎn)卷繞和/或位移能力并行的高的摩擦滑動(dòng)能力來完成。例如，如果摩擦轉(zhuǎn)矩設(shè)置為額定渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩的40%，那么在介于20%與100%的額定渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩的正常操作期間不存在滑動(dòng)，如從圖1顯而易見。發(fā)生摩擦滑動(dòng)的唯一時(shí)間是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)看到總轉(zhuǎn)矩變化超過額定渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩的80%時(shí)，例如啟動(dòng)和關(guān)閉期間的短暫時(shí)期。僅在超過摩擦滑動(dòng)設(shè)置的偶發(fā)的系統(tǒng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩反向期間出現(xiàn)顯著的滑動(dòng)。應(yīng)當(dāng)考慮的是，摩擦轉(zhuǎn)矩設(shè)置應(yīng)當(dāng)這樣以適應(yīng)正常啟動(dòng)和關(guān)閉操作期間的某些小的滑動(dòng)，從而使得摩擦表面保持干凈并且無腐蝕。
[0008]如果高的扭轉(zhuǎn)卷繞受到扭轉(zhuǎn)彈簧的影響，如本發(fā)明的實(shí)施方案中所考慮的那樣，那么扭轉(zhuǎn)彈簧速率可以是非對稱的，以使得對于位移的一部分來說，反向上的彈簧速率可能低于或接近零。任何反向轉(zhuǎn)矩事件都僅在也就是說40%的正常渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩的摩擦電阻下滑動(dòng)。反向行進(jìn)角需要是充分的以吸收驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的反向瞬時(shí)卷繞能量。對于發(fā)電機(jī)以lOOOrpm或更大操作的典型渦輪機(jī)來說，這可能需要進(jìn)行10至50度或更大的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對于具有較低發(fā)電機(jī)速度的渦輪機(jī)來說，所需的扭轉(zhuǎn)位移將更低，在1至5度/lOOrpm的范圍內(nèi)。
[0009]現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機(jī)的典型聯(lián)接系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成在齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間具有顯著并行的角和軸向軸失配能力，以適應(yīng)輕質(zhì)基板結(jié)構(gòu)的撓曲。這些聯(lián)接系統(tǒng)典型地具有零候蟲并且是非常扭轉(zhuǎn)剛性的，具有非常少的卷繞能力。這些扭轉(zhuǎn)特征對于防止在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和渦輪機(jī)部件中出現(xiàn)諧振問題是極其重要的。某些聯(lián)接系統(tǒng)裝配有摩擦轉(zhuǎn)矩限制器，這些限制器被設(shè)置為額定渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩的150%至200%。這些限制器意欲保護(hù)聯(lián)接件免受非常高的轉(zhuǎn)矩過載諸如發(fā)電機(jī)短路的影響。這些轉(zhuǎn)矩限制器已被證明在保護(hù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)尤其是齒輪箱免受瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩反向的影響方面是無效的，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩反向?qū)X輪箱軸承的沖擊負(fù)荷可能會(huì)大大縮短生命。
[0010]利用了與低摩擦阻尼并行的扭轉(zhuǎn)卷繞的聯(lián)接系統(tǒng)諸如Spaetgens專利N0.2，909，911和Lech專利N0.4，5548，311已存在了很長時(shí)間。它們通常用于內(nèi)燃機(jī)。它們的扭轉(zhuǎn)卷繞能力用于將該系統(tǒng)的固有頻率調(diào)整到設(shè)備的操作范圍之外。它們與扭轉(zhuǎn)卷繞并行的摩擦阻尼部件通常非常小并且用于控制離合器板以及空轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)移期間的齒輪咔嗒噪聲和損壞。這些類型的聯(lián)接件通常與發(fā)動(dòng)機(jī)離合器整合在一起，該發(fā)動(dòng)機(jī)離合器的摩擦滑動(dòng)設(shè)置非常高并且與扭轉(zhuǎn)卷繞能力串行而非并行。Lech是很好的示例。并行的摩擦部件具有非常低的摩擦滑動(dòng)設(shè)置。
[0011]本發(fā)明成功的關(guān)鍵之處在于聯(lián)接系統(tǒng)，該聯(lián)接系統(tǒng)具有高的扭轉(zhuǎn)卷繞和/或位移能力以及高的摩擦滑動(dòng)能力以僅僅在瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩反向事件期間僅僅顯著地阻尼該系統(tǒng)(參看圖1)。具有以1000至ISOOrpm操作的高速發(fā)電機(jī)的典型渦輪機(jī)將需要在轉(zhuǎn)矩設(shè)置為渦輪機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的至少10%的情況下進(jìn)行至少10度的反向滑動(dòng)。理想地，反向滑動(dòng)在40%反向轉(zhuǎn)矩下會(huì)超過20度。現(xiàn)有技術(shù)中在任何地方都不存在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有能夠改良高轉(zhuǎn)矩反向的扭轉(zhuǎn)位移和/或卷繞與扭轉(zhuǎn)摩擦阻尼的這樣一種組合。對于風(fēng)力渦輪機(jī)的獨(dú)特的有挑戰(zhàn)性的反向來說，這當(dāng)然不是正確的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]鑒于上述內(nèi)容，本發(fā)明第一方面在風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中提供具有非對稱扭轉(zhuǎn)性質(zhì)的改進(jìn)的風(fēng)力渦輪機(jī)聯(lián)接件，以保護(hù)齒輪箱軸承免于因扭轉(zhuǎn)反向而受損。
[0013]本發(fā)明另一方面提供在前向方向上在正常操作期間具有非常少的卷繞或扭轉(zhuǎn)位移而在反向方向上具有顯著的扭轉(zhuǎn)卷繞和/或位移的風(fēng)力渦輪機(jī)聯(lián)接系統(tǒng)。
[0014]本發(fā)明另一方面提供很容易適應(yīng)現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機(jī)聯(lián)接件以增強(qiáng)操作和耐用性的風(fēng)力渦輪機(jī)聯(lián)接系統(tǒng)。
[0015]本發(fā)明另一方面在風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)中提供與扭轉(zhuǎn)卷繞和/或位移并行的摩擦滑動(dòng)能力。
[0016]本發(fā)明另一方面提供具有充分高的摩擦滑動(dòng)能力以至于在正常操作期間存在很少或不存在滑動(dòng)的風(fēng)力渦輪機(jī)聯(lián)接系統(tǒng)。
[0017]本發(fā)明另一方面提供在針對