CN103069159A - 风力涡轮扭矩限制离合器系统 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮发电系统，其包括连接至具有输出轴的增速变速箱的风力涡轮。还提供一种具有输入轴的发电机。不对称的耦合件使输入轴和输出轴互连。耦合件包括第一扭矩限制离合器，其与在输入轴与输出轴之间的单向离合器串联连接。提供第二扭矩限制离合器，其与在输入轴与输出轴之间的单向离合器并联连接。第一扭矩限制离合器和第二扭矩限制离合器具有不同的特有滑动扭矩。离合器的互连和单向离合器的实施提供第一扭矩限制离合器和第二扭矩限制离合器在输入轴和输出轴的相反旋转方向上的有效操作。第二扭矩限制离合器的特有滑动扭矩是第一扭矩限制离合器的一小部分，第二扭矩限制离合器针对反向推动负载提供保护。

Description

风力涡轮扭矩限制离合器系统

技术领域

本文中本发明属于电力传输装置的领域，且更特别地说属于风力涡轮中使用的扭矩限制离合器。明确地说，本发明涉及一种用于保护风力涡轮免受由扭矩反向造成的轴承和齿轮损坏。本发明提供一种在风力涡轮上使用的不对称的扭矩限制耦合系统，其中正向扭矩限制离合器和反向扭矩限制离合器以成对的关系提供，且所述反向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩是所述正向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩的一小部分。本发明专注于提供这样一种扭矩限制离合器配置作为现有系统的改进方案或作为原始设备。

背景技术

在过去十年已经安装数万风力涡轮，几乎全部是使用并入定位在涡轮叶片与发电机之间的变速箱作为增速器的类似传动系统。变速箱通常经过专门设计且希望确保轴承和齿轮适当对齐以采取其专门的设计负载。这些设计负载通常集中在正向操作旋转方向上。但是，已经发现高反向扭矩会影响变速箱的轴承和齿轮的寿命。在扭矩反向期间，齿轮和轴承变成未对准，在接触表面上引起高度集中的负载。即使是中等的反向扭矩峰值也会损坏未对准的轴承和齿轮。存在多种操作状态，包括传动系和变速箱中的扭转振动，其中一些会在反向传动方向上造成严重扭转。这些状态会发生在(a)当电接触器将风力涡轮发电机接合到栅格时启动之后；(b)在紧急制动期间；(c)在当卡钳制动器接合时的常规制动期间；(d)在栅格断开连接事件期间；和(e)在各种电力故障和控制失效的任一种期间。

虽然用于风力涡轮的变速箱通常设计有20年的轴承和齿轮寿命，但已经发现风力涡轮设计中的变速箱的平均寿命是7年到11年的级别。变速箱更换的成本极高，不仅是直接成本，在停工期也是如此。事实上，据信许多风力涡轮设计中的过早变速箱故障已经成为反向扭矩负载的主要原因，因为未曾提供有效保护。许多风力涡轮具有传统的摩擦扭矩限制耦合件，通常设置在风力涡轮的额定扭矩的150%至200%。这些不会对反向负载下的未对准的轴承和齿轮提供保护。本发明专注于一种不对称的扭矩限制器耦合系统，其中设置在标准正向方向上的高扭矩和设置在反向方向上的低扭矩会显著改进变速箱寿命。

发明内容

根据前述内容，本发明的第一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其中在正向和反向操作方向上都提供变速箱保护。

本发明的另一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其中提供具有不对称性质的双向保护。

本发明的又一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其中提供反向扭矩限制器，其特有滑动扭矩是正向方向上的特有滑动扭矩的一小部分。

本发明的又一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其中离合器机构被封围、密封和干燥，且在惰性气体环境中操作。

本发明的又另一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其包括用于监视叶片轴与发电机轴之间的相位角和滑动来评定关联到变速箱的扭矩的系统。

本发明的又一方面是提供一种风力涡轮扭矩限制离合器系统，其易于适应现有风力涡轮用于增强的操作和耐久性。

通过风力涡轮发电系统中的改进来实现在进行详细描述时显而易知的本发明的前述和其它方面，所述风力涡轮发电系统包括连接到具有高速输出轴的增速变速箱的风力涡轮，和具有输入轴的发电机，所述改进处包括：耦合系统，其使所述输出轴与输入轴互连，所述耦合系统是不对称的，其在第一正向旋转传动方向上具有第一特有滑动扭矩，且在第二反向旋转传动方向上具有第二特有滑动扭矩。

本发明的其它方面通过一种风力涡轮发电系统达成，其包括：风力涡轮，其连接至具有高速输出轴的增速变速箱；发电机，其具有输入轴；和不对称的耦合件，其使所述输入轴和所述输出轴互连；所述不对称的耦合件包括与在所述输入轴与所述输出轴之间的所述单向离合器串联连接的第一扭矩限制离合器，和与在所述输入轴与所述输出轴之间的所述单向离合器并联连接的第二扭矩限制离合器，所述第一扭矩限制离合器和所述第二扭矩限制离合器具有不同的特有滑动扭矩。

附图说明

为了全面了解本发明的各个方面和结构，应参考下文详细描述和附图，其中：

图1是根据先前技术的风力涡轮发电机的功能示意图；

图2是本发明的第一实施方案的功能示意图，特别调适为具有传统扭矩限制器的现有耦合系统的翻新方案；

图3是之前不包括扭矩限制器的风力涡轮发电机的翻新方案的功能示意图；和

图4是根据本发明的具有不对称的扭矩限制耦合件且作为原始设备实施的风力涡轮发电机的功能示意图。

具体实施方式

现在参考附图且更特别参考图1，可见根据先前技术制造的风力涡轮发电系统一般由数字10标明。系统10包括附接到低速涡轮轴14的一串涡轮叶片12。涡轮轴14穿到变速箱16，其用来以标准方式大大提高变速箱输出轴18的旋转速度。如本领域技术人员易于了解，卡钳制动器20与粘附到变速箱输出轴18的制动器转子22关联地操作，以选择性地停止轴18的旋转。如所示，耦合件介于变速箱输出轴18与发电机轴26之间。本领域技术人员将了解耦合件包括耦合间隔器24，其具有被调适以适应轴18、26之间的未对准的挠曲元件25。

扭矩限制器或扭矩限制离合器28与发电机轴26关联地提供以使变速箱输出轴18和连接的变速箱16与过多的间歇性扭矩隔离。本领域技术人员将了解扭矩限制离合器28通常具有特有滑动扭矩，其设置为计划应用于变速箱16的额定扭矩的1.2倍至2倍。一般来说，扭矩限制离合器28设置在这个额定扭矩的1.5倍。本领域技术人员将了解扭矩限制离合器28通常是双向的，在顺时针方向和逆时针方向旋转模式下以相等滑动扭矩操作。但是，特有滑动扭矩限制器28通常在超过针对反向扭矩偏移提供保护所需的扭矩的情况中表现良好。

如上文呈现，先前技术风力涡轮发电系统10的设计和关联的扭矩限制离合器28极少关注反向传动方向上未对准的轴承和齿轮上的扭矩负载的存在，这种扭矩引起变速箱损坏和早期维修和修理的必要性。如图2至图4中所示且如下文描述，本发明用以通过针对反向负载提供增强的扭矩限制保护来解决这个问题。

现在参考图2，可见根据本发明制造的风力涡轮发电系统的第一实施方案一般由数字32标明。这个第一实施方案呈现为目前使用扭矩限制离合器的系统的翻新方案。如所示，变速箱16具有输出传动轴18，其与卡钳制动器20和制动器转子22操作性地连通。变速箱轴18与发电机轴26通过耦合间隔器34和挠曲元件25互连。耦合间隔器34包括一对同心重叠毂36、38，其分别与轴18、26互连。滑动扭矩通常是系统32的额定扭矩的1.2倍至2倍的第一扭矩限制离合器28介于耦合间隔器34与发电机轴26之间。在图2的实施方案中，扭矩限制离合器28是风力涡轮发电系统的原始设备的一部分。为了针对反向扭矩发生情况提供保护，轴18、26之间的原始耦合由包括具有与超速机构42并联的扭矩限制离合器40的毂36、38的耦合间隔器34替代。超速机构42通常将包括单向离合器，其在第一旋转方向上提供毂36、38之间的直接互连，并且在相反方向上处于空转轮状态。因此，扭矩限制离合器40用作为反向扭矩限制离合器，其在反向旋转方向上提供具有特有滑动扭矩的毂36、38之间的互连。在本发明的优选实施方案中，扭矩限制离合器40的特有滑动扭矩是扭矩限制离合器28所受到的额定扭矩的一小部分。

进一步如图2中所示，密封件44可用以提供密封壳体并且保护耦合间隔器34，且尤其保护扭矩限制离合器40和超速机构42免受环境影响。优选的是干燥环境。为了进一步保护这些元件免受环境影响，期望用惰性气体（诸如氮）略微加压壳体。加压的内部的存在由合适的压力指示器45（诸如球胆或弹簧偏置杆）指示。

在常规正向传动方向上，图2的风力涡轮发电系统32操作使得变速箱轴18通过耦合间隔器34在第一旋转方向上传动发电机轴26。通过介于耦合间隔器34与发电机轴26之间的扭矩限制离合器28来提供保护。在这个旋转方向上，超速机构或单向离合器42提供毂36、38之间的直接互连。

在反向扭矩的情况下，单向离合器42变成空转轮状态且通过反向扭矩限制离合器40提供毂36、38之间的互连。扭矩限制离合器40的特有滑动扭矩小于扭矩限制离合器28的特有滑动扭矩，且因此，针对反向负载扭矩对变速箱16的保护由反向扭矩限制离合器40来提供。

现在参考图3，可见风力涡轮发电系统的第二实施方案一般由数字46标明。系统46再次通过用耦合间隔器48替换原始耦合间隔器来提供现有系统的翻新方案。这个修改尤其适于不提供有扭矩限制离合器的系统。因此，提供在变速箱轴18与发电机轴26之间的耦合间隔器48包括一对毂50、52，其间介入扭矩限制互连件。此外，超速机构或单向离合器54提供为与扭矩限制离合器56串联连接，使扭矩限制器56表现为正向扭矩限制离合器，且单向离合器56在相反方向上处于空转轮状态。反向扭矩限制离合器58介于与单向离合器54和正向扭矩限制离合器56之间的互连件并联的毂50、52之间。此外，扭矩限制离合器58的特有滑动扭矩是但仅仅是扭矩限制离合器56的特有滑动扭矩的一小部分。因此，单向离合器54确保扭矩限制离合器56控制正向扭矩施加，而扭矩限制离合器58控制反向扭矩关联。

本发明还专注于使用监视和记录装置来评定风力涡轮发电系统的各个元件之间的滑动和扭矩。在图3的实施方案中，可变磁阻磁性传感器或传感器60、62、64被定位为与变速箱轴18（传感器60）、毂50（传感器62）和发电机轴26（传感器64）关联。传感器60、62、64中的每一个提供对应于关联元件18、50、26的旋转移动的输出。因此，沿着电力传输传动18、48、26经受的滑动和扭矩可通过监视器/记录器66不断地监视。如所示，发电机30的输出也可被这样记录。

本领域技术人员将了解不仅可测量各个元件的旋转速度，而且还可测量这些元件之间的相位角。举例而言，本领域技术人员将了解传感器60与传感器62之间的相位角差指示所述传感器之间的特有扭转扭曲，因此可转移到耦合系统中的扭矩。当传感器60、62提供处于彼此相位锁定对应的信号时，没有扭矩被授予轴18。类似地，在传感器60与64或62之间监视到的旋转速度差指示所述传感器所关联的元件之间的任何瞬时滑动。因此，监视器/记录器66可获得关于风力涡轮发电系统46中的传输轴和其耦合件的扭矩和滑动特性的数据。

现在参考图4，可见根据本发明制造的风力涡轮发电系统的原始设备一般由数字70标明。此处变速箱16再次具有通过耦合间隔器24和挠曲元件25互连到毂72的输出轴18，毂72与发电机30的发电机轴26操作性地传动连通。在本发明的原始设备实施方案中，用作为正向扭矩限制器的扭矩限制器74与单向离合器或超速机构76串联互连以使毂72与发电机轴26互连。扭矩限制离合器78与这个配置并联且进一步使毂72与发电机轴26互连，如图3的实施方案，扭矩限制离合器78操作以提供与扭矩限制离合器74相反定向的旋转的扭矩限制能力。这个反向扭矩限制器78的特有滑动扭矩是正向扭矩限制离合器74的特有滑动扭矩的一小部分。此外，如上所讨论，其操作相同。

应预期到本发明的各个实施方案通常将具有正向操作扭矩限制离合器，其特有滑动扭矩是系统受到的额定扭矩的1.2倍至2倍，且最优选的是这个扭矩的1.5倍级别。反向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩通常将小于正向扭矩限制离合器的特有滑动扭矩。如本领域技术人员所熟知和了解，还应预期到本发明的扭矩限制离合器可包括多个盘形离合器。当然，在适当关注包装限制的情况下，这些盘的尺寸和数量通常由所需的反作用力来决定。如上所呈现，本发明还预期本发明的扭矩限制离合器以及超速机构通常将处于惰性气体环境中，且惰性气体是在大于大气压力的压力下，从而确保免受环境影响。事实上，根据本发明的优选实施方案，考虑到填充氮的外壳。

本发明的监视器/记录器26企图用于记录和录入过多的扭矩和/或扭矩滑动事件。传感器60、62、64可具有任何适当性质，但目前期望是可变磁阻金属环形传感器，其具有对应于旋转速度和位置的隔开轮齿传感信号。如熟练技术人员将了解，信号差指示扭矩和/或滑动。

与先前技术进行对比，本发明寻求保护风力涡轮发电系统的变速箱免受周期性碰撞这类系统的变速箱的反向扭矩的不利影响。通过提供上文呈现和描述的不对称的扭矩限制耦合件，正向和反向扭矩限制器可独立操作且具有不同设置，确保对变速箱的保护。

因此，可见本发明的各个方面已由上文呈现的结构所实现。根据专利条例，虽然仅上文呈现和详细描述本发明的最佳模式和优选实施方案，但本发明不限于此或不受限于此。因此，应参考以下权利要求来了解本发明的范畴和范围。

Claims (20)

1.一种风力涡轮发电系统，该风力涡轮发电系统包括连接至具有高速输出轴的增速变速箱的风力涡轮和具有输入轴的发电机，改进处包括：

耦合系统，该耦合系统使所述输出轴与输入轴互连，所述耦合系统是不对称的，所述耦合系统在第一正向旋转传动方向上具有第一特有滑动扭矩，且在第二反向旋转传动方向上具有第二特有滑动扭矩。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述第一特有滑动扭矩大于所述风力涡轮的额定扭矩，且所述第二特有滑动扭矩小于所述风力涡轮的额定扭矩。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述耦合系统包括具有所述第一特有滑动扭矩的第一扭矩限制离合器和具有所述第二特有滑动扭矩的第二扭矩限制离合器。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其还包括所述输出轴与所述输入轴之间的单向离合器，所述单向离合器在所述正向旋转方向上处于接合状态，且在所述反向旋转方向上处于空转轮状态。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述第一扭矩限制离合器与所述输出轴与所述输入轴之间的单向离合器串联连接。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述单向离合器与所述第二扭矩限制离合器并联连接。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述耦合系统包括同心毂，且所述单向离合器与所述第二扭矩限制离合器在其间并联互连。

8.根据权利要求6所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述耦合系统包括绕着所述输出轴和所述输入轴中的一个的毂，且其中所述第一扭矩限制离合器和所述第二扭矩限制离合器以及所述单向离合器介于所述毂与所述输出轴和所述输入轴中的一个之间。

9.根据权利要求6所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述第一扭矩限制离合器和所述第二扭矩限制离合器以及所述单向离合器各包括至少一个摩擦传动盘。

10.根据权利要求6所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述扭矩限制离合器和所述单向离合器的至少一个保持在密封壳体中。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述壳体用惰性气体填充。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述惰性气体在压力下保持在所述壳体中。

13.根据权利要求12所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其还包括压力指示器，所述压力指示器提供所述壳体内的所述压力的指示。

14.根据权利要求6所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其还包括传感器，所述传感器在所述输出轴和所述输入轴与所述耦合系统之间互连并且连接至监视器以测量所述耦合系统内的扭矩。

15.根据权利要求14所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述传感器使所述监视器能够测量所述扭矩限制离合器中的滑动。

16.根据权利要求15所述的风力涡轮发电系统中的改进处，其中所述传感器包括可变磁阻金属环形传感器。

17.一种风力涡轮发电系统，其包括：

风力涡轮，该风力涡轮连接至具有高速输出轴的增速变速箱；

发电机，该发电机具有输入轴；和

不对称的扭矩限制耦合件，该不对称的扭矩限制耦合件使所述输入轴和所述输出轴互连，所述不对称的扭矩限制耦合件包括与在所述输入轴与所述输出轴之间的所述单向离合器串联连接的第一扭矩限制离合器，和与在所述输入轴与所述输出轴之间的所述单向离合器并联连接的第二扭矩限制离合器，所述第一扭矩限制离合器和所述第二扭矩限制离合器具有不同的特有滑动扭矩。

18.根据权利要求17所述的风力涡轮发电系统，其中所述第二扭矩限制离合器的所述特有滑动扭矩是所述第一扭矩限制离合器的所述特有滑动扭矩的一小部分。

19.根据权利要求18所述的风力涡轮发电系统，其中所述第一扭矩限制离合器和所述第二扭矩限制离合器在相反的旋转方向上具有有效操作。

20.根据权利要求19所述的风力涡轮发电系统，其中所述第一扭矩限制离合器和所述第二扭矩限制离合器以及所述单向离合器是干燥的且保持在密封壳体中。

Images