专利名称：风轮机驱动组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风轮机用的驱动组件，其中转子轮毂将驱动转矩传送给行星式齿轮传动装置的行星架，而附装在支承结构例如引擎舱上的主轴承吸收来自转子轮毂的横向剪应力和弯矩力。
背景技术：
现有技术已知风轮机用的驱动组件，其中利用行星式齿轮传动装置将承载一个或多个风轮机叶片的转子轮毂的低速旋转转化成连接到对应发电机的一个或多个输出轴的高速旋转。例如WO 01/57398和WO 96/11338示出这种驱动组件，在WO 01/57398中转子轮毂被主驱动轴承载，该主驱动轴由两个主轴承支承在支承结构上并连接到行星架；在WO 96/11338中转子轮毂直接连接到行星架，而支承转子轮毂的主轴承与行星式齿轮传动装置分离地设置并在轴向上沿朝向风轮机叶片的方向与该装置错开。
WO 02/14690中公开了一种驱动组件，其中转子轮毂直接连接到行星架，而支承转子轮毂的主轴承通过行星式齿轮传动装置的齿圈一体地固定在支承结构上，从而主轴承的内圈被齿圈支承。在一特定实施例中，主轴承的内圈的沿径向方向的内表面贴靠齿圈的沿径向方向的外表面。WO03/014567中也公开了这种驱动组件，其中主轴承是双锥形轴承。
风轮机的额定输出功率随着风轮机的发展而不断地增加，并且待由驱动组件吸收的力也增加，这加大了对驱动组件的要求。同时，需要减小驱动组件的质量并使其更紧凑，这可通过上述的一体的设置实现，其中通过使转子轮毂直接连接到行星架而省略驱动组件的驱动轴。
在风轮机的正常运行—包括风轮机的启动和紧急停止—期间施加在转子轮毂上的各种力的自然变化的幅度随着风轮机输出功率的增加而增加，并且该变化会导致齿轮传动装置的部分由于驱动组件的部分、支承结构和将驱动组件的各部分固定在支承结构上的装置的弹性而发生临时的微小的未对齐。也会因风轮机正常运行下的其它变化例如轴承和相互啮合的齿(连接)的磨损而发生微小的未对齐。驱动组件的未对齐可导致在例如行星齿轮和齿圈之间的相互啮合的齿上产生过大的力，这或者因为行星架的旋转轴线相对于齿圈的旋转轴线倾斜，或者因为所述两个轴线不完全重合，或者这些情况都有。这种过大的负荷将导致齿磨损并且还会导致其老化。避免力的变化的负面影响的一般方案是将驱动组件的所有部分的尺寸形成为使其足够坚硬以基本防止发生不对齐。但是，这种设计会使得驱动组件的质量随着风轮机的输出功率增加而指数增加，从而较大的风轮机的组装将变得复杂，并且支承结构和风轮机塔架的尺寸必须形成为使其足够牢固以支承位于引擎舱内的重质量并防止塔架振荡。
WO 03/014566中公开了一种风轮机用的驱动组件，其中行星齿轮的轴承是自调节的，从而可补偿转子轮毂的旋转轴线方向和行星齿轮的轴线之间的角变化而不会导致在行星齿轮和齿圈之间出现过大的力。另外，可使行星架具有柔性以补偿不对齐。
本发明的一个目的是提供一种具有提高的在行星齿轮和齿圈之间均匀地分配力的能力的驱动组件，从而可防止相互啮合的齿上有过大的力。
这已经由本发明通过脱离使齿圈完全刚性的常规而以令人惊讶的方式实现，本发明提供了一种齿圈，该齿圈柔性地设置以便允许齿圈的有齿的内表面临时径向变位从而使齿圈的形状临时偏离圆形。此柔性的结果是行星齿轮和齿圈之间的径向力在行星齿轮之间基本均衡，并且可至少部分地补偿两条轴线的临时不重合以及两条轴线之间的临时倾斜。
齿圈通常刚性很大、在上文所述的几种已知驱动组件中与主轴承形成一体并且是一种在运行时不允许变形的结构。通过使支承结构上的行星齿轮装置具有柔性以及允许齿圈临时变形，可将齿圈制成径向方向的厚度较小，从而可减少驱动组件的质量。从下文的说明中可理解本发明的其它优点及其优选实施例。
本发明的另一个目的是减小在风轮机的正常运行期间由于因例如阵风导致的驱动转矩的迅速变化而在传动装置上引起的应力。
这已经由本发明通过将齿圈柔性地设置成允许该齿圈在风轮机正常运行期间围绕旋转轴线临时发生例如0.5°至4°的角变位而令人惊讶地实现。因此，来自轮毂的驱动转矩的迅速变化将在传递到太阳轮之前减弱，从而将减小传动装置尤其是齿圈上的峰值应力。此外，发电机的运行和控制将因齿圈的柔性支承的缓冲效果而顺畅。
因此，齿圈柔性地设置成固定在支承结构上或者通过支承结构自身的结构特征部柔性地设置。因此，齿圈的带齿的内表面可发生临时径向变位，从而行星齿轮和齿圈之间的径向力可在行星齿轮之间基本均衡。可替代地或者附加地，柔性使得齿圈可围绕旋转轴线进行临时角变位。
发明内容
因此，本发明涉及一种风轮机用的驱动组件，其包括用于支承风轮机叶片的转子轮毂；支承结构，例如设置在塔架顶部并具有偏航轴承(yawbearing)以允许该支承结构围绕垂直偏航轴线旋转的风轮机引擎舱；行星式齿轮传动装置，该传动装置包括太阳轮、具有带齿的内表面的齿圈以及其上布置有多个行星齿轮的行星架，其中所述齿圈优选不可旋转地固定在所述支承结构上，而行星架共同旋转地固定在转子轮毂上；相对于所述支承结构可旋转地支承转子轮毂的主轴承，例如WO 03/014567内公开的双锥形轴承，该主轴承具有固定在转子轮毂上的共同旋转部分和不可旋转地固定在所述支承结构上的位置固定部分。该驱动组件的优越之处在于，齿圈柔性地设置成使得该齿圈的带齿的内表面可在风轮机正常运行期间进行临时径向变位(位移，错位，displace)，从而齿圈的形状临时偏离圆形，因此多个行星齿轮和齿圈之间的径向力基本均衡并且避免在行星齿轮之一上存在过大的力。
行星架优选地由转子轮毂支承，从而主轴承也可相对于齿圈和支承结构支承该行星架。
所述径向变位的最大值为与齿圈的圆形形状相偏离0.15-2毫米，优选偏离0.25-0.75毫米。在另一种量度中，所述径向变位的最大值为与齿圈的圆形形状相偏离该齿圈内径的50·10-6等分至750·10-6等分(即，从齿圈的内径乘以50·10-6到齿圈的内径乘以750·10-6)，优选地偏离该齿圈的内径的90·10-6等分到275·10-6等分。但是，允许更大偏离的设置也属于本发明的范围。
根据本发明的第二方面-该第二方面可有利地与前述方面相组合，提供了一种风轮机用的驱动组件，其包括转子轮毂；支承结构；行星式齿轮传动装置，该传动装置包括太阳轮、具有带齿的内表面的齿圈以及其上布置有多个行星齿轮的行星架，所述齿圈不可旋转地固定在所述支承结构上，而行星架共同旋转地固定在转子轮毂上；相对于所述支承结构可旋转地支承该转子轮毂的主轴承，该主轴承具有固定在转子轮毂上的共同旋转部分和不可旋转地固定在所述支承结构上的位置固定部分，其中齿圈柔性地设置成使得该齿圈可在风轮机正常运行期间围绕旋转轴线进行临时角变位，从而减弱驱动转矩峰值从转子轮毂到太阳轮的传递。因此，例如在阵风期间的转子的驱动转矩的正、负峰值或变化可被该柔性固定吸收并分散在较长时期内，这使太阳轮和发电机的转矩输入中的变化平稳并减小了传动装置上的峰值应力。所述在风轮机正常运行期间进行的临时角变位的最大值优选地在0.2°到6°的范围内，更优选在0.5°到3°的范围内，最优选在1°到3°的范围内。
在优选实施例中，该支承结构包括围绕轮毂的旋转轴线的基本为环形的凸缘，齿圈固定在所述环形凸缘上，因此可理解为该齿圈是通过基本均匀地围绕环形凸缘的周缘分布的固定装置固定的。在另一优选实施例中，主轴承的位置固定部分以及齿圈通过共用的固定结构固定在所述环形凸缘上，这使得齿圈的带齿的内表面可在风轮机运行期间进行所述临时径向变位，而不会使主轴承发生相应的变形。这种共用固定结构使得支承结构经由主轴承吸收来自转子轮毂的横向剪应力和弯矩力，而来自转子轮毂的转矩通过行星架传递给支承结构，其中基本上所有转矩都通过齿圈传递。行星式齿轮传动装置的啮合(gearing)通常约为1∶100-1∶200，这意味着尽管转子的大部分能量都会传递给发电机，但只有一部分驱动转矩传递到发电机，而其余的转矩经由齿圈传递给了支承结构。
齿圈优选地利用中间连接器部分连接到主轴承的位置固定部分，该中间连接器部分为柔性结构并具有固定在齿圈上的第一凸缘和固定在主轴承的位置固定部分上的第二凸缘。该中间凸缘可例如具有限定在其内的开口和/或沿轴向从第二凸缘朝向第一凸缘延伸的狭槽，或者该狭槽可延伸贯穿第一凸缘，从而中间连接器部分包括沿该支承结构的环形凸缘设置并连接到齿圈的多个弧形件，由此可使该结构具有足够的柔性。在优选实施例中，中间连接器部分沿轴向方向即平行于转子轮毂的旋转轴线的方向在第一和第二凸缘之间延伸100-600毫米，优选为200-400毫米。在另一种量度中，中间连接器部分优选地沿轴向方向在第一和第二凸缘之间延伸齿圈的内径的4-20％，优选地为齿圈内径的7-15％。
在本发明的优选实施例中，就临时径向变位以及临时角变位而言中间连接器部分提供对齿圈的柔性支承，在这样的实施例内尤其如此，其中主轴承的位置固定部分直接固定在支承结构的环形凸缘上，齿圈则由固定在该主轴承的位置固定部分上的中间连接器部分支承。从而，该支承结构提高了主轴承的位置固定部分的形状稳定性，而齿圈的临时变位被中间支承结构吸收。
在优选实施例中，齿圈可相对于主轴承沿平行于行星架的旋转轴线的优选地朝轮毂的轴向方向变位，从而它们之间在轴向方向上没有重叠。具体地，该主轴承可包括其直径小于齿圈上带齿内表面的直径的外圈轴承面。
该驱动组件还可包括相对于所述支承结构可旋转地支承转子轮毂的辅助轴承，其中该辅助轴承在轴向上远离行星式齿轮传动装置地与主轴承错开，以吸收来自轮毂的弯矩力。
为进一步补偿不对齐并补偿齿圈因其柔性变位而可能出现的角度偏差，行星架包括沿圆周间隔开的行星齿轮轴承，所述轴承可自调节，从而行星齿轮的旋转轴线可偏离行星架的旋转轴线。具体地，行星架可包括行星转向板，其支承沿圆周间隔开的行星齿轮轴承，并且每个行星齿轮轴承支承设置在该行星转向板的相对侧的两个对齐的行星齿轮。请参考WO03/014566以了解行星架以及行星齿轮轴承的更多细节和各种优选实施例。
在优选实施例中，齿圈沿径向方向即垂直于带齿的内表面的方向向外的厚度可减小到50-300毫米，优选100-200毫米。在另一种量度中，齿圈沿径向方向的厚度可减小到齿圈内径的2-10％，优选地为齿圈内径的4-8％，这意味着与这种驱动组件的其它构型相比可大大减小齿圈的质量。厚度减小是因为与已知结构相比齿圈可具有柔性，在已知结构中齿圈偏离其初始的圆形是不可接受的，因为这会导致主轴承的形状出现偏差。
附图示出本发明的优选实施例，其中图1示出具有根据本发明的驱动组件的风轮机，图2是沿第一实施例的转子轮毂的旋转轴线的横截面视图，图3是沿第二实施例的转子轮毂的旋转轴线的横截面视图，图4是沿第三实施例的转子轮毂的旋转轴线的横截面视图，图5是沿第四实施例的转子轮毂的旋转轴线的横截面视图，图6是沿第五实施例的转子轮毂的旋转轴线的横截面视图。
具体实施例方式
图2-6中所示的根据本发明的驱动组件的实施例均为图1所示风轮机WT的一部分，该风轮机具有塔架T、设置在该塔架T的顶部并且可利用偏航机构围绕垂直轴线旋转的风轮机引擎舱N以及支承风轮机叶片B的转子轮毂1，对于这些实施例，在轮毂1上并在叶片凸缘2处设有三个叶片。但是，本发明也可用于单叶片、双叶片或具有更多叶片的风轮机，以及用于具有恒定偏航角的风轮机等。如图所示，超过一定等级的风将由于在叶片上引起的提升力而起动转子，并使转子沿垂直于风的方向旋转。该旋转运动转化成将提供给配电网的电力。
驱动组件由固定在引擎舱上或构成引擎舱的一部分的支承机构3承载。轮毂1通过螺栓4连接到行星架5，该行星架围绕轮毂1、行星架5和太阳轮6共有且基本水平的旋转轴线旋转地设置，该行星架支承多个行星齿轮7一在本例中为支承在行星转向板19的相对侧并从例如WO02/079644中已知的三组行星式双轮。行星齿轮轴承能够自调节。行星齿轮7与位置固定的环形齿圈8的内表面以及可旋转地设置的太阳轮6相互啮合，该太阳轮任选地利用第二传动装置驱动一个或两个发电机。
轮毂1和行星架5由主轴承9旋转地支承，该主轴承为如从例如WO02/079644或WO 03/014567已知的双锥形滚柱轴承9，其中位置固定的外圈10紧固在支承结构3上，而内圈11紧固在轮毂1和行星架5上。内圈是由两个部分即左部和右部构成的裂开式结构，每个部分均承载多个滚柱。
为将齿圈8柔性地固定在支承结构3上以便允许该齿圈8的一部分在风轮机运行期间进行微小的临时径向变位，已证实使齿圈8与主轴承9的位置固定部分10在结构上分开是非常有利的，这是因为轴承不容许偏离其设计形状，而如果如例如WO 02/079644和WO 03/014567中所示的齿圈8和位置固定部分10在结构上相接合，则会出现偏离设计形状的情况。
在图2所示的实施例中，在支承结构3的环形凸缘部分12上利用从该支承结构3的内侧引入和紧固的螺栓13固定有第一环形连接件12。主轴承9的外圈10利用从外部引入和紧固的螺栓14固定在凸缘部分12上，该螺栓14穿过中间连接器部分15内的合适的开口并进入齿圈8的带内螺纹的开口。从而，中间连接器部分15在一端沿旋转轴线的方向经由第一连接件12和外圈10紧固在支承结构3的环形凸缘部分12上，并在另一端承载齿圈8。中间连接器部分15沿轴向方向延伸大约300毫米，并且使支承结构3上的齿圈8的支承具有所需的柔性。在齿圈8的另一端，设有第二环形凸缘部分16以用于支承第二传动装置和发电机(未示出)。
中间连接器部分15是一种优选结构方案，其在齿圈8和主轴承9的位置固定的外圈10之间提供足够的柔性，从而提供齿圈8相对于在该齿圈和支承结构3之间的临时径向变位以及围绕旋转轴线的临时角变位的柔性。
通过使齿圈8能进行临时角变位，则在风轮机WT正常运行期间的驱动转矩内的峰值将在传递到太阳轮6之前减弱，从而将减小传动装置尤其是齿圈8上的峰值应力。此外，发电机的运行和控制将由于齿圈8的柔性支承的缓冲效果而变顺畅。
在图3所示的第二实施例中，中间连接器部分15利用从支承结构3的外部引入和紧固的螺栓13固定在支承结构3的环形凸缘部分12上，这使得齿圈8附近的支承结构3的内径较小，从而与图2所示实施例相比可减小结构3的质量。主轴承9的外圈10利用从外部引入和紧固的螺栓14紧固在中间连接器部分15上，该螺栓14穿过中间连接器部分15内的合适的开口并进入齿圈8的带内螺纹的开口。如第一实施例，中间连接器部分15在外圈10和齿圈8之间提供了沿轴向方向的约300毫米的距离，并确保了齿圈8的支承所需的柔性以及齿圈8和外圈10之间的柔性。
在图4所示的第三实施例中，齿圈8具有向外突出的凸缘17，该凸缘利用从支承结构3的外部引入和紧固的螺栓13固定在该支承结构3的环形凸缘部分12上。外圈10利用从外部引入和紧固的螺栓14固定在齿圈8上，螺栓14穿过中间连接器部分15内的合适的开口并进入齿圈8的带内螺纹的开口。
在图5所示的第四实施例中，在支承结构3的环形凸缘部分12上利用从支承结构3的外部引入和紧固的螺栓13固定有第二环形凸缘部分16。齿圈8在一端利用螺栓13固定在第二环形凸缘部分16上，而外圈10利用从外部引入和紧固的螺栓14固定在齿圈8上，螺栓14穿过中间连接器部分15内的合适的开口并进入齿圈8的带内螺纹的开口。
在图6所示的第五实施例内，在轴向上沿远离齿轮传动装置的方向与主轴承9错开地设置有辅助环形轴承18以吸收来自轮毂的弯矩力，从而主轴承9上的张力减小。此特征可与前四个实施例中每一个的设置相组合。
权利要求
1.一种风轮机(WT)用的驱动组件，包括转子轮毂(1)，支承结构(3)，行星式齿轮传动装置，该传动装置包括太阳轮(6)、具有带齿的内表面的齿圈(8)以及其上设置有多个行星齿轮(7)的行星架(5)，所述齿圈(8)不可旋转地固定在所述支承结构(3)上，而行星架(5)共同旋转地固定在转子轮毂(1)上，相对于所述支承结构(3)可旋转地支承转子轮毂(1)的主轴承(9)，该主轴承(9)具有固定在转子轮毂(1)上的共同旋转部分(11)和不可旋转地固定在所述支承结构(3)上的位置固定部分(10)，其特征在于，齿圈(8)柔性地设置成使得该齿圈(8)的带齿的内表面可在风轮机正常运行期间进行临时径向变位，从而齿圈(8)的形状临时偏离圆形。
2.根据权利要求1的驱动组件，其特征在于，所述径向变位的最大值为与齿圈(8)的圆形形状相偏离0.15-2毫米，优选偏离0.25-0.75毫米。
3.根据权利要求1或2的驱动组件，其特征在于，所述径向变位的最大值为与齿圈(8)的圆形形状相偏离该齿圈(8)的内径的50·10-6等分到750·10-6等分，优选地偏离该齿圈(8)的内径的90·10-6等分到275·10-6等分。
4.一种风轮机(WT)用的驱动组件，包括转子轮毂(1)，支承结构(3)，行星式齿轮传动装置，该传动装置包括太阳轮(6)、具有带齿的内表面的齿圈(8)以及其上设置有多个行星齿轮(7)的行星架(5)，所述齿圈(8)不可旋转地固定在所述支承结构(3)上，而行星架(5)共同旋转地固定在转子轮毂(1)上，相对于所述支承结构(3)可旋转地支承转子轮毂(1)的主轴承(9)，该主轴承(9)具有固定在转子轮毂(1)上的共同旋转部分(11)和不可旋转地固定在所述支承结构(3)上的位置固定部分(10)，其特征在于，齿圈(8)柔性地设置成使得该齿圈(8)可在风轮机(WT)的正常运行期间围绕旋转轴线进行临时角变位。
5.根据权利要求4的驱动组件，其特征在于，所述在风轮机正常运行期间进行的临时角变位的最大值在0.2°至6°的范围内，优选在0.5°到4°的范围内，最优选地在1°到3°的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项的驱动组件，其特征在于，该支承结构(3)包括围绕轮毂(1)的旋转轴线的基本为环形的凸缘，该齿圈(8)固定在所述环形凸缘上。
7.根据权利要求6的驱动组件，其特征在于，主轴承(9)的位置固定部分(10)以及齿圈(8)通过共用的固定结构(12，13，14，15)固定在所述环形凸缘上，这使得齿圈(8)可在风轮机的运行期间进行所述临时变位。
8.根据权利要求6或7的驱动组件，其特征在于，齿圈(8)通过中间连接器部分(15)连接到主轴承(9)的位置固定部分(10)，该中间连接器部分为柔性结构，并具有固定在齿圈(8)上的第一凸缘和固定在主轴承(9)的位置固定部分(10)上的第二凸缘。
9.根据权利要求8的驱动组件，其特征在于，该中间连接器部分(15)沿轴向方向在第一凸缘和第二凸缘之间延伸100-600毫米，优选地200-400毫米。
10.根据权利要求8或9的驱动组件，其特征在于，该中间连接器部分(15)沿轴向方向在第一凸缘和第二凸缘之间延伸齿圈(8)的内径的4-20％，优选为齿圈(8)的内径的7-15％。
11.根据前述权利要求中任一项的驱动组件，其特征在于，在平行于行星架(5)的旋转轴线的轴向方向上，齿圈(8)相对于主轴承(9)错位，从而它们之间在轴向方向上没有重叠。
12.根据权利要求11的驱动组件，其特征在于，主轴承(9)包含其直径小于齿圈(8)上带齿的内表面的直径的外圈(10)轴承面。
13.根据前述权利要求中任一项的驱动组件，其特征在于，该驱动组件还包括相对于所述支承结构(3)可旋转地支承转子轮毂(1)的辅助轴承(18)，其中该辅助轴承(18)在轴向上远离行星式齿轮传动装置地与该主轴承(9)错开。
14.根据前述权利要求中任一项的驱动组件，其特征在于，行星架(5)包括沿圆周间隔开的行星齿轮轴承，所述轴承可自调节，从而行星齿轮(7)的旋转轴线可偏离行星架(5)的旋转轴线。
15.根据权利要求14的驱动组件，其特征在于，行星架(5)包括行星转向板(19)，该行星转向板支承沿圆周间隔开的行星齿轮轴承，每个行星齿轮轴承支承设置在该行星转向板(19)的相对侧的两个对齐的行星齿轮(7)。
16.根据前述权利要求中任一项的驱动组件，其特征在于，齿圈(8)沿径向方向向外的厚度为50-300毫米，优选为100-200毫米。
17.根据前述权利要求中任一项的驱动组件，其特征在于，齿圈(8)沿径向方向向外的厚度为该齿圈(8)的内径的2-10％，优选为该齿圈(8)的内径的4-8％。
18.根据前述权利要求中任一项的驱动组件，其特征在于，齿圈(8)柔性地固定在支承结构(3)上以允许进行如权利要求1中所述的齿圈(8)的带齿的内表面的临时径向变位以及如权利要求4中所述的围绕旋转轴线的临时角变位。
全文摘要
本发明公开了一种风轮机(WT)，其中转子轮毂(1)将驱动转矩传递给行星式齿轮传动装置的行星架(5)，而连接到支承结构(3)例如引擎舱(N)上的主轴承(9)吸收来自转子轮毂(1)的横向剪应力和弯矩力。齿轮传动装置的齿圈(8)柔性地固定在支承结构上，从而该齿圈的带齿的内表面可进行临时径向变位，由此行星齿轮(7)和齿圈(8)之间的径向力在行星齿轮(7)之间基本均衡。替代地或附加地，该柔性允许齿圈(8)围绕旋转轴线进行临时角变位。因此，驱动转矩的迅速变化将减弱，传动装置上的峰值应力将减小，并且发电机的运行将由于齿圈(8)的柔性支承的缓冲效应而顺畅。
文档编号F03D11/02GK1993570SQ200480043674
公开日2007年7月4日 申请日期2004年6月25日 优先权日2004年6月25日
发明者E·O·威利 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司