传动系统的连接机构的制作方法
【专利摘要】本发明是传动系统的连接机构。涡轮机主轴和行星架之间的端面花键连接。一种动力传输系统，用于增加风力涡轮机转子的转动速度，该动力传输系统具有：构造成由转子绕主轴线(11)驱动的主轴(2)；具有齿轮箱输入部件(7)的齿轮箱(25)；和将齿轮箱输入部件(7)连接到主轴(2)的联接元件(208)。该联接元件(208)包括：与主轴(2)相关联的第一配合表面以及与齿轮箱输入部件(7)相关联的第二配合表面。所述配合表面中的一个包括轴向延伸的凸部，而另一个所述配合表面包括轴向延伸的凹部。在使用时，所述配合表面互锁以在主轴和齿轮箱输入部件之间传输扭矩。
【专利说明】传动系统的连接机构【技术领域】
[0001]本发明涉及用于风力或水力涡轮机的动力传输系统。更具体地说，本发明涉及在涡轮机主轴和齿轮箱输入部件之间的连接机构。
【背景技术】
[0002]风力涡轮机传动系统通常包括气动转子，该转子被支撑在主轴上并进而连接到增速齿轮箱上，齿轮箱通常包括多个行星状的和/或平行的齿轮级。这种齿轮箱的输出接下来通过另一根轴连接到发电机上，该发电机产生电输出。
[0003]该齿轮箱是涡轮机的机械传动系统中最复杂的部分，从而组件在涡轮机的使用寿命内发生故障的可能性是显著的。虽然可以就地进行一些修理操作，但是通常有利地是采用另一个单元来更换整个齿轮箱。原来的齿轮箱可随后在操作员方便时在比风力涡轮机机舱更适合这种工作的工厂中进行翻新。
[0004]由于重型起重装备、特别是离岸设施的成本，因此用最少的时间、人力和工具完成更换齿轮箱是有利的。
[0005]随着风力涡轮机的尺寸增加，由于要传输非常高的扭矩，因此主轴和齿轮箱输入部件之间的连接变得日益具有挑战性。连接这两个组件的普通的方法需要大量的空间，并且装配费时。
[0006]连接主轴和齿轮箱的一个常用的方法是使用由螺栓连接的、或由螺栓和定位销的混合机构连接的一对法兰来连接。摩擦修正化合物有时也用于处理配合表面，以增加接合处的扭矩容量。
[0007]用于传递扭矩的另一种方法是通过过盈配合。这可以通过热膨胀、使用高压油、或通过使用“收缩盘”组件进行装配，在“收缩盘”组件中，多个螺栓的收紧强迫两锥形表面聚在一起，以产生径向力。
[0008]转动机械的连接机构还通常由花键构成，其包含从一个组件径向向外凸起的齿的式样，和从另外一个组件径向向内凸起的相应的齿的式样用以和第一组齿接合。根据这些齿的形状和尺寸，这样的联接可以基本上是刚性的，或者它可允许以一定角度绕着垂直于主轴的轴线的转动，和沿主轴线的线性运动。
[0009]在大型风力涡轮机中，螺栓的连接必须包括非常大数量的螺栓，以达到所需的扭矩容量。此外，必须将这些螺栓张紧得很精确，通常使用液压张紧装置。这使得连接或断开齿轮箱的过程非常耗时，并造成了高风险的不正确的张紧过程，从而导致不理想的连接。最后，螺栓连接的法兰所需的大直径可能会造成包装困难。
[0010]使用过盈配合的连接机构在装配上面临着类似的困难，需要精心对准和使用额外的设备。在使用收缩盘的情况下，这将包括液压地张紧螺栓环的需求。
[0011]同样，花键联接机构需要精确对准来实现无捆绑地装配。
[0012] 公开的本发明提供了一种用于在主轴与齿轮箱输入部件之间传输扭矩的可选择的布置，其可以比前面描述的布置更容易地装配和拆卸。
【发明内容】
[0013]根据本发明的第一方面，提供了一种用于增加风力涡轮机转子的转动速度的动力传输系统，包括:构造成由转子绕主轴线驱动的主轴；包括齿轮箱输入部件的齿轮箱；和连接齿轮箱输入部件到主轴的联接元件。所述联接元件包括:与主轴相关联的第一配合表面和与齿轮箱输入部件相关联的第二配合表面。其中一个配合表面包括轴向延伸的凸部，另一个配合表面包括轴向延伸的凹部，从而在使用中，所述配合表面互锁，以在主轴和齿轮箱输入部件之间传输扭矩。这样的布置意味着主轴可以传递扭矩到齿轮箱输入部件，并且这样的连接机构比前面描述的布置更容易装配和拆卸。
[0014]优选地，动力传输系统另外包括连接在主轴和齿轮箱输入部件之间的中间部件。至少一个配合表面形成该中间部件上。这有利地降低直接在主轴端部上或在齿轮箱输入部件上形成配合表面的复杂性。
[0015]优选地，多个螺栓连接主轴和齿轮箱输入部件。这种联接布置用来传输扭矩，这意味着，螺栓的数量以及它们必须被张紧的精度和常规的螺栓接合相比得到降低，从而可大幅度地减小装配连接机构的时间。
[0016]优选地，所述中间部件通过过盈配合连接到主轴。虽然过盈配合接合的装配是一个复杂的过程，但是在更换齿轮箱时，不需要拆卸该接合以从齿轮箱输入部件上断开主轴。
[0017]优选地，所述中间部件由径向/筒式类型的花键接合而连接到主轴。这实现了垂直于主轴线方向上的运动和围绕垂直于主轴线的轴线的角度偏差。
[0018]优选地，所述中间部件通过过盈配合连接到齿轮箱输入部件。虽然过盈配合接合的装配是一个复杂的过程，但是在更换齿轮箱时，不需要拆卸该接合以从齿轮箱输入部件上断开主轴。
[0019]优选地，所述中间部件通过径向/筒式类型的花键接合连接到齿轮箱输入部件。这实现了垂直于主轴线方向上的运动和围绕垂直于主轴线的轴线的角度偏差。
[0020]优选地，所述动力传输系统还包括支撑结构，其包括至少一个轴承，用于支撑主轴绕主轴线转动，其中，齿轮箱包括刚性地联接到支撑结构的齿轮箱壳体，并且其中，所述配合表面由支撑结构保持在互锁状态。这实现了主轴和齿轮箱输入部件之间的一定的轴向运动。
[0021]优选地，将弹性部件定位于齿轮箱输入部件和中间部件之间，其允许在平行于传动系统轴线的方向上运动。在这个方向的运动是由一个或多个弹性元件来抑制的，以此确保连接机构保持接合而不需要在意主轴和齿轮箱输入部件的相对轴向位置。
[0022]优选地，其中一个配合表面包含提供了轴向延伸的凸部的第一端面花键，且其中另一个配合表面包含提供了轴向延伸的凹部的第二端面花键。优选地，所述凸部和凹部被布置成弦式样或径向式样。
[0023]优选地，齿轮箱输入部件是行星架。
[0024]根据本发明的另一个方面，提供了一种风力涡轮机，其包括上文所披露的动力传输系统。
【专利附图】
【附图说明】[0025]现在，参考相应的附图仅以示例的方式对本发明进行说明，其中:
[0026]图1是一种风力涡轮机的一个实施例的示意图；
[0027]图2是本发明的动力传输系统的横截面图；
[0028]图3A和图3B示出一种用于风力或水力涡轮机的动力传输系统的示意图,其中两个传动系统组件经由联接元件连接；
[0029]图4A是图2的放大图，其示出了主轴、联接元件和齿轮箱输入部件的特征；
[0030]图4B-4D示出了形成在主轴的端部上的凸部/凹部的实施例；
[0031]图5示出了图3B中所示的布置方案的更详细的实施例；
[0032]图6是本发明的实现垂直于主轴线的方向上的运动的动力传输系统的横截面图；
[0033]图7示出了图6所示的布置方案的更详细的实施例；
[0034]图8示出了实现主轴和齿轮箱输入部件之间的轴向运动的另一实施例；以及
[0035]图9示出了实现垂直于主轴线的方向上的运动以及主轴与齿轮箱输入部件之间的轴向运动的又一实施例。
【具体实施方式】
[0036]图1是风力涡轮机的一个实施例的示意图。虽然展示的是离岸风力涡轮机，但应当指出，下面的描述中，可以是适用于其他类型的风力涡轮机。风力涡轮机102包括转子叶片104，转子叶片安装到轮毂106，所述轮毂被支撑在塔112上的机舱108上。
[0037]风使转子叶片104和轮毂106绕主轴线11 (未示出；参照图2)转动。该转动能量被传送到图2所示类型的容纳在机舱108内的动力传输系统(或“动力系统”)。
[0038]图2示出了用于增加图1所示类型的风力涡轮机的转子转动速度的动力传输系统的一个实施例。动力传输系统典型地包括主轴2，其被配置成由轮毂106 (见图1)绕主轴线11来驱动，还包括齿轮箱25，其具有齿轮箱输入部件7。所示的实施例中，主轴2被逆风转子轴承10和顺风转子轴承9支撑，并通过法兰13连接到轮毂106。本发明的上下文中，术语“逆风”和“顺风”假定主轴线11通过风向来定向；因此转子轮毂106和法兰13在传动系统的“逆风”端，而发电机5是在传动系统的“顺风”端。主轴壳体3被连接到支撑结构6，而支撑结构6通过偏航机构连接到塔(塔和偏航机构未示出)。主轴2通过联接元件208被连接到齿轮箱输入部件7。
[0039]图3A示出了两个传动系统组件300、302通过联接元件208连接的示意图。组件300上形成有多个凸部，并且组件302上形成有相应的多个凹部，使每个组件具有配合表面。这样，配合表面的一个包括轴向延伸的凸部，而另一个配合表面包括轴向延伸的凹部，或一个不同的方式说是，这两部分具有交替的凸部和凹部。
[0040]组件300、302的其中一个是涡轮机的主轴2，且另一个是齿轮箱输入部件7，两者都绕轴线310转动。轴向延伸的凸部和凹部能够互锁以从主轴到齿轮箱输入部件传递扭矩。
[0041]在使用时，这些配合表面互锁，以在主轴和齿轮箱输入部件之间传输扭矩。
[0042]图3B示出了在图3A中所示的布置的一个实施例，在该图中，组件300、302分别直接连接到中间元件304、306。
[0043]图4A是联接元件208的放大图，显示了主轴2和齿轮箱输入部件7的特征。主轴2和齿轮箱输入部件7的相邻面采用凸部和凹口的式样制造，使得当主轴2和齿轮箱输入部件7组装时，一方的凸部适配到另一方的凹口中。可以是凸部形成在主轴2上，凹部形成在齿轮箱输入部件7上，反之亦然。
[0044]图4B和图4C示出了形成于主轴2的端部上的凸部/凹部的实施例。可以看出，主轴2的端部的凸起表面具有相邻的凹部或凹口。
[0045]因此，联接元件208具有两个配合表面，第一个配合表面与主轴2相关联，第二个配合表面与齿轮箱输入部件7相关联。
[0046]在图4B和4C中可以看出，每个配合表面都包含轴向延伸的凸部和轴向延伸的凹部。这意味着，当配合表面组装时，一个表面上的凸部适配到另一表面上的凹部中，反之亦然，并且配合表面形成互锁，用以在主轴和行星架之间传输扭矩。
[0047]联接元件208可由一对互锁的端面花键(face spline)组成，凸部和凹口可以是花键齿的形式，花键齿互锁，从而把扭力从一个花键齿传输给另一个花键齿。这些花键可以如图4B沿径向布置，或者可以以组合弦(in chordal Iy)的形式布置，其中每组组合弦都平行于直径，如在图4C中所示，该图示出了两组正交地布置的组合弦。其他角度也是合适的:目的是让端面花键通过花键齿有效地互锁，以把扭矩从主轴2传递到齿轮箱输入部件7。
[0048]联接元件可以由其他布局的配合表面形成。因此，例如在图4D所示中，一个配合表面可以具有从配合表面延伸的柱状凸部；另一个配合表面(图中未示出)可以具有相应的柱状凹口或凹部，凸部适配到该凹口或凹部中。
[0049]图5更详细地示出了图3B中所示的布置方案的实施例，其中凸部和凹部的式样并不是集成到主轴2或齿轮箱输入部件7，而是形成中间组件306的一部分。
[0050]例如，凸部和凹口的式样可以是在504处使用过盈配合来附接到主轴2的法兰组件502的一部分。虽然过盈配合接合的装配是一个复杂的过程，但是在更换齿轮箱时，该接合不需要拆卸来从齿轮箱输入部件断开主轴。它还有利地降低了直接在主轴2的端部上形成端面花键的复杂程度。
[0051]例如，凸部和凹口的式样可以是在508处使用过盈配合来附接到齿轮箱输入部件7的法兰组件306的一部分。虽然过盈配合接合的装配是一个复杂的过程，但是在更换齿轮箱时，该接合不需要拆卸来从主轴断开齿轮箱输入部件。它还有利地降低了直接在齿轮箱输入部件7的端部上形成端面花键的复杂程度。
[0052]在如图6所示的另一实例中，一个中间组件或多个组件连接至主轴2或齿轮箱输入部件7，以提供主轴和齿轮箱输入部件之间的灵活性。例如，与508处的过盈接合不同，径向/筒式花键602接头由每个组件(7、306)上的互锁的、径向凸起的齿组成，这样的布置以便于允许垂直于主轴线方向上的运动，并且围绕垂直于主轴线的轴线的角度偏差也是可以使用的。在2和502之间的504处，或在2和502这两个位置上，都可以使用类似的布置。这是在端面花键接合上额外添加传统的径向/筒式类型的花键接合。传统的花键提供了灵活性(通过挤压其中一组齿)但可以在工厂中装配，端面花键提供了简单的装配上塔(up-tower)。图7更详细地示出了这种布置方案。
[0053]这种类型的灵活性可以用其他方法实现，如使用聚合物、复合材料或金属元素设计成在负载条件下朝一定方向偏移。
[0054]可以使用多个螺栓510来确保两个组件502、306不移动分开。然而，因为联接装置208用于传输扭矩，螺栓的数量以及它们必须被拉紧的精度，相比常规的螺栓接合机构降低，从而将显著减少装配连接机构的时间。
[0055]图8示出了本发明的另一实施例，其中螺栓510可以被消除，该实施例允许主轴和齿轮箱输入部件之间的一定程度的轴向运动。在该实施例中，通过安装主轴组件和齿轮箱到图2中所示类型的共用的刚性支撑结构3上，与主轴2和齿轮箱输入部件7相关联的凸部和凹口的式样被维持在接合状态。第一和第二轴承9、10支撑主轴2，主轴壳体3围绕第一轴承9和第二轴承10。支撑结构6支撑主轴壳体3，齿轮箱25从主轴壳体3悬空。
[0056]为了适应制造公差和这两部分之间的其他偏移，组件306可以以这样的方式被连接到齿轮箱输入部件7，以允许沿平行于传动系统轴线的方向运动。这个方向上的运动由一个或多个弹性元件802抵住，这样确保了连接机构保持接合，而不理会主轴和齿轮箱输入部件的相对轴向位置。止动件阻止沿轮毂306方向过度的轴向运动。
[0057]图9示出了图7和图8中所示的实施例的结合，其允许垂直于主轴线11的方向的运动和允许主轴2和齿轮箱输入部件7之间的轴向运动。
[0058]这些实施例描述了通过减少联接布置的复杂性使齿轮箱输入部件到主轴的连接更容易，同时维持了一种有效的方法用以在主轴和齿轮箱输入部件之间传输扭矩。端面花键连接，可以比先前描述的布置更容易地装配和拆卸。装配/拆卸的便易性进一步通过利用中间元件而加强，该中间元件可以在工厂中刚性地接合到主轴和/或齿轮箱输入部件上，该接合使用例如过盈接合；在更换齿轮箱期间，这些接合不需要拆卸以从齿轮箱输入部件上断开主轴。端面花键连接可以在风力涡轮机机舱中就地进行。最后，因为用端面花键来传输扭矩，螺栓的数量以及使它们必须张紧的精度相比常规的螺栓接合机构降低，从而显著减少了装配或拆卸连接机构的时间。
[0059]上述实施例描述了传动系统的输入部件到驱动轴的连接，也可以用于其中连接位于主轴和发电机之间或主轴和液压传动装置之间的直接驱动装置。因此，动力传输系统可以包括:配置成由转子绕主轴线驱动的主轴；包含输入部件的传动系统部件；将输入部件连接到主轴的联接元件。第一传动系统部件可以是发电机或液压传动装置。
【权利要求】
1.一种动力传输系统，用于增加风力或水力涡轮机转子的转动速度，所述动力传输系统包括: 由转子绕主轴线驱动的主轴； 齿轮箱，包括齿轮箱输入部件；和 将所述齿轮箱输入部件连接到所述主轴的联接元件； 其特征在于，该联接元件包括: 与所述主轴相关联的第一配合表面和与所述齿轮箱输入部件相关联的第二个配合表面； 其中，所述配合表面中的一个包括轴向延伸的凸部，而另一个所述配合表面包括轴向延伸的凹部，从而在使用时，所述配合表面互锁以在所述主轴和齿轮箱输入部件之间传输扭矩。
2.根据权利要求1所述的动力传输系统，另外包括连接在所述主轴和所述齿轮箱输入部件之间的中间部件，其中，在所述中间部件上形成所述配合表面中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的动力传输系统，其中，多个螺栓连接所述主轴和所述齿轮箱输入部件。
4.根据权利要求3所述的动力传输系统，其中，所述中间部件通过过盈配合连接到所述主轴。
5.根据权利要求3所述的动力传输系统，其中，所述中间部件通过径向/筒式类型的花键接合连接到所述主轴。
6.根据权利要求3所述的动力传输系统，其中，所述中间部件通过过盈配合连接到所述齿轮箱输入部件。
7.根据权利要求3所述的动力传输系统，其中，所述中间部件通过径向/筒式类型的花键接合连接到所述齿轮箱输入部件。
8.根据权利要求2所述的动力传输系统，另外包括支撑结构，所述支撑结构包括至少一个轴承，所述轴承支撑主轴绕主轴线转动，其中，所述齿轮箱包括刚性地联接到所述支撑结构的齿轮箱壳体，并且其中，所述配合表面由所述支撑结构保持在互锁状态。
9.根据权利要求8所述的动力传输系统，包括位于所述齿轮箱输入部件和所述中间部件之间的弹性部件。
10.根据权利要求1、2、4、5、6、7、8或9所述的动力传输系统，其中，所述配合表面中的一个包括提供所述轴向延伸的凸部的第一端面花键，并且其中，另一个所述配合表面包括提供所述轴向延伸的凹部的第二端面花键。
11.根据权利要求3所述的动力传输系统，其中，所述配合表面中的一个包括提供所述轴向延伸的凸部的第一端面花键，并且其中，另一个所述配合表面包括提供所述轴向延伸的凹部的第二端面花键。
12.根据权利要求10或11所述的动力传输系统，其中，所述凸部和所述凹部呈径向式样布置。
13.根据权利要求10或11所述的动力传输系统， 其中，所述凸部和所述凹部呈弦式样布置。
14.根据权利要求1、2、4、5、6、7、8、9或11所述的动力传输系统,其中,所述齿轮箱输入部件是行星架。
15.根据权利要求10所述的动力传输系统，其中，所述齿轮箱输入部件是行星架。
16.—种风力润轮机,包括根据权利要求1、2、4、5、6、7、8、9或11所述的动力传输系统。
17.一种风力涡轮机，包括根据权利要求10所述的动力传输系统。
18.一种用于增加风力或水力涡轮机转子的转动速度的动力传输系统,包括: 由转子绕主轴线驱动的主轴； 包括输入部件的传动系统；和 将所述输入部件连接到所述主轴的联接元件； 其特征在于，所述联接元件包括: 与所述主轴相关联的第一配合表面和与所述输入部件相关联的第二配合表面； 其中，所述配合表面中的一个包括轴向延伸的凸部，而另一个所述配合表面包括轴向延伸的凹部，从而在使用时，所述配合表面互锁以在所述主轴和输入部件之间传输扭矩。
19.一种包括根据权利要求18所述的动力传输系统的风力涡轮机，其中，所述传动系统部件是发电机或液压传动装置。
【文档编号】F03D11/02GK103912592SQ201310123184
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年1月10日 优先权日:2013年1月7日
【发明者】D·希尔德, D·斯科特, G·约翰斯通 申请人:诺迈士科技有限公司