用以减轻转矩反向的风力涡轮机联接件的制作方法
【专利说明】用以减轻转矩反向的风力涡轮机联接件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年9月26日以同一标题提交的未决的美国临时申请序号61/882,856的权益，所述申请以引用的方式完全并入本文。
技术领域
[0003]本发明在本文中涉及插入在风力涡轮机与发电机之间的联接件。具体来说，本发明涉及被构造成消除转矩反向对风力涡轮机发电机系统中的齿轮箱轴承的不良影响的这样一种联接件。
【背景技术】
[0004]在过去几十年中已安装了超过100，000兆瓦和多兆瓦的风力涡轮机，几乎全部使用了与增速器类似的结合有齿轮箱的驱动系统，驱动系统安置在涡轮机叶片与发电机之间。齿轮箱被设计成具有20年的寿命，但通常需要在5至10年或更少的时间进行修复或更换。齿轮箱轴承的轴向断裂逐渐成为风电场投资回报的主要成本因素。瞬时转矩反向期间的冲击负荷已被认为是这种损坏的根本原因。最近的研究表明，非常规模式的轴承损坏(称为白色浸蚀区域(WEA)损坏)导致轴承的轴向断裂。WEA损坏实际上是微观材料变化，在其中可能引发断裂并且断裂扩展的轴承滚道正下方形成超硬内含物像长条。严重的和快速的微观塑性变形被怀疑是WEA损坏的原因。
[0005]在转矩反向期间，齿轮箱轴承的负荷区突然移位180度。轴承辊径向地冲击到滚道上，同时从螺旋齿轮发生高的轴向负荷反向。冲击负荷和轴向地面牵引负荷的幅度和速率二者确定轴承内座圈中WEA塑性变形的可能性。驱动链的弹簧质量系统的扭转固有频率越高，转矩变化率越大，并且因此当辊冲击轴承内座圈时，应变率更高。当风力涡轮机的大小增大时，快速轴承负荷区反向期间的高应变率以及高的冲击应力似乎超过其中在轴承内座圈中引发WEA损坏的阈值。一旦引发，正常的辊负荷即可在仅仅一年或两年内引起轴向断裂和轴承失效。
[0006]在风力涡轮机发电机系统中，高惯性表征整个系统，从涡轮机叶片、主轴、齿轮箱高速联接件到发电机自身。实际上，最高的惯性通常位于该系统的两端，即位于叶片和发电机处。在转矩反向时，系统的高惯性可显著影响系统部件的全部，尤其是齿轮箱。在美国专利申请公开US 2012/045335中所描述的非对称性转矩限制离合器系统描述了这个问题的解决方案。替代解决方案考虑到增加系统的扭转卷绕(包括叶片、主轴、齿轮箱、高速轴/联接件和发电机中的某些)，这会降低固有频率。如果这单独进行，则可能会在涡轮机驱动系统中引起其他问题；诸如涡轮机其他零件中的谐振频率问题。例如，已知的是，齿轮箱与发电机之间的联接间隔件可具有有问题的轴向固有频率，这可能会引起间隔件元件的谐振和破坏。正常操作期间系统固有频率的任何变化都可能使得涡轮机的再认证成为必需。
[0007]必须以不影响涡轮机正常操作的方式来增加扭转卷绕。这可通过与高的扭转卷绕和/或位移能力并行的高的摩擦滑动能力来完成。例如，如果摩擦转矩设置为额定涡轮机转矩的40%，那么在介于20%与100%的额定涡轮机转矩的正常操作期间不存在滑动，如从图1显而易见。发生摩擦滑动的唯一时间是驱动系统看到总转矩变化超过额定涡轮机转矩的80%时，例如启动和关闭期间的短暂时期。仅在超过摩擦滑动设置的偶发的系统瞬时转矩反向期间出现显著的滑动。应当考虑的是，摩擦转矩设置应当这样以适应正常启动和关闭操作期间的某些小的滑动，从而使得摩擦表面保持干净并且无腐蚀。
[0008]如果高的扭转卷绕受到扭转弹簧的影响，如本发明的实施方案中所考虑的那样，那么扭转弹簧速率可以是非对称的，以使得对于位移的一部分来说，反向上的弹簧速率可能低于或接近零。任何反向转矩事件都仅在也就是说40%的正常涡轮机转矩的摩擦电阻下滑动。反向行进角需要是充分的以吸收驱动系统的反向瞬时卷绕能量。对于发电机以lOOOrpm或更大操作的典型涡轮机来说，这可能需要进行10至50度或更大的扭转运动。对于具有较低发电机速度的涡轮机来说，所需的扭转位移将更低，在1至5度/lOOrpm的范围内。
[0009]现有风力涡轮机的典型联接系统被设计成在齿轮箱与发电机之间具有显著并行的角和轴向轴失配能力，以适应轻质基板结构的挠曲。这些联接系统典型地具有零候虫并且是非常扭转刚性的，具有非常少的卷绕能力。这些扭转特征对于防止在驱动系统和涡轮机部件中出现谐振问题是极其重要的。某些联接系统装配有摩擦转矩限制器，这些限制器被设置为额定涡轮机转矩的150%至200%。这些限制器意欲保护联接件免受非常高的转矩过载诸如发电机短路的影响。这些转矩限制器已被证明在保护驱动系统尤其是齿轮箱免受瞬时转矩反向的影响方面是无效的，瞬时转矩反向对齿轮箱轴承的冲击负荷可能会大大缩短生命。
[0010]利用了与低摩擦阻尼并行的扭转卷绕的联接系统诸如Spaetgens专利N0.2，909，911和Lech专利N0.4，5548，311已存在了很长时间。它们通常用于内燃机。它们的扭转卷绕能力用于将该系统的固有频率调整到设备的操作范围之外。它们与扭转卷绕并行的摩擦阻尼部件通常非常小并且用于控制离合器板以及空转和转移期间的齿轮咔嗒噪声和损坏。这些类型的联接件通常与发动机离合器整合在一起，该发动机离合器的摩擦滑动设置非常高并且与扭转卷绕能力串行而非并行。Lech是很好的示例。并行的摩擦部件具有非常低的摩擦滑动设置。
[0011]本发明成功的关键之处在于联接系统，该联接系统具有高的扭转卷绕和/或位移能力以及高的摩擦滑动能力以仅仅在瞬时转矩反向事件期间仅仅显著地阻尼该系统(参看图1)。具有以1000至ISOOrpm操作的高速发电机的典型涡轮机将需要在转矩设置为涡轮机额定转矩的至少10%的情况下进行至少10度的反向滑动。理想地，反向滑动在40%反向转矩下会超过20度。现有技术中在任何地方都不存在驱动系统，该驱动系统具有能够改良高转矩反向的扭转位移和/或卷绕与扭转摩擦阻尼的这样一种组合。对于风力涡轮机的独特的有挑战性的反向来说，这当然不是正确的。
【发明内容】
[0012]鉴于上述内容，本发明第一方面在风力涡轮机驱动系统中提供具有非对称扭转性质的改进的风力涡轮机联接件，以保护齿轮箱轴承免于因扭转反向而受损。
[0013]本发明另一方面提供在前向方向上在正常操作期间具有非常少的卷绕或扭转位移而在反向方向上具有显著的扭转卷绕和/或位移的风力涡轮机联接系统。
[0014]本发明另一方面提供很容易适应现有风力涡轮机联接件以增强操作和耐用性的风力涡轮机联接系统。
[0015]本发明另一方面在风力涡轮机系统中提供与扭转卷绕和/或位移并行的摩擦滑动能力。
[0016]本发明另一方面提供具有充分高的摩擦滑动能力以至于在正常操作期间存在很少或不存在滑动的风力涡轮机联接系统。
[0017]本发明另一方面提供在针对