[发明专利]风轮机功率传输系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求与2010年10月18日提交的名为DRIVETRAIN FOR A WIND TURBINE的美国临时专利申请No.61/393,995的权益。本申请还要求于2011年3月8日提交的名为“WIND TURBINE POWER TRANSMISSION SYSTEM”的美国临时专利申请No.61/450,151的权益。

技术领域

本申请涉及功率传输系统。更具体地，本发明涉及具有集成式齿轮箱和发电机的风轮机功率传输系统。

背景技术

风轮机通常包括转子，所述转子具有由风驱动的大型叶片。转子叶片将风的动能转化为旋转机械能。该机械能通常驱动一个或多个发电机产生电功率。因此，风轮机包括功率传输系统，所述功率传输系统用于处理旋转机械能将其转化为电能。所述功率传输系统有时被称为风轮机的“功率系”。功率传输系统的从风轮机转子到发电机的部分被称为传动系。

通常，有必要将风轮机转子的旋转速度增加至发电机所需的速度。这通过风轮机转子和发电机之间的齿轮箱来完成。因此，齿轮箱形成传动系的一部分，并且将来自风轮机转子的低速、高扭矩输入转化为用于发电机的低扭矩、高速输出。虽然在许多产业中使用齿轮箱，但是由于风轮机转子和传动系所经受的力的大小、多样性和不可预测性，在用于风轮机的齿轮箱设计中存在特殊挑战。这些力可能会损坏轴承和其他齿轮箱部件。结果，齿轮箱的可靠性是风电领域一贯关注的。

一些制造商通过设计不具有齿轮级的功率传输系统来解决该问题。在这种系统中，风轮机转子直接驱动低速发电机。虽然可能不存在与齿轮箱可靠性有关的问题，但是缺乏齿轮级通常导致其他问题。具体地，要产生等量功率，直接驱动式风轮机中的低速发电机通常比在齿轮传动方案中的中高速对应部件更大。除了成本问题外，该较大的尺寸还带来运输、组装和维护的挑战。此外，许多低速发电机依赖于结合有可获得性受限的稀土材料制成的永磁体。

传统传动系和直接驱动式机械之间的相互矛盾的问题导致人们对于中速解决方案越来越感兴趣。这些“混合”方案通常包括集成式齿轮箱和中速发电机。一个这种方案是EP0811764Bl的主题，该文献公开了被安装到单级齿轮箱的中速、永磁发电机。该设计最初由Aerodyn GmbH构想，并且由Areva进一步发展。有时被称为“Multibrid”方案，该设计利用比大多数传统传动系更少的旋转部件得到轻质的紧凑功率传输系统。

尽管中速方案有利，但是仍存在改进空间。该设计的高度集成化性质有可能会限制组装选择权并会使维护困难。因此，需要一种能应对这些以及其他挑战的功率传输系统。

发明内容

下文公开了一种用于风轮机的功率传输系统。所述功率传输系统包括齿轮箱和发电机。齿轮箱包括齿轮箱壳体和齿轮箱输出构件。所述发电机包括：发电机壳体，所述发电机壳体具有驱动端侧和非驱动端侧，所述驱动端侧被联接到所述齿轮箱壳体；定子，所述定子由所述发电机壳体支承；转子，所述转子具有转子轴和由所述转子轴支承的转子主体，所述转子轴被联接到所述齿轮箱输出构件；非驱动端屏蔽件，所述非驱动端屏蔽件被联接到所述发电机壳体的所述非驱动端侧；心轴，所述心轴从所述非驱动端屏蔽件沿轴向方向延伸；以及至少一个发电机轴承，所述至少一个发电机轴承被定位在所述转子轴和所述心轴之间。所述发电机轴承支承所述齿轮箱输出构件和所述转子轴。为此，术语“发电机轴承”在本文中被用于指代由齿轮箱和发电机共用并且对于所述齿轮箱和发电机的操作来说必要的轴承。发电机轴承用作用于可旋转地支承齿轮箱输出构件和转子轴的主要机构。在一些实施方式中，发电机轴承可以甚至是用于这些部件的唯一可旋转支承件。

通过将发电机轴承定位在转子轴和心轴之间，该发电机轴承被有效地定位在发电机壳体的非驱动端侧。这种布置有利于组装和维护，其原因基于下文的描述显而易见。如果心轴与转子间隔开但该心轴构造成当所述转子被朝向非驱动端屏蔽件移动时接触该转子，那么提供进一步的优势。这种布置允许转子在运输和/或维护期间“停泊”在心轴上，由此允许安装或移除发电机轴承，而不必移除转子并且不必使发电机壳体与齿轮箱壳体脱离联接。