[发明专利]用以减轻转矩反向的风力涡轮机联接件

说明书

本发明公开一种风力涡轮机发电系统，该风力涡轮机发电系统包括风力涡轮机，所述风力涡轮机连接至具有输出轴的增速齿轮箱。还提供具有输入轴的发电机。联接件使输入轴和输出轴互连。所述联接件包括与高摩擦滑动能力并行的高扭转卷绕和/或位移能力，以使得在正常操作期间存在很少或不存在摩擦滑动并且在瞬时转矩反向期间，涡轮机驱动系统中的负荷减少，因而使得齿轮箱轴承上的冲击负荷减少。

相关申请的交叉引用

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

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

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。

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。

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。

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。