CN105378271A - 用于风轮发电机的传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风轮机的绳索驱动式传动装置。该传动装置包括输入旋转构件，该输入旋转构件操作地连接到风轮机的转子并且与至少一个副轴旋转连接，该副轴被布置成与所述输入旋转构件的旋转轴线平行，其中所述副轴适于与至少一个发电机的输出构件操作地连接，其中所述输入旋转构件与所述至少一个副轴之间的所述旋转连接由绳索提供，所述绳索的路线限定了绳索路径，并且其中所述绳索路径包括绕所述输入旋转构件和所述副轴的多个圈。该传动装置便于容易地监测并维护传动装置。本发明进一步涉及一种通过更换绳索来维护传动装置的方法。本发明进一步涉及一种包括传动装置的风轮发电机。

Description

用于风轮发电机的传动装置

技术领域

本发明涉及一种用于风轮发电机的传动装置。本发明进一步涉及一种用于维护这样的传动装置的方法以及包括这样的传动装置的风轮发电机。

背景技术

风轮机通常包括转子，转子具有被风驱动的大型叶片。叶片将风的动能转换为旋转机械能。机械能通常经由传动装置传递给发电机，然后发电机将能量转换为电力。通常情况下，有必要将转子的旋转速度增加至发电机所需要的速度。在这些情况下，传动装置包括齿轮箱，齿轮箱将转子的低转速、高扭矩输入转换为发电机的低扭矩、高速度输出。

大多数的风轮机将传动装置和发电机保持在风轮机塔架的顶部的机舱中。替代是将扭矩穿过塔架传送；然而，这是很少使用的，因为出于塔架结构中来自旋转轴的反作用扭矩，这会造成潜在的棘手问题。因此，多数现有的风轮机在风轮机塔架的顶部包括复杂而沉重的传动装置。因此，致力于试图简化传动装置，从而获得更简单的维护和/或更低的重量。

一种这样的尝试是使用带将转子的旋转传递给发电机，这可以例如在EP2391825找到。然而，与这样的解决方案相关的缺点在于，在风轮发电机的总寿命期间，在使用期间受到磨损的带预计会需要多次复杂而耗时的更换。此外，当更换带的时机已到时可能难以监测，因此就安全方面来说可能有必要比实际需要更频繁地进行更换。

因此，带式解决方案的传动装置需要替代解决方案。

发明内容

本发明涉及一种用于风轮机的传动装置，该传动装置包括输入旋转构件，该输入旋转构件操作地连接到风轮机的转子并且与至少一个副轴旋转连接，该副轴被布置成与所述输入旋转构件的旋转轴线平行，其中所述副轴适于与至少一个发电机的输出构件操作地连接，其中所述输入旋转构件与所述至少一个副轴之间的所述旋转连接由绳索提供，所述绳索的路线限定了绳索路径，并且其中所述绳索路径包括绕所述输入旋转构件和所述副轴的多个圈。

利用本发明，获得了一种改进的传动装置，因此更简单的监测以及维护成为可能。绳索是主要磨损和疲劳部分；并且因为如本文中描述的绳索比较容易监测并维护/更换，所以相信本发明提供了一种有吸引力的改进型传动装置。

在本发明的一个实施方式中，所述输入旋转构件被布置在风轮机的主轴上。在本发明的一个实施方式中，所述输入旋转构件被布置在风轮机的轮毂上。该输入旋转构件和该轮毂可直接连接或者可经由主轴连接。在本发明的实施方式中，所述副轴被旋转连接到所述至少一个发电机的所述输出构件。

在本发明的一个实施方式中，所述输入旋转构件与至少两个副轴旋转连接，该至少两个副轴被布置成与所述输入旋转构件的旋转轴线平行且位于所述输入旋转构件的相对两侧。认为带两个副轴的实施方式提供了有关旋转连接的合适结果；因此该实施方式被选中在本文中进行了说明。然而，带其它数量的副轴的实施方式也在本发明的范围内。

在本发明的一个实施方式中，所述副轴包括用于引导所述绳索的圆周沟槽。应当指出的是，取决于传动装置的期望设计，所述沟槽可形成在副轴上或者可能形成在安装在副轴上的辊上。认为副轴/辊上的圆周沟槽可能是优选，这是因为它们可以用于确保合适的摩擦，但还确保绳索的各个圈在操作期间被保持到位。

在本发明的一个实施方式中，所述输入旋转构件包括用于引导所述绳索的圆周沟槽。如同副轴，认为输入旋转构件上的圆周沟槽可能是优选的，这是因为它们可以用于确保合适的摩擦。由于绳索的各个圈的螺旋放置，所述输入旋转构件的可能圆周沟槽与绳索之间可能存在小的角度。然而，该角度很小而不会有问题。

此外，本发明涉及一种用第二绳索更换如本文描述的传动装置的第一绳索的方法，其中所述方法包括以下步骤：A)将包括第二绳索的更换套件放置在相对于所述传动装置来说合适的位置；B)打开所述第一绳索的接头，从而暴露出两个第一绳索端部；C)在所述第一绳索端部的一个端部与所述第二绳索的一个端部之间建立接头；D)启动所述传动装置，从而随着时间用所述第二绳索更换所述第一绳索；E)当所述传动装置中的所述第一绳索已被更换时停止所述传动装置；以及F)使所述第二绳索的所述一个端部与所述第二绳索的另一端部结合。

此外，本发明涉及一种风轮发电机，该风轮发电机包括：塔架；机舱，该机舱被设置成邻近该塔架的顶部；转子，该转子包括轮毂以及从该轮毂延伸的至少一个风轮机叶片；发电机；以及传动装置，该传动装置设置在该机舱中。

附图说明

现在将进一步详细地参考附图来描述本发明，其中：

图1是常规风轮发电机的部分剖开立体图；

图2示出了现有技术的用于风轮机的带驱动式传动装置；

图3示出了根据本发明的一个实施方式的传动装置；

图4a和图4b示出了供根据本发明的实施方式的传动装置使用的副轴的各部分；以及

图5示出了供根据本发明的一个实施方式的传动装置使用的更换套件。

具体实施方式

图1中公开了常规风轮机。风轮机10包括塔架12、设置在塔架12的顶端处的机舱14并包括转子16，转子16操作联接到容纳在机舱14内的发电机18。除了发电机18，机舱14容纳着将风能转换为电能所需要的各种部件以及操作、控制并优化风轮机10的性能所需要的各种部件。塔架12支撑着由机舱14、转子16、发电机18和容纳在机舱14内的风轮机10的其它部件提供的负载。风轮机10的塔架12还操作成将机舱14和转子16提升至高于地面或海平面的高度，这些位置通常发现低紊流的的快速移动气流。

表示为水平轴风轮机的风轮机10的转子16作为机电系统的原动机。超过最低水平的风将激活转子16，并且导致在基本上垂直于风向的方向上旋转。风轮机10的转子16包括中央轮毂20以及从中央轮毂20向外伸出的至少一个叶片22。在代表性的实施方式中，转子16包括在其周围沿圆周分布的地点处的三个叶片22，但数量可变化。叶片22被配置成与通过的空气流相互作用而产生升力，这导致中央轮毂20围绕纵向轴线24旋转。叶片22的设计和构造为本领域普通技术人员所熟悉，不进一步描述。例如，叶片22均可经由变桨机构(未示出)连接到中央轮毂20，变桨机构允许叶片在变桨控制器的控制下变桨。

转子16可安装在主轴26的端部上，主轴26延伸到机舱14中并由主轴承组件28以可旋转的方式支撑在机舱内，主轴承组件28联接到机舱14的框架。主轴26操作地联接到可采取齿轮箱30的形式的一个或多个齿轮级，以向位于机舱14中的发电机18产生更合适的机械输入。齿轮箱30依靠各种齿轮布置提供从转子和主轴26的旋转到副驱动轴(未示出)的旋转(操作为发电机18的输入)的速度和扭矩转换。

图2示出了现有技术的用于风轮机的带驱动式传动装置的分解图。该传动装置包括大直径辊101，大直径辊101安装在联接到转子(未示出)的主轴102上。两个副轴103和104被安装成与大直径辊101和主轴102平行。这些均装配有小带辊105、106。一组带107绕着大直径辊101和小带辊105、106延伸，以将旋转扭矩从大辊101传送到副轴103、104。提供了发电机108，经由成组的带110、111使发电机轴109与小带辊105、106中的每个旋转连接。

在本质上，连接到风轮机的主轴102的转子的旋转将产生大直径辊101、副轴103、104以及最终发电机轴109的旋转。因为大直径辊101的直径比副轴103、104的直径大得多，同样小带辊105、106的直径比发电机轴109的直径大得多，如在此示出的主轴102与发电机轴109之间的扭矩的两步传递产生了旋转速度的显著增加。就诸如大小和重量的参数来说，这种示出的现有技术可提供优于常规齿轮箱类型的优点。然而，特别是涉及更换驱动带时，仍存在潜在的困难。

图3示出了根据本发明的一个实施方式的传动装置。大直径辊201被安装在风轮发电机的主轴202上，并且具有副辊203、204的两个副轴223、224被安装成与大辊201和主轴202平行。环形绳索205在第一副辊203、大直径辊201、第二副辊204上的螺旋路径中卷绕，然后再次回到大直径辊201和两个副辊203、204等的对置侧。由此确保大直径辊201的旋转通过摩擦驱动副轴223、224旋转。在示出的实施方式中，对于传动装置的其余部分，使用类似于图2的现有技术的两步传递，副轴223、224均装配有小带辊225、226，并且进一步装配有发电机228，发电机轴229经由成组的带230、231与小带辊225、226中的每个旋转连接。

绳索205的螺旋安装将最终在操作期间将每个绳索部分导向系统的下游端，从此处绳索远离大直径辊，环绕过滑轮210、211，然后再次插入系统的上游端。由此绳索205在传动装置操作期间执行连续运动，从而限定连续的绳索路径。绳索的返回回路如此在该实施方式中被限定在一个副辊203的下游端206a到另一副辊204的上游端206b之间。

贯穿本公开，术语“绳索”旨在意指不容易出现疲劳且适合绕辊卷绕并传递如本文的实施方式中描述的力的任何柔性细长构件。由此，例如采取术语“绳索”以包括线材和线缆。在本发明的一个实施方式中，所述绳索包括选自下组的材料：该组由天然纤维、合成纤维和金属线材组成。绳索可包括大量不同长度、粘性的纤维材料，一些示例是PE纤维(特别是)、碳纤维以及玻璃纤维。绳索还可部分或全部由金属制成，诸如由铺放(或“捻”)成螺旋的几股金属线材构成的线材绳索。如果使用线材绳索，则优选地金属将是钢。一般来说，本领域技术人员将意识到哪种绳索将适于建立良好的旋转连接以用在本传动装置的实施方式中。

除了把绳索引导穿过返回回路，滑轮210、211中的一个或多个还可用于使绳索205张紧。该特征可允许滑轮系统连续吸收在绳索张紧时可能出现的短尺度变化。其次，滑轮系统可吸收绳索可能出现的长尺度伸长。滑轮可浮动并且由诸如弹簧等弹性结构外推。检测器212可有利地定位在返回回路中，这将稍后更详细地描述。

如提到的，绳索205绕大直径辊201和副辊203、204延伸，以将旋转扭矩从大直径辊201传递到副轴223、224。绕大直径辊和副辊的绳索205的圈数可取决于绳索的大小和具体风轮机型号期望的最大扭矩而变化；然而，作为示例，圈数可以约为100圈。对于100圈和如在此示出的两个副轴，经由绳索的张紧将主轴或轮毂上的扭矩从辊201传递给副轴203、204，其中绳索的任何部分都不经受超过全部传递力的约1/200。由此，借助大圈数减少了每圈的张力。

图4a和图4b示出了根据获得其它优点的一些更优选的实施方式所使用的两个不同副辊的各部分。优选的是，绳索圈在辊上被良好地对准，并且优化摩擦以确保满意地传递扭矩。如此，在优选实施方式中，副辊203、204可绕辊设有适于引导绳索的圆周沟槽301、311。沟槽可以是适合提供足够的对准和/或摩擦的任何形状；示例可以是半球形或V形。示出的沟槽301、311等距离地定位，从而确保将绳索基本上并排定位在大直径辊和副轴/辊上。同样，沟槽还可形成在大直径辊201上以改进大直径辊201与绳索205之间的摩擦。在优选实施方式中，沟槽位于副轴/辊和大直径辊两者上。

图5示出了供根据本发明的一个实施方式的传动装置使用的更换套件401。当是时候更换绳索时，更换套件401被带到机舱中。更换套件包括新的绳索402，新的绳索402通常卷绕在辊403上。当将具有新的绳索(带有绳索自由端404)的更换套件相对于大直径辊合适地定位时，打开旧的绳索的接头，从而暴露出两个绳索端部。

在旧的绳索的上游端与新的绳索自由端404之间制出新的接头，并且启动传动装置，从而缓慢地将旧的绳索更换为新的绳索。旧的绳索的下游端可有利地连接到另一可运送辊，使之与新绳索的更换同步地被卷起。一旦整个绳索都已被更换，传动装置就再次停止，使新绳索的两个端部结合并且风轮机准备再次启动。旧的绳索已被卷起并且可以容易地从风轮机拆除。理想情况下，可在不需要拆除传动系统或至少仅有最小需要的情况下进行绳索的这一替代过程。

在本发明的另一绳索更换实施方式中，第一绳索在更换过程中同步地卷绕在空辊上，之后可以容易地从风轮机拆除。这可通过在启动传动装置之前将第一绳索的另一端附接至所述空辊以更换所述绳索而获得。

在本发明的另一绳索更换实施方式中，所述更换套件包括供卷绕所述第二绳索的辊。在本发明的另一绳索更换实施方式中，所述更换套件被提升到风轮机的机舱，以获得相对于所述传动装置的输入旋转构件的所述合适定位。根据本发明的一个实施方式，更换套件可包括两个辊，一个辊用于旧的绳索，而另一辊用于新的绳索。

与常规齿轮箱风轮机比较，使用输入旋转构件(诸如鼓或辊)以及具有绳索的副轴/辊来传递扭矩可发现很多优点。要提到的一些优点是比传动装置更紧凑的结构、更平衡的扭矩，并且如果需要的话，发电可以分到两个或更多个发电机上。进一步，可减少冲击负载，扭矩可在齿轮箱的内占用大的半径，而非小的半径，并且可明显减少传动装置的制造复杂性。

进一步，利用本发明，绳索的更换仅需要打开要更换的绳索上的接头，将要更换的绳索的上游端与新的绳索的端部结合而形成临时接头，并且在打开临时接头并结合新的绳索的两个端部之前允许旧的绳索将新的绳索牵拉到位。理想情况下，任何其它部件的调整将是不必要的，并且可以以比较容易且低耗时的方式进行维护/更换。

其它优点可以是，利用绳索、辊/轴中的圆周沟槽可建立对绳索的引导，从而便于绳索与辊之间更大的可能接触表面。因为摩擦由表面积决定，这意味着可改进从辊向副轴传递扭矩的能力。

在旋转构件与发电机轴之间传递扭矩的过程中，具有两个中间步骤的两步传递被认为是合适的。然而，在各种实施方式中还可使用单个步骤或其它步骤。每个步骤的旋转速度将增加。通常，对于每个中间步骤，旋转速度以约5-10(诸如8或9)的因子增加。由此可以根据预期来调整总传动。

贯穿本公开，“输入旋转构件”可以是出于本领域技术人员的已知目的通常采取鼓或辊的形式的任何合适构件。贯穿本公开，“至少一个发电机的输出构件”将通常采取发电机轴的形式。

利用两个平行且沿直径对置的副轴，或者一般来说将副轴绕输入旋转构件以彼此相同的角距离进行布置，可实现对称的负载。应当指出的是，虽然图中示出并在此描述的是使用两个副轴和一个发电机，但是在本发明的范围内，副轴和发电机的数量可以在一个至三个之间独立地变化，或者可以更多。例如，不必将两个副轴旋转地连接到发电机的公共输出构件，这些可以代之以连接到其自己的单独的发电机。

在本发明的实施方式中，所述副轴进一步包括副辊。应当指出的是，当本文陈述副轴时，也在本发明的范围内的是副辊被安装在副轴上的实施方式。

在本发明的实施方式中，所述绳索路径包括从所述输入旋转构件或所述至少一个副轴的下游端到所述输入旋转构件或所述至少一个副轴的上游端的返回回路部分。在优选实施方式中，所述绳索路径包括从所述至少两个副轴之一的下游端到所述至少两个副轴之一的上游端的返回回路部分。

返回回路部分用于允许绳索在系统的一个端部跑出，并且通过再次返回至另一端而闭合绳索路径。由此，绳索路径绕过输入旋转构件以及其上的绳索圈。进一步，在该返回回路中，可以在再次馈送到系统中之前测量和/或清洁绳索。

如之前提到的，检测系统可有利地定位在返回回路中以连续地监测绳索的状态。如果该检测器观察到绳索的初始疲劳，则可计划更换绳索。如果观察到绳索的显著疲劳，则风轮机可降额或者甚至关停，直到绳索的更换已发生。

在各种实施方式中，所述检测系统能够监测选自下组的至少一个参数，该组由绳索直径、绳索松弛度和断裂纤维密度组成。如果检测器例如通过稍有松弛的绳索路径观察到绳索伸长，则浮动的滑轮可吸收该伸长以使绳索在辊和副轴上的任何松弛最小化。进一步，例如一般来说，光学检测器可观察到物理特性的改变。特别是对于包括金属的绳索，绳索可由电感式传感器监测局部故障，并且通过使用霍尔效应传感器监测分布式缺陷。基于具体布置和绳索类型，技术人员将能够选择合适的检测系统。

利用绳索与所述检测器的组合可提供非常明显的优点。例如与检测沿可达1-2米的总宽度移动而仅从上方才易于观察的带比较，损伤的连续检测可由一个或多个检测器进行，检测器检测具有最大几厘米的直径且可从四面八方观察的绳索。以这种方式，可获得磨损的有利连续观察，从而便于相当精确地知晓磨损的即时水平，并且可以等到真的必要时再进行更换。

在本发明的实施方式中，所述传动装置进一步包括用于清洁所述绳索的清洁系统，优选地位于所述返回回路中的一位置处。这样的清洁系统可连续工作来清洁绳索，或者在更优选的实施方式中以预定的时间间隔来清洁绳索的全长。如何执行清洁将取决于使用的绳索材料，但在各种实施方式中，可使用例如空气压力、油压力或刷。

在本发明的一个实施方式中，所述绳索路径包括绕所述输入旋转构件和所述副轴至少10圈。在其它实施方式中，圈数可至少为20圈或至少为50圈。

在本发明的一个实施方式中，所述传动装置包括诸如滑轮的至少一个绳索张紧装置，该绳索张紧装置可选地用诸如弹簧等弹性结构(把滑轮外推)浮动，用于在所述返回回路的至少一个点使所述绳索张紧。

根据本发明的另一实施方式，所述至少一个发电机的输出构件与所述副轴之间的所述旋转连接由选自下组的至少一个提供，该组由带驱动器、齿轮和链以及绳索驱动器组成。根据其它实施方式，所述至少一个发电机的输出构件与所述副轴之间的这种旋转连接还可包括齿轮箱。

根据本发明的另一实施方式，输入旋转构件是至少部分中空的。根据本发明的另一实施方式，所述输入旋转构件的直径至少为1m，诸如至少为2m。根据另一实施方式，输入旋转构件是主轴的一部分。

根据本发明的另一实施方式，所述绳索的长度至少为100m，诸如至少为200m或至少400m。根据本发明的另一实施方式，所述绳索为仅有一个接头的单件。本领域技术人员将意识到哪种接头将适于连接绳索的端部以便为本传动装置提供合适解决方案。

在其它实施方式中，绳索可包括适于扭矩的改进传递的表面。它可包括粗糙表面或配备有齿，从而类似齿形带。对于绕输入旋转构件和副轴多圈的齿形带的实施方式，所述输入旋转构件进一步包括匹配的轴向沟槽，使得齿可以抓握到沟槽中。

虽然各种优选实施方式的描述已说明了本发明并且虽然已在某种程度上详细地描述了这些实施方式，但是申请人并不意在将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制成这样的细节。本领域技术人员将容易想到额外的优点和修改。

Claims (17)

1.一种用于风轮机的传动装置，该传动装置包括输入旋转构件(201)，该输入旋转构件操作地连接到风轮机的转子(202)并且与至少一个副轴(203，204，223，224)旋转连接，所述副轴被布置成与所述输入旋转构件(201)的旋转轴线平行，

其中所述副轴(203，204，223，224)适于与至少一个发电机(228)的输出构件(229)操作地连接，

其中所述输入旋转构件(201)与所述至少一个副轴(203，204，223，224)之间的所述旋转连接由绳索(205)提供，所述绳索(205)的路线限定了绳索路径，并且

其中所述绳索路径包括绕所述输入旋转构件(201)和所述副轴(203，204，223，224)的多个圈。

2.根据权利要求1所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述输入旋转构件(201)被布置在风轮机的主轴(202)上。

3.根据权利要求1或2所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述输入旋转构件(201)被布置在风轮机的轮毂上。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述副轴(203，204，223，224)被旋转连接到所述至少一个发电机(228)的所述输出构件(229)。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述输入旋转构件(201)与至少两个副轴(203，204，223，224)旋转连接，该至少两个副轴被布置成与所述输入旋转构件(201)的旋转轴线平行且位于所述输入旋转构件(201)的相对两侧。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述副轴(203，204，223，224)包括用于引导所述绳索(205)的圆周沟槽(301，311)。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述输入旋转构件(201)包括用于引导所述绳索(205)的圆周沟槽。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述副轴(223，224)进一步包括副辊(203，204)。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述绳索路径包括从所述输入旋转构件或所述至少一个副轴的下游端到所述输入旋转构件或所述至少一个副轴的上游端的返回回路。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述传动装置进一步包括用于监测所述绳索的状态的检测系统(212)。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述传动装置进一步包括用于清洁所述绳索的清洁系统。

12.根据权利要求10所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述检测系统(212)能够监测选自下组中的至少一个参数，该组由绳索直径、绳索松弛度和断裂纤维密度组成。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述绳索路径包括绕所述输入旋转构件(201)和所述副轴(203，204，223，224)的至少10个圈。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述绳索(205)包括选自下组中的材料，该组由天然纤维、合成纤维和金属线材组成。

15.根据权利要求9至14中的任一项所述的用于风轮机的传动装置，其中，所述传动装置包括至少一个绳索张紧装置(210，211)，用于在所述返回回路的至少一个点处使所述绳索张紧。

16.一种用第二绳索更换如权利要求1至15中的任一项所述的传动装置的第一绳索的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-A)将包括第二绳索(402)的更换套件(401)放置在相对于所述传动装置来说合适的位置；

-B)打开所述第一绳索(205)的接头，从而暴露出两个第一绳索端部；

-C)在所述第一绳索端部的一个端部与所述第二绳索(402)的一个端部(404)之间建立接头；

-D)启动所述传动装置，从而随着时间用所述第二绳索(402)更换所述第一绳索(205)；

-E)当所述传动装置中的所述第一绳索(205)已被更换时停止所述传动装置；以及

-F)使所述第二绳索的所述一个端部(404)与所述第二绳索的另一端部结合。

17.一种风轮发电机，该风轮发电机包括：

塔架；

机舱，该机舱被设置成邻近该塔架的顶部；

转子，该转子包括轮毂以及从该轮毂延伸的至少一个风轮机叶片；

发电机；以及

设置在所述机舱中的根据前述权利要求中的任一项所述的传动装置。