一种基于差速器的双转子水平轴风力发电机合成传动链

本发明涉及水平轴风力发电机传动链制造，尤其是一种基于差速器的双转子水平轴风力发电机合成传动链。

背景技术：

1、单转子水平轴风力发电机的风能利用率存在着贝茨极限， 的理论上限为0.593，而实际的风能利用率大约只有0.42。为提升单转子水平轴风力发电机的单机功率，只能继续增大其叶片直径，而叶片直径受到材料强度、材料成本等限制，无法无限增大，因此双转子水平轴风力发电机被提出。双转子水平轴风力发电机的两个转子都参与发电，其中位于来流风向的前方的为主转子，位于来流风向后方的为辅助转子，主转子与辅助转子直径大小相同，翼型相同，转向相反。风流经主转子后被抽取能量，但风能仍有很大一部分未被利用，因此采用一个与主转子转向相反的辅助转子，继续利用风能发电，经仿真，这种转子布置形式的双转子水平轴风机风能利用率可以达到0.53。此外通过转向相反的双转子布置，可以带来更快的尾流恢复，使风在流过风力发电机后从大气快速补充能量，方便风场后续风机获取风能。

2、双转子水平轴风力发电机的传动链通常为独立传动链，即采用两套传动链与两台发电机，存在着成本高、重量过大、轴向距离过长、线路布置困难等缺点。

3、双转子水平轴风力发电机的合成传动链存在着电气合成和机械合成两种路线。其中电气合成路线一般采用双绕组的发电机，这会极大增加发电机的产热量，附加的冷却设备、电气解耦设备也极大增加了风电机组复杂程度，进而导致成本上升，故障率上升。

4、基于此，本发明提出了一种基于差速器的双转子水平轴风力发电机合成传动链，充分利用了双转子水平轴风力发电机与差速器的优点，依靠行星齿轮传动、离合器与格里森齿制的弧齿锥齿轮差速器，构建出传动效率高的双转子水平轴风力发电机合成传动链。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于差速器的双转子水平轴风力发电机合成传动链，安全可靠、技术成熟、性价比高，充分利用双转子水平轴风力发电机与差速器的优点，能够有效地对双转子水平轴风力发电机的两个转子运动进行合成，可应用于塔架资源紧张的陆地或海上风场，对提高单台水平轴风力发电机的风能利用率、节省塔架成本等具有重要意义。

2、本发明采用以下技术方案。

3、一种基于差速器的双转子水平轴风力发电机合成传动链，所述传动链包括风力发电机的主转子、辅助转子；所述主转子与辅助转子直径大小相同，翼型相同；位于来流风向前方的输入转子为主转子（11），位于来流风向后方的输入转子为辅助转子（18）；主转子、辅助转子在风力驱动下的旋转动作分别由与其相连的主增速齿轮箱（13）、辅助增速齿轮箱（16）增速并形成两路减小后的扭矩，两路扭矩再经离合器输入到中央差速器合成增速齿轮箱（14），合并形成为用于驱动发电机（15）的输出扭矩；

4、所述主转子、辅助转子受风时的旋转动作转向相反以减小受风过程对风力发电机塔架的倾覆力矩。

5、所述主转子采用双叶片转子，受风时顺时针转动；所述辅助转子采用双叶片转子，受风时逆时针转动。

6、主转子通过包括两级ngw传动构型行星轮系的增速齿轮箱进行初步增速减扭，所述两级ngw传动构型行星轮系具有两个单级ngw传动构型行星轮系，第一级为低速级ngw传动构型行星轮系，与主转子相连接，第二级为高速级ngw传动构型行星轮系，与第一级相连接。

7、所述低速级ngw传动构型行星轮系中，包括一个低速级太阳轮（3），四个低速级行星轮（2），一个低速级行星架以及一个低速级齿圈（1），所述四个低速级行星轮安装于低速级行星架上，低速级行星轮与低速级太阳轮外啮合，低速级行星轮与低速级齿圈内啮合，低速级行星架承载主转子的输入扭矩，低速级太阳轮向高速级ngw传动构型行星轮系输出扭矩，所述低速级齿圈为静止的固定结构；

8、所述高速级ngw传动构型行星轮系中，有一个高速级太阳轮（6），三个高速级行星轮（5），一个高速级行星架以及一个高速级齿圈（4），所述三个高速级行星轮安装于高速级行星架上，高速级行星轮与高速级太阳轮外啮合，高速级行星轮与高速级齿圈内啮合，高速级行星架承载低速级ngw传动构型行星轮系的输入扭矩，高速级太阳轮对外输出扭矩，高速级齿圈为静止的固定结构。

9、辅助转子通过包括nw传动构型行星轮系的增速齿轮箱进行初步增速减扭，所述nw传动构型行星轮系为具有双联行星轮的行星轮系，所述双联行星轮包括固结在一起的nw小行星轮（13）与nw大行星轮（11），由nw齿圈（14）与nw小行星轮传动，nw齿圈与nw辅助转子相连接，nw大行星轮与nw太阳轮（12）传动，nw太阳轮与输出轴相连接。

10、所述nw传动构型行星轮系中，包括一个nw太阳轮，三个双联行星轮，一个nw行星架以及一个nw齿圈，所述三个双联行星轮安装于行星架上，nw小行星轮与nw齿圈内啮合，nw大行星轮与nw太阳轮外啮合，nw行星架为静止的固定结构，nw太阳轮对外输出扭矩，nw齿圈承载辅助转子的输入扭矩，nw传动构型行星轮系具备大传动比。

11、主增速齿轮箱（13）、辅助增速齿轮箱（16）输出的减小后的扭矩分别输出至对应连接的离合器中，所述离合器包括内离合器片（20）、外离合器片（10）、离合器壳体（30）与输出轴，所述离合器中内、外离合器片各有四片，所述内离合器片包括能嵌合到输出轴的凹槽，所述外离合器片包括能嵌合到离合器壳体的凹槽，所述离合器壳体与转子增速齿轮箱连接，所述输出轴与中央差速器合成增速齿轮箱连接，所述内离合器片与外离合器片压紧后，通过摩擦传递动力，内离合器片与外离合器片松开后，动力断开。

12、所述的中央差速器合成增速齿轮箱为差速器结构，包括四个同等大小的格里森齿制的弧齿锥齿轮，一个锥齿轮壳体，一个格里森齿制的大弧齿锥齿轮以及一个格里森齿制的小弧齿锥齿轮；

13、所述四个格里森齿制的弧齿锥齿轮分别为两个半轴输入锥齿轮（7）和两个差动行星锥齿轮（8），所述半轴输入锥齿轮与离合器的输出轴连接，所述差动行星锥齿轮与半轴输入锥齿轮相连接以进行差速运动合成，所述两个差动行星锥齿轮固定在锥齿轮壳体上，完成运动合成后输出到锥齿轮壳体，所述锥齿轮壳体固定在大弧齿锥齿轮（9）上，所述大弧齿锥齿轮与小弧齿锥齿轮（50）相连接，以完成主转子、辅助转子的运动合成输出。

14、所述发电机垂直安装以降低机舱重心，发电机由中央差速器合成增速齿轮箱的大弧齿锥齿轮与小弧齿锥齿轮构成的垂直轴驱动，以主转子、辅助转子扭矩的动力驱动垂直于地面的发电机主轴。

15、所述发电机为一台永磁同步发电机，其输入轴与中央差速器合成增速齿轮箱相连，以中央差速器合成齿轮箱合成主转子、辅助转子旋转运动后形成的扭矩为发电动力。

16、本发明公开了一种基于差速器的双转子水平轴风力发电机合成传动链，涉及兆瓦级水平轴风力发电机传动链领域。该传动链主要由两个转子、两个与转子配套的增速齿轮箱、两个离合器、一个中央差速器合成增速齿轮箱以及一台永磁同步发电机构成。其主要特征是，该传动链拥有两个输入转子，分别为位于来流风向前方的主转子与位于来流风向后方的辅助转子，主转子与辅助转子通过各自配套的增速齿轮箱增速后，通过离合器输入到中央差速器合成增速齿轮箱，从而将两个转子的运动在机械层面进行合成，最后输出到一台永磁同步发电机中。其中，主转子与辅助转子各自配套的增速齿轮箱通过离合器与中央差速器合成增速齿轮箱连接，完成双转子水平轴风力发电机两个转子的运动的灵活接入与断开，其技术效果为同等功率条件下，本发明拥有更小的转子直径与传动链尺寸，提高了风能利用率，节省了风场资源，降低了风电机组设备成本，提高风电机组产出效益，此外转向相反的双转子减小了风对塔架的倾覆力矩。

17、本发明所述的基于差速器的双转子水平轴风力发电机合成传动链，可通过离合器解除单个转子转速过快引发失速，导致的差速器空转；例如当其中一个转子的转速过快时，通过控制该转子的离合器断开，切断该转子的动力输入，就可以避免中央差速器空转。

18、本发明公开提供的技术方案可达到以下有益效果：

19、1、对双转子水平轴风力发电机的两个转子的运动在机械层面进行合成，解决了以往合成传动链在电气合成中发热量大、系统不可靠的问题，主转子与辅助转子通过合成传动链共同驱动一台永磁同步发电机，其结果是相比于同等功率的单转子水平轴风力发电机，转子直径尺寸减小了大约25%，风能利用率提高了11%，减小了双转子水平轴风力发电机增速齿轮箱重量与体积，提高了双转子水平轴风力发电机的产出。

20、2、本发明通过离合器设计避免了差速器空转现象，提高了传动链的安全性。

21、3、相比于传统技术中的单转子水平轴风力发电机受单侧倾覆力矩的缺陷，本发明中主转子和辅助转子处于塔架两侧，两个转子均受力，减小了塔架所受不平衡力矩。