CN101070907A - 用于风轮机的齿轮箱 - Google Patents

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Abstract

一种用于风轮机(2)的齿轮箱(1)，该齿轮箱(1)包括设置在外壳(4、21)中的环形轮单元(3)；设计成联接到所述风轮机(2)的转子(6)的驱动轴(5)；和单个主轴承(7)或一对主轴承(26、27)，其支撑所述驱动轴(5)，使得该驱动轴能够在所述外壳(4、21)中旋转，从而所述环形轮单元(3)由太阳轮(10)、行星轮(9)、以不旋转方式固定到所述外壳(4、21)的环形轮(11)和刚性地连接到所述驱动轴(5)的行星架(8)形成，其特征在于，设置有辅助轴承(22)，以相对于所述外壳(4、21)以旋转方式支撑所述行星架(8)或所述驱动轴(5)，并且在所述主轴承(7)或所述主轴承(26、27)设置在其中的所述外壳(4、21)的部分(24)和所述辅助轴承(22)和所述环形轮(11)设置在其中的所述外壳(4、21)的部分(25)之间，设置有弹性部分(23)，该弹性部分一方面具有相对的扭转刚度，另一方面对于沿轴向方向(AA’)的载荷(Fax)和/或沿径向方向(RR’)的载荷(Frad)是相对柔性的。

Description

用于风轮机的齿轮箱
技术领域
本发明涉及一种用于风轮机的齿轮箱。
尤其地，本发明涉及一种用于风轮机的齿轮箱，该齿轮箱包括设置在外壳内的环形轮单元；设计成联接到风轮机转子的驱动轴；和单个主轴承或一对主轴承，其支撑驱动轴，使得该驱动轴能够在外壳中旋转，从而环形轮单元由太阳轮、行星轮、以不旋转方式固定到外壳的环形轮和刚性地固定到驱动轴的行星架形成。
背景技术
用于风轮机的齿轮箱是公知的，从而驱动轴联接到风轮机的转子，而齿轮单元的太阳轮驱动例如发电机。
在现有实施例中，齿轮箱的外壳由多个件制成，从而外壳的第一部分例如是支撑结构的一部分，在该支撑结构中一对主轴承直接设置在座中，而外壳的第二部分被拧到支撑结构上，该第二部分包括实际环形轮单元。
还已知的是，将主轴承以及环形轮嵌入单独的壳体中，然后将该单独的外壳设置在支撑结构上。
这些是被称作集成式主轴承。
在进一步集成的情况下，仅用单个主轴承(例如对顶圆锥轴承)替换该主轴承对。
发明内容
本发明的目的是，主轴承或主轴承对吸收由于空气动力风力载荷以及转子重量所引起的驱动轴上的载荷，并将这些载荷直接地或通过齿轮箱的外壳传输到风轮机的支撑结构。
现有实施例的缺点是：当风轮机运转的时候，主轴承在转子载荷的影响下经受一定的弹性变形，这不可避免地导致在主轴承中一定的间隙，所述间隙将引起在环形轮单元处的对准误差，该对准误差妨碍了环形轮单元良好地工作。
这是因为，上述对准误差的原因是在齿轮的齿的齿腹之间的间隙能够在一些情况下被限制或者能够完全消除，或者相反地可增加。
所有缺点是：获得齿轮的不均匀载荷，并干扰了齿轮之间力的正常相互作用，这将导致行星轮的齿轮和轴承超载。
此外，本发明的目的在于补救上述的和其它缺点中的一个或多个。
为此，本发明涉及一种用于上述类型的风轮机的齿轮箱，设置了辅助轴承，从而相对于外壳以旋转方式支撑行星架或驱动轴，并且在主轴承设置于其中的外壳部分与辅助轴承和环形轮设置在其中的外壳部分之间，设置有弹性部分，该弹性部分一方面具有相对的扭转刚度，另一方面对于沿轴向方向的载荷和/或沿径向方向的载荷是相对柔性的。
根据本发明用于风轮机的这种齿轮箱的优点在于，因为外壳的弹性部分使得环形轮和辅助轴承已设置在其中的外壳的部分能够相对于主轴承嵌入其中的外壳的部分沿轴向或径向方向运动，所以能够吸收或补偿由于主轴承、行星架、驱动轴和/或外壳的变形，或者由于间隙而出现的上述对准误差。
结果是，改善了环形轮、行星架、行星轮和太阳轮之间的对准，使得避免了由于不良对准所引起的负面效应。
根据本发明的齿轮箱的优选实施例，环形轮、行星轮和太阳轮沿轴向方向被设置在辅助轴承和主轴承之间。
在该实施例中，辅助轴承将行星架支撑在上述对准误差较大并且相对于弹性部分较大的轴向距离的位置处。
从而，能够较容易地克服在对准误差影响下，由弹性部分施加以反抗环形轮和辅助轴承位于其中的外壳的部分的运动的阻力。
这是因为，由于弹性部分的弹性和该弹性部分和辅助轴承之间的较大距离，仅仅通过辅助轴承上的受限制载荷就能够消除对准误差。
如此，行星轮、环形轮和太阳轮能够重新以有效的方式正确地对准。
根据本发明的齿轮箱的另一优选实施例，在相对于齿轮单元的外壳支承行星架的辅助轴承上的载荷主要取决于上述弹性部分的轴向和径向刚度。
该实施例的优点是，例如借助于在计算机模型中的计算或通过试验所建立所述刚度，通过设计具有合适的径向或轴向刚度的弹性部分，就能够限制在辅助轴承上的载荷，使得能够保证该辅助轴承的最大使用寿命或者能够限制辅助轴承的尺寸。
通常，应指出的是，辅助轴承上的载荷取决于弹性部分的弹性，取决于弹性部分到辅助轴承的距离，而且取决于主轴承的弹性。
这是因为，主轴承的刚度越大，在辅助轴承处的对准误差将越小，弹性部分必须变形以便补偿对准误差得越少，从而辅助轴承将经受越少的载荷。
附图说明
为了更好地说明本发明的特征，参考附图，将根据本发明用于风轮机的齿轮箱的优选实施例仅仅描述成不会以任何方式限制的实例，其中：
图1作为剖面图，示意性地表示了根据本发明的齿轮箱的第一实施例，其中驱动轴通过单个主轴承支撑，该单个主轴承与在单独外壳中的环形轮单元的其余部分结合在一起；
图2示出根据图1的齿轮箱的工作；
图3类似于图1，表示了根据本发明的齿轮箱的实施例，转子由直接设置在涡轮支架中的两个主轴承支撑；
图4表示图1和3的实施例的组合的实施例，两个主轴承支撑转子：
设置在涡轮支架中的第一主轴承和与在单独外壳中的环形轮单元的其余部分结合在一起的第二主轴承；
图5表示用于图1、2和4的实施例的替代性实施例，弹性部分设置在涡轮支架中；
图6表示用于图1的实施例的替代性实施例，辅助轴承已设置成较靠近主轴承；
图7按较大比例表示图1中由F7指示的部分；
图8表示用于图7的所述部分的替代性实施例；
图9和10示出图8的实施例的工作；并且
图11和12表示用于图7的所述部分的又一实施例。
具体实施方式
图1中描绘的根据本发明用于风轮机2的齿轮箱1包括设置在外壳4中的环形轮单元3(ring wheel unit)；联接到风轮机2的转子6的驱动轴5；和主轴承5，该主轴承5在外壳4中以旋转方式支撑驱动轴或转子轴5。
环形轮单元3包括上面已设置有行星轮9的行星架8，在本例中，总共有3个行星轮9，从而这些行星轮9和太阳轮10及环形轮11一起工作，其中该环形轮11以不旋转的方式固定至齿轮箱1的外壳4。
行星轮9能够相对于行星架8旋转。
为此，在给出实例中的行星架8包括第一部分12和第二部分13，所述两个部分通过轴14而相互连接起来。
作为选择，这种通常所说的“笼”型行星架8还能够通过在模具中铸造而成的单一件制成。
在这些轴14上，行星轮9通过轴承15和16而被支承安装。
太阳轮10设置在从动轴17上，该从动轴17通过行星架8的第二部分13中的开口18而突出。
通过轴承19，从动轴17还被相对于齿轮箱1的外壳4以旋转的方式支撑，这在附图中示意性地描绘出，但仅仅以简单的方式示出本发明的原理。
实践中，当从动轴17驱动第二行星级(step)时，常常获得从动轴17的这种支撑，从而在外壳4中支撑所述级的行星架的轴承也设置用于从动轴17的支撑。
在其它实施例中，从动轴17驱动例如空心轴和齿轮的传动，从而，实践中，在外壳4中从动轴17的支撑不得又直接由轴承19提供。
当然，可能有许多可选择实施例。
此外，行星架8刚性地连接到转子轴5，使得转子轴5和行星架8一起形成齿轮单元3的实际入口。
当然，其目的在于通过环形轮单元3，将在风力影响下的转子轴5或驱动轴5的相对慢的旋转转换成从动轴17的相对快的旋转，从而以便于例如驱动发电机或在齿轮传动中后面的级。
在给出的实施例中，齿轮箱1通过螺栓22而被设置在风轮机2的支撑结构21上，特别地设置在涡轮支架上，从而实现齿轮箱1和支撑结构21之间的直接刚性连接。
在该情况下，转子轴5仅仅通过单个主轴承7而被支承安装在齿轮箱1的外壳4中。
由于外壳4和支撑结构21及转子轴5的结合轴承7之间的刚性连接，因此根据本发明的齿轮箱1的运转不同于齿轮箱，从而转子轴5通过一对主轴承而被支承安装在支撑结构21中，并且弹簧/阻尼器系统已设置在齿轮箱1和支撑结构之间。
主轴承7是这样的，即使得在转子轴5上由于转子重量所引起的弯矩和力主要由该轴承7吸收，并传递到外壳4和支撑结构21，从而主轴承7还设置用于驱动轴5在外壳4中的轴向和径向定位。
本发明的第一方面在于还提供了辅助轴承22，该辅助轴承22相对于齿轮箱1的外壳4以旋转的方式支撑行星架8。
本发明的另一方面在于在外壳4中设置了弹性部分23，其一方面具有相对的扭转刚度，另一方面在轴向方向AA’和/或径向方向RR’上对载荷是相对柔性的。
该弹性部分23被这样放置，即使得在外壳4的部分24中，辅助轴承22、环形轮11以及从动轴17被设置成：使得它们相对于外壳4的部分25能够稍微运动，在该外壳4的部分25中已设置了主轴承7。
根据本发明的齿轮箱1的原理较简单，下面通过图2示出。
齿轮箱1的主轴承7尺寸被设置大得足以吸收在转子轴5上由转子重量和风载荷所引起的弯矩和力，并将所述弯矩和力传递到外壳4和支撑结构21。
但是，由于作用在转子轴5上上述力的大小，所以主轴承7、转子轴5、行星架8和/或齿轮箱1的外壳4遭受一定程度的变形是不可避免的。
此外，一般而言，在主轴承7中还存在一定的间隙。
图2借助于转子轴5的角位移B以非常简化的方式并按放大比例表示了所述变形和间隙。
当然，实践中的情形将复杂得多。
如果没有设置辅助轴承22或弹性部分23(如在公知的齿轮箱中通常的那样)，则由于上述作用，在施加载荷之后，驱动轴或转子轴5将不再对称地与从动轴17对准，使得在驱动轴5和从动轴17之间将出现一定的对准误差B。
由于这种对准误差B，行星轮9将不再相对于环形轮11和太阳轮10良好地对准，这将妨碍环形轮单元3良好的正常工作顺序。
但是，由于根据本发明的行星架8在外壳4中由轴承22辅助地支撑，并且由于弹性部分23在外壳4中设置于上述部分24和25之间，所以外壳4的部分24将能够相对容易地跟随转子轴5的运动。
图2通过使部分24相对于外壳4的另一部分25位移一个角度B，以简化方式再次表示齿轮箱。
显然，以这种方式，环形轮单元3的不同齿轮9、10和11，以及驱动轴5和从动轴17相对于彼此重新良好地对准，这是本发明的目的之一。
图3至6表示用于根据本发明的风轮机的齿轮箱1的其他实施例。
图3的替代性实施例在于转子轴5不是仅仅由一个主轴承9支撑，而是由一对主轴承26和27支撑。
此外，所述主轴承26和27没有被结合在齿轮箱1的单独外壳4中(环形轮单元3也设置在其中)，而是所述主轴承26和27直接设置在风轮机2的支撑结构21中。
换句话说，齿轮箱1的外壳4被部分地结合在风轮机2的支撑结构21中。
当然，这不会以任何方式改变齿轮箱1的工作，并且通过该实施例也能够补偿对准误差B。
图4表示中间形式，也设置了两个主轴承26和27，但一个主轴承26被结合在齿轮箱1的外壳4中，而另一主轴承被结合在支撑结构21中。
再一次，用其它方式，齿轮箱1的外壳4被部分地结合在风轮机2的支撑结构21中。
当然，该实施例的工作完全类似于前述实施例。
图5表示根据本发明的又一变体，这次的弹性部分23没有设置在齿轮箱1的外壳4中，而是设置在支撑结构21中。
再一次，在该情况下，齿轮箱1的外壳4的一部分被结合在支撑结构21中。
这不会改变本发明的原理，只要保证部分24能够相对于支撑结构21的部分25跟随驱动轴5的运动就行，其中所述部分24由齿轮箱1的外壳4和弹性部分23和外壳4之间的支撑结构21的部分29形成，环形轮11和辅助轴承2被保持在该外壳4中，主轴承26和27已设置在支撑结构21的部分25中。
此即为所示的实施例中清楚显示的情况。
在迄今讨论的所有实施例中，环形轮11、行星轮9和太阳轮10在辅助轴承22和主轴承7、26或27之间沿轴向方向AA’放置。
但是，在图6的实施例中，辅助轴承22已设置在环形轮单元3和支撑结构21之间。
如果弹性部分23设置正确，则保证外壳4的部分24仍然能够相对于外壳4的部分25运动，使得仍然保持本发明的原理，其中外壳4的部分24包含所述辅助轴承22以及齿轮单元3，主轴承7结合在外壳4的部分25中。
显然，在图1至5的实施例中，辅助轴承22设置在对准误差B可能是最大的地方并且是在距弹性部分23足够的轴向距离L处。
结果，与转子轴5的小偏离对辅助轴承22有较大影响，而且在辅助轴承22上没有超载的任何迫切威胁的情况下，能够容易地克服在变形或间隙B的影响下，由弹性部分23施加、以反抗外壳4的部分24或支撑结构21的运动的阻力。
在图6的实施例中，辅助轴承22处的偏离以及力矩臂L’小得多。
这意味着：为了能够补偿相同的对准误差B，并假定在所有的实施例中，弹性部分23具有同样大的径向和轴向弹性，如图1至5所示作用在辅助轴承22上的力将比在图6中的情况下小。
辅助轴承22上的负载主要取决于弹性部分23的轴向和径向刚度和力矩臂L或L’，但也取决于主轴承7的刚度。
但是，通过调整弹性部分23的特性，对于不同的实施例都能够获得期望的效果。
例如，能够选择根据图6的实施例以便于安装等。
图7以较大比例表示弹性部分23，在该实施例中，通过给予此部分以不同于外壳4的围绕部分24和25的尺寸，获得弹性部件23的弹性。
特别地，弹性部分23的厚度D小于外壳4的围绕部分24和25的厚度D’。
图8表示用于弹性部分23的优选的替代性实施例，其中弹性部分23设置有U形的横截面。
如图9所示，当弹性部分23经受沿轴向方向AA’的力Fax时，或如图10所示，经受沿径向方向RR’的力Frad时，该弹性部分23是非常柔性的，所以该实施例是特别引起关注的。
结果，能够容易地补偿上述对准误差B。
另一方面，弹性部分23具有足够的扭转刚度，使得该弹性部分23能够没有任何问题地吸收作用在环形轮11上的反作用弯矩。
图11表示用于弹性部分23的又一实施例，这次该部分23通过设置具有一定造型的外壳4而形成。
这种造型通过省略外壳4的某些部分，从而获得所需的轴向和径向柔韧性，并且它例如在外壳4的整个周长上不需要均匀。
在用于图12所示弹性部分23的替代性实施例中，通过使外壳4的部分23由比外壳4的围绕部分24和25更具弹性的材料(例如合成材料等)制成来获得弹性。
根据本发明，弹性部分23在周长上不必需均匀。
本发明决不限于作为实例描述并在附图中表示的实施例；相反，根据本发明的用于风轮机的齿轮箱能够制成不同的形状和尺寸，而仍然保持在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于风轮机(2)的齿轮箱(1)，该齿轮箱(1)包括设置在外壳(4、21)中的环形轮单元(3)；设计成联接到所述风轮机(2)转子(6)的驱动轴(5)；以及单个主轴承(7)或一对主轴承(26、27)，它们支撑所述驱动轴(5)，使得该驱动轴能够在所述外壳(4、21)中旋转，从而所述环形轮单元(3)由太阳轮(10)、行星轮(9)、以不旋转方式固定到所述外壳(4、21)的环轮(11)和刚性地连接到所述驱动轴(5)的行星架(8)形成，其特征在于，设置有辅助轴承(22)，以相对于所述外壳(4、21)以旋转方式支撑所述行星架(8)或所述驱动轴(5)，并且在所述主轴承(7)或所述主轴承(26、27)设置于其中的所述外壳(4、21)的部分(24)和所述辅助轴承(22)和所述环轮(11)设置于其中的所述外壳(4、21)的部分(25)之间，设置有弹性部分(23)，该弹性部分一方面具有相对的扭转刚度，另一方面对于沿轴向方向(AA’)的载荷(Fax)和/或沿径向方向(RR’)的载荷(Frad)是相对柔性的。
2.如权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述环形轮(11)、所述行星轮(9)和所述太阳轮(10)沿轴向方向(AA’)被设置在所述辅助轴承(22)和主轴承(7、26、27)之间。
3.如前述权利要求中任一项所述的齿轮箱，其特征在于，所述辅助轴承(22)上的载荷主要取决于所述弹性部分(23)的轴向和径向刚度。
4.如前述权利要求中任一项所述的齿轮箱，其特征在于，所述弹性部分(23)的弹性基于这样的事实，即所述外壳(4、21)的所述部分(23)的尺寸不同于所述外壳(4、21)的围绕部分(24、25)的尺寸。
5.如权利要求4所述的齿轮箱，其特征在于，所述弹性部分(23)的厚度(D)小于所述外壳(4、21)的围绕部分(24、25)的厚度(D’)。
6.如前述权利要求中任一项所述的齿轮箱，其特征在于，所述弹性部分(23)具有造型。
7.如前述权利要求中任一项所述的齿轮箱，其特征在于，所述弹性部分(23)具有U形横截面。
8.如前述权利要求中任一项所述的齿轮箱，其特征在于，所述弹性部分(23)由比所述外壳(4、21)的围绕部分(24、25)更具弹性的材料形成。
9.如前述权利要求中任一项所述的齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱(1)的外壳(4)被部分地结合在所述风轮机(2)的支撑结构(21)中。
10.如权利要求9所述的齿轮箱，其特征在于，所述主轴承(7)或所述主轴承(7、26、27)中的至少一个被结合在所述支撑结构(21)中。
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