CN101449083A - 用于风轮机的齿轮系统 - Google Patents

Abstract

一种齿轮系统(1)，包括主轴承(3)、主齿轮(5)以及两个或更多小齿轮轴(6)。主轴承(3)直接支承转矩输入装置(2)并限定转动轴线(4)。每个小齿轮轴(6)均布置成在主齿轮(5)的外表面(7)与该主齿轮(5)啮合，以使从主齿轮(5)传递的转矩分成与多个小齿轮轴(6)对应的平行的转矩路径。至少主齿轮(5)以及至少该主齿轮与小齿轮轴(6)的部分啮合设置在由主轴承(3)限定的周界内。该齿轮系统(1)由于主齿轮(5)及其与小齿轮轴(6)的啮合而紧凑。同时，由于小齿轮轴(6)通过外表面(7)啮合主齿轮(5)，因此能被容易且成本有效地制造。

Description

用于风轮机的齿轮系统

技术领域

本发明涉及一种齿轮系统，该齿轮系统比较紧凑并且比较容易且成本有效地制造。本发明的齿轮系统非常适合用于涡轮机，特别是风轮机。本发明还涉及齿轮箱和具有这种齿轮系统的风轮机。

背景技术

日益要求风轮机传递增长的功率水平。这也可能导致风轮机尺寸和重量的增加。然而，这造成了与风轮机结构和维护有关的问题。因此希望构造较大—即具有增加的功率水平—的风轮机，但又不会相应增加风轮机的尺寸。

WO02/14690公开了一种实现这一目的的方法，该文献公开了一种用于风轮机的驱动组件，该风轮机包括转子轮毂和行星型齿轮传动装置，该行星型齿轮传动装置包括太阳轮、行星轮、齿圈和行星架。齿圈不可转动地固定在一支承结构例如风轮机机舱上，一主轴承相对于齿圈和支承结构转动地支承转子轮毂和行星架。太阳轮、行星轮和齿圈可位于一横向平面(垂直于转动力的转动轴线)，该横向平面也包含主轴承。由此提供一种紧凑的驱动组件。

这种驱动组件的一个缺点是，它比较难以制造并且制造成本很高，这部分是由于适于在内表面上与行星轮啮合的齿圈的制造比较困难并且成本很高。此外，这种齿圈的现有生产技术会抑制材料的选择可能性，从而通常需要选择更昂贵的材料。另一个缺点是作用在主轴承上的横向负荷使齿圈歪斜，并由此直接干扰齿轮接触。此外，该驱动组件的支承结构的歪斜也会使牢固地螺栓连接在该支承结构上的齿圈歪斜。这也会干扰齿轮接触。

WO2004/015267说明了现有技术的驱动组件的另一示例，该文献公开了一种风轮机齿轮单元，该齿轮单元包括低速齿轮模块和多个高速齿轮模块。低速齿轮模块可操作性以便同时向每个高速齿轮模块传递转矩。低速齿轮模块可以是大齿轮或环状轮。当将环状轮用作低速齿轮元件时，转子的主轴承可位于该环状轮的外径上，由此提供如WO02/14690所述的紧凑的齿轮单元。然而，这在将大齿轮用作低速齿轮单元时则是不可能的，因此需要平衡使齿轮单元紧凑的需求与使齿轮单元容易且成本有效地制造的需求。这是一个缺点。

WO02/14690和DE1031894中公开了常规行星齿轮系统的另一示例。在这些文献所公开的齿轮系统中，每个行星齿轮都具有两个齿啮合，一个朝向齿圈，另一个朝向太阳轮。这两个接触之间的啮合力具有相反的方向。这在每转中在行星齿轮上引起交替的弯曲负荷。这是一个缺点，因为它减小了行星齿轮的能力。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种紧凑的齿轮系统，该齿轮系统还容易并成本有效地制造。

本发明的再一目的是提供这样一种齿轮系统，该齿轮系统能在安放到风轮机中时被以容易、安全且有效的方式维护。

本发明的又一目的是提供一种齿轮箱，该齿轮箱比较紧凑并且能容易且成本有效地制造。

本发明的另一目的是提供这样一种齿轮箱，该齿轮箱能在安放到风轮机中时被以容易、安全且有效的方式维护。

本发明的又一目的是提供一种涡轮机，尤其是风轮机(风力涡轮机)，它具有比较紧凑并能容易且成本有效地制造的齿轮箱。

本发明的再一目的是提供一种涡轮机，尤其是风轮机，它具有一种齿轮箱，该齿轮箱能在安放到风轮机中时被以容易、安全且有效的方式维护，而不必从风轮机中取出。

根据本发明的第一方面，通过提供一种齿轮系统实现上面的以及其他的目的，该齿轮系统包括：

-主轴承，该主轴承直接支承转矩输入装置并且限定转动轴线，

-主齿轮，以及

-两个或更多小齿轮轴，每个小齿轮轴均布置成在主齿轮的外表面与主齿轮啮合，以使从主齿轮传递的转矩分到多个平行的转矩路径中，所述转矩路径的数量对应于小齿轮轴的数量，并且每个小齿轮轴均由一小齿轮支承结构支承，

其中，至少主齿轮以及它与小齿轮轴的啮合的至少一部分位于由该主轴承限定的周界内。

转矩输入装置是齿轮系统的一部分，通过该转矩输入装置，转矩直接或者经由连接轮毂、轴或管输入该系统。该转矩输入装置可以例如是转子或者包括转子。转矩可通过任何适当类型的转矩产生装置提供，所述转矩产生装置例如为链轮、鼓轮、外(开放)齿轮系统，或者是一组由流体流，例如风或水流，驱动的叶片。

转矩输入装置由主轴承直接支承。这样，转矩输入装置在主轴承内转动，由此向齿轮系统输入转矩，并且由此限定转动轴线。

主齿轮以及两个或更多小齿轮轴适于在主齿轮的外表面啮合。这与主齿轮是齿圈的情况相反，即，齿轮适于在齿轮的内表面于一个或多个小齿轮轴啮合。这是有利的，因为与适于经由内表面啮合的(直)齿轮相比，适于经由外表面啮合的齿轮更容易且能更成本有效地制造。此外，这种齿轮的制造技术大大减少所应用的材料的要求，例如在强度和/或耐用性方面，并且可相应使用较廉价的材料，由此进一步减少了制造成本。

所述两个或更多小齿轮轴布置成与主齿轮啮合，以使从主齿轮传递的转矩分到多个平行转矩路径中。

平行转矩路径的数量对应于小齿轮轴的数量。这样，通过转矩输入装置输入该系统的转矩经由由小齿轮轴限定的平行转矩路径在该系统中传递。由此，负荷被小齿轮轴分摊。

此外，可以相对于一平面均匀分布地布置小齿轮轴，该平面基本横向于由小齿轮轴限定的纵向方向。或者，小齿轮轴可相对于这种平面不对称。此外，小齿轮轴可以分组，这些小齿轮轴组可以相对于该平面均匀分布或者不对称。

每个小齿轮轴由一小齿轮支承结构支承。在本发明中，术语“小齿轮支承结构”应当解释为一支承一个或多个小齿轮轴的元件。小齿轮轴支承结构可以例如为小齿轮笼(cage)、齿轮外壳、齿轮框架或齿轮托架。

本发明的齿轮系统的有利之处在于，小齿轮轴不像上述WO02/14690或DE10318945中所公开齿轮系统那样具有两种齿啮合(tooth mesh)。由此，避免了与具有相反方向的齿力相关的问题，并且从而大大提高了每个小齿轮轴的能力/容量。由此，本发明的齿轮系统提供了对材料的有效使用，这在可靠性以及成本效率方面都是有利的。

至少主齿轮以及它与小齿轮轴的啮合的至少一部分位于由主轴承限定的周界内。这样，主齿轮及其与小齿轮轴的至少部分啮合，优选所有啮合，以非常紧凑的方式设置或形成。相应地，已经提供了非常紧凑的齿轮系统。同时，如上所述，该齿轮系统能被容易并且成本有效地制造。这是非常有利的。

用在本发明的齿轮系统中的轴承可以是任何适当类型的轴承，包括滚柱轴承、球轴承、套筒轴承、单列轴承、多列轴承和/或任何其它适当类型的轴承。此外，可应用上述轴承种类中的一种或多种。此外，根据所涉及的轴承的布置，每个轴承可设置成具有转动的外圈或转动的内圈。

类似地，用在本发明的齿轮系统中的齿轮可以为任何适当类型的齿轮，包括斜齿轮、正齿轮、双螺旋齿轮、人字齿轮和/或任何其它合适的齿轮类型。此外，可将上述类型的齿轮中的一种或多种应用于齿轮系统的各种齿轮连接。

该齿轮系统还包括至少两个独立的小齿轮支承结构，每个小齿轮轴由所述小齿轮支承结构中的一个支承。根据该实施例，小齿轮支承结构能相对于彼此移动一定程度，由此提供附加自由度，以用于确保负荷至少基本均匀地沿由小齿轮轴限定的转矩路径分布。应当理解，小齿轮支承结构不能完全独立于彼此移动。因此，小齿轮支承结构相对于由主轴承限定的转动轴线的角向分布优选至少基本固定，同时小齿轮支承结构能相对于彼此在沿所述转动轴线的方向上或者在与转动轴线垂直的径向方向上移动一定程度。在一个实施例中，小齿轮支承结构的数量等于小齿轮轴的数量，即，每个小齿轮轴由一个仅支承该小齿轮轴的小齿轮支承结构支承。或者，一个或多个小齿轮支承结构可支承两个或多个小齿轮轴。

或者，所有小齿轮轴可由一公共小齿轮支承结构支承。

主齿轮可在转动上与转矩输入装置分离。在这种情况下，主齿轮不随转矩输入装置转动，该主齿轮可至少基本位置固定。或者，主齿轮可适于进行转动运动，但这些转动运动独立于由转矩输入装置执行的转动运动。例如，主齿轮可以以不同于转矩输入装置的速度例如较低的速度转动，或者甚至可以反向于转矩输入装置转动。与主齿轮至少基本位置固定的情况相比，这降低了齿轮连接上的应力。此外，根据本实施例，在小齿轮轴由公共小齿轮支承结构支承的情况下，该公共小齿轮支承结构适于随着转矩输入装置转动。

在上述实施例的又一种变型中，主齿轮在正常运行期间基本位置固定。在这种变型中，支承主齿轮的结构或轴可连接到转矩限制装置例如摩擦离合器，该转矩限制装置允许主齿轮与转矩输入装置一起转动，以防止主齿轮上的转矩超过预定的转矩极限设定值。这可例如有效地保护齿轮系统免受外部负荷—例如风轮机中的阵风—变化的损害。

或者，主齿轮在转动上锁定到转矩输入装置，该主齿轮由此适于随转矩输入装置转动。在这种情况下，优选小齿轮支承结构在转动上与转矩输入装置分离，该小齿轮支承结构可至少基本位置固定，或者可以与上述类似地，执行与由转矩输入装置进行的转动运动相独立的转动运动。

在小齿轮支承装置相对于主支承结构例如风轮机机舱至少基本位置固定的情况下，所有小齿轮轴都将易于例如从封装齿轮系统的壳体外部接近。这有助于向齿轮接触部以及齿轮系统的轴承供应润滑剂。此外，这种装置使得容易维护所有小齿轮轴。由此可例如在不必将整个齿轮系统从它所安置的设备例如风轮机上取下的情况下更换小齿轮轴。这大大减少了维护费用，特别是在该设备位于不容易接近的场合例如离岸风场的情况下。

每个小齿轮轴均适于直接或间接啮合一连接到公共驱动轴(传动轴)上的齿轮，所述公共驱动轴设置成至少基本与主轴承的转动轴线同心。在本发明中，术语“间接啮合”应当解释为相关小齿轮轴和齿轮间的连接是通过一个或多个附加齿轮部件例如附加齿轮和/或附加小齿轮轴建立的。根据该实施例，经由平行转矩路径在该系统中传递的转矩最终传递到公共驱动轴。这样，该齿轮系统可以是三路行星齿轮装置(three-way epicyclic geararrangement)或形成三路行星齿轮装置的一部分。

或者，小齿轮轴可形成与两个或更多驱动轴的直接或间接转矩传递连接，所述两个或更多驱动轴布置成至少基本彼此平行并且平行于主轴承的转动轴线。根据该实施例，在系统中传递的转矩传递到两个或更多驱动轴，并由这两个或更多驱动轴分摊。这样，系统的输出转矩经由多个平行的驱动轴离开该系统。这些驱动轴每个都可例如连接到一发电机。或者，所述平行的驱动轴可连接到一附加齿轮级。

每个小齿轮轴都可直接或间接连接到一单独的驱动轴。在这种情况下，小齿轮轴的数量等于驱动轴的数量。

主齿轮可安装成能够适应在小齿轮轴之间分摊的至少基本均匀的负荷，以及/或者沿每个小齿轮轴的表面宽度至少基本均匀分布的负荷。实现该方案的一种可能途径是允许主齿轮自由寻找其径向或角向位置，直至主齿轮和小齿轮轴间的所有啮合中的力至少基本均衡。这可例如通过这样设计支承主齿轮的结构来实现，即，使得该结构在扭转方面是刚性的，但同时能在径向或角向方向上弯曲。另一种实现途径是在支承主齿轮的结构和主齿轮之间布置联接件，例如万向节。

主齿轮和小齿轮轴可形成第一齿轮级或形成第一齿轮级的一部分，该齿轮系统还包括连接到第一齿轮级的第二齿轮级。第一齿轮级和第二齿轮级之间的连接可通过齿圈建立。或者，第一齿轮级和第二齿轮级之间的连接可通过其它合适的装置，例如一个或多个适于经由外表面啮合的齿轮，建立。

或者，齿轮系统可仅包括一个齿轮级，该齿轮级直接连接到一个或多个发电机上。

在一种优选实施例中，转矩输入装置可以是一转子或者包括一转子。这样，齿轮系统优选适用于能量产生设备，例如涡轮机，也就是说，该齿轮系统优选为速度增加的齿轮系统。

根据一种实施例，主轴承、主齿轮以及主齿轮和小齿轮轴之间的啮合的至少一部分至少基本布置在相同的横向平面中。根据该实施例，主轴承包围主齿轮以及主齿轮和小齿轮轴之间的啮合的至少一部分。由此使得齿轮系统非常紧凑。此外，这种相对于主轴承的齿轮啮合的布置减少了突出负荷对齿轮接触中的负荷部分的冲击。由此，该实施例提供了非常有竞争力并且可靠的齿轮系统，该齿轮系统受环境的伤害最小。这是非常有利的。

根据本发明的第二方面，上述的以及其它的目的通过提供一种齿轮箱来实现，该齿轮箱包括根据本发明第一方面的齿轮系统。该齿轮箱可包括一个或多个如上所述的齿轮级。

根据本发明的第三方面，上述的以及其它的目的通过提供一种涡轮机来实现，该涡轮机包括由流体流驱动的转子、根据本发明第二方面的齿轮箱以及发电机。该涡轮机可仅包括一个发电机，或者该涡轮机可包括两个或更多如上所述的发电机。

该涡轮机优选是风轮机，但它也可以是水力驱动的涡轮机。

附图说明

下面将参照附图更详细地说明本发明，在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的齿轮系统的一部分的剖视图；

图2是根据本发明第二实施例的齿轮系统的一部分的剖视图；

图3是根据本发明第三实施例的齿轮系统的一部分的剖视图；

图4是根据本发明第四实施例的齿轮系统的一部分的剖视图。

具体实施方式

图1是根据本发明第一实施例的齿轮系统的一部分的剖视图。该齿轮系统1包括转动部件2，该转动部件直接由一主轴承3支承，并且适于围绕第一转动轴线4转动。转动部件2转动地联接一转子，即，该转动部件随该转子转动。齿轮系统1还包括主齿轮5，该主齿轮与转动部件2在转动上分离，即，它不随该转动部件2围绕第一转动轴线4转动。主齿轮5适于通过该主齿轮5的外表面7啮合多个小齿轮轴6。图1中仅示出一个小齿轮轴6，但应当理解，存在至少两个小齿轮轴6。

小齿轮轴6由一形式为小齿轮笼8的小齿轮支承结构支承，该小齿轮笼适于与转动部件2一起围绕第一转动轴线4转动。在图1的实施例中，小齿轮笼8形成转动部件2的一体部分。由此小齿轮轴6也随着转动部件2围绕第一转动轴线4转动。由于主齿轮5不随转动部件2转动，并且由于主齿轮5和小齿轮轴6啮合，因此每个小齿轮轴6都将围绕各自的小齿轮轴转动轴线9转动。

每个小齿轮轴6均设有一第二齿轮10，该第二齿轮随着小齿轮轴6围绕转动轴线9转动。每个第二齿轮10均适于啮合一太阳轮11。第二齿轮10的转动以及第二齿轮10和太阳轮11之间的啮合使得太阳轮11围绕第一转动轴线4进行转动运动。

很清楚，在图1所示的齿轮系统1中，主齿轮5及其与小齿轮轴6的啮合位于由主轴承3限定的周界中，主轴承3、主齿轮5及其与小齿轮轴6的啮合位于同一横向平面中。由此提供了一种非常紧凑的齿轮系统1。此外，由于主齿轮5适于经由外表面7啮合小齿轮轴6，因此与使用齿圈的情况相比，主齿轮5能被更容易且成本有效地制造。这在上面已经说明。

此外，由转子提供的转矩经由由小齿轮轴6限定的独立的平行转矩路径传播通过齿轮系统1。由此，负荷在这些平行的转矩路径之间被均分。这是有利的，因为施加到各部件上的负荷减小，并且由此部件的磨损减少。

可以使小齿轮轴6与第二齿轮10在转动上分离。这样，齿轮系统1的组装可以以下列方式进行。由于主齿轮5转动地固定，因此需要相对于主齿轮5安装小齿轮轴6，以使主齿轮5的齿与每个小齿轮轴6的齿以恰当的方式啮合。上述步骤完成后，可转动第二齿轮10以提供第二齿轮10的齿与太阳轮11的齿之间的恰当啮合。此后，在转动上锁定小齿轮轴6及其各自的第二齿轮10，以允许它们在齿轮系统1的正常运行期间一起转动。

图2是根据本发明第二实施例的齿轮系统1的一部分的剖视图。与图1的齿轮系统相似，图2的齿轮系统1包括转动部件2，该转动部件由主轴承3直接支承，并且适于随着转子围绕第一转动轴线4转动。齿轮系统1还包括主齿轮5，该主齿轮适于经由主齿轮5的外表面7啮合多个小齿轮轴6。图2中仅示出一个小齿轮轴6，但如上面参照图1所述的，应当理解，存在至少两个小齿轮轴6。小齿轮轴6由小齿轮笼8支承。

在图2所示的齿轮系统1中，主齿轮5随着转动部件2围绕第一转动轴线4转动，而小齿轮笼8在转动上与转动部件2分离。在图2的实施例中，小齿轮笼8至少基本位置固定。然而，也可设想其它布置，其中小齿轮笼8以与转动部件2的转速不同的转速转动。这已经在上面说明。

当转动部件2—以及由此主齿轮5—围绕第一转动轴线4转动时，并且由于主齿轮5与小齿轮轴6之间的啮合，每个小齿轮轴6都将围绕各自的小齿轮轴转动轴线9进行转动运动。

每个小齿轮轴6均设有第二齿轮10。当小齿轮轴6围绕相应转动轴线9转动时，相应第二齿轮10随之转动。每个第二齿轮10均适于啮合一太阳轮11。相应地，当第二齿轮10围绕各自的转动轴线9转动时，太阳轮11将被导致进行围绕第一转动轴线4的转动运动。

这样，图2的齿轮系统1与图1的齿轮系统1非常相似。然而，在本例中，主齿轮5随着转动部件2转动，而小齿轮笼8基本保持位置固定。

在图2的实施例中，也可如上所述地使小齿轮轴6与第二齿轮10在转动上分离。这样，齿轮系统1的组装可以以下列方式进行。由于小齿轮笼8转动地固定，因此必须相对于小齿轮轴6安装主齿轮5，以使主齿轮5的齿与每个小齿轮轴6的齿以恰当的方式啮合。这通过在安装主齿轮5期间使小齿轮轴6围绕它们各自的小齿轮轴转动轴线9转动。上述步骤完成后，可转动第二齿轮10以提供第二齿轮10的齿与太阳轮11的齿之间的恰当啮合。此后，在转动上锁定小齿轮轴6及其各自的第二齿轮10，以允许它们在齿轮系统1的正常运行期间一起转动。

图3是根据本发明第三实施例的齿轮系统1的一部分的剖视图。图3的齿轮系统1与图2的齿轮系统非常相似，因此不再详细说明该齿轮系统1的运行。这样，图3的齿轮系统1与图2的齿轮系统的不同之处仅在于，第二齿轮10和太阳轮11经由太阳轮11的内表面12啮合。这样，太阳轮11的形式为齿圈。

图4是根据本发明第四实施例的齿轮系统1的一部分的剖视图。图4的齿轮系统1与图1的齿轮系统非常相似，因此不再详细说明该齿轮系统1的运行。这样，图4的齿轮系统1与图1的齿轮系统的不同之处仅在于，主轴承3保持在齿轮系统1的外圈上，而齿轮系统1的内圈在运行期间转动。

图1-4中所示的齿轮系统1都适用于涡轮机，例如风轮机。该齿轮系统1可构成这种涡轮机的整个齿轮系统。或者，该齿轮系统1可形成第一齿轮级，在这种情况下，太阳轮11将形成到齿轮系统的第二齿轮级的连接。

Claims (17)

1.一种齿轮系统，包括

-主轴承，该主轴承直接支承转矩输入装置并且限定转动轴线，

-主齿轮，以及

-两个或更多小齿轮轴，每个小齿轮轴均布置成在主齿轮的外表面与主齿轮啮合，以使从主齿轮传递的转矩分到多个平行的转矩路径中，所述转矩路径的数量对应于小齿轮轴的数量，并且每个小齿轮轴均由一小齿轮支承结构支承，

其中，至少主齿轮以及该主齿轮与小齿轮轴的啮合的至少一部分位于由该主轴承限定的周界内。

2.根据权利要求1的齿轮系统，其特征在于，还包括至少两个独立的小齿轮支承结构，每个小齿轮轴由所述小齿轮支承结构中的一个支承。

3.根据权利要求1或2的齿轮系统，其特征在于，主齿轮在转动上与转矩输入装置分离。

4.根据权利要求1或2的齿轮系统，其特征在于，主齿轮在转动上锁定到转矩输入装置，该主齿轮由此适于随转矩输入装置转动。

5.根据前述权利要求之一的齿轮系统，其特征在于，每个小齿轮轴均适于直接或间接啮合一连接到公共驱动轴上的齿轮，所述公共驱动轴设置成至少基本与主轴承的转动轴线同心。

6.根据权利要求5的齿轮系统，其特征在于，该齿轮系统是一种三路行星齿轮装置，或者形成三路行星齿轮装置的一部分。

7.根据权利要求1-4之一的齿轮系统，其特征在于，小齿轮轴形成到两个或更多驱动轴的直接或间接转矩传递连接，所述两个或更多驱动轴布置成至少基本彼此平行并且平行于主轴承的转动轴线。

8.根据权利要求7的齿轮系统，其特征在于，每个小齿轮轴直接或间接连接到一单独的驱动轴。

9.根据前述权利要求之一的齿轮系统，其特征在于，主齿轮安装成能够适应沿每个小齿轮轴的表面宽度的至少基本均匀的负荷分布。

10.根据权利要求9的齿轮系统，其特征在于，主齿轮安装成能够在径向或角向方向上弯曲。

11.根据前述权利要求之一的齿轮系统，其特征在于，主齿轮和小齿轮轴形成第一齿轮级或形成第一齿轮级的一部分，该齿轮系统还包括连接到第一齿轮级的第二齿轮级。

12.根据权利要求11的齿轮系统，其特征在于，第一齿轮级和第二齿轮级之间的连接通过齿圈建立。

13.根据前述权利要求之一的齿轮系统，其特征在于，转矩输入装置是转子或者包括转子。

14.根据前述权利要求之一的齿轮系统，其特征在于，主轴承、主齿轮以及主齿轮和小齿轮轴之间的啮合的至少一部分至少基本布置在相同的横向平面中。

15.一种齿轮箱，包括根据前述权利要求之一的齿轮系统。

16.一种涡轮机，包括由流体流驱动的转子、根据权利要求15的齿轮箱以及发电机。

17.根据权利要求16的涡轮机，其特征在于，该涡轮机是风轮机。

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