CN101636580B - 动力分布风力蜗轮传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力分布风力蜗轮传动装置，所述装置用于将转子轮毂(1)产生的扭矩传输到与前者相比速度增加的输出副齿轮(12)以驱动发电机，其中设有至少两个行星轮级(10a，10b)以在传动装置的内部增加动力分布的速度，其中，进一步将转子轮毂(1)与设置在传动装置输入侧的连接环元件(2)耦合，所述连接环元件通过大滚子轴承(5)相对于固定的传动装置壳体(3)被可旋转地支撑，所述连接环元件(2)将力流通过形成于其上的万向节型解耦装置以动力分布的方式传输到并行连接的行星轮级(10a，10b)的相互连接的空心齿轮(6a，6b)。

Description

动力分布风力蜗轮传动装置
技术领域
本发明涉及一种动力分布风力蜗轮传动装置，所述装置用于将转子轮毂产生的扭矩传输到与前者相比以相对较高速度旋转的动力输出轴以驱动发电机，其中设有至少两个并行连接的行星轮级，用于在传输装置中进行动力分布传输。
背景技术
在这里感兴趣的风力涡轮发电机系统中，在将风能转换为旋转运动的转子和将旋转运动转换为电能的发电机之间的能量流中，设有增速的传动装置(transmission)。由于风力涡轮发电机系统的模块通常设置在塔顶的吊篮(nacelle)中，因此希望其传动装置尽可能紧凑并且具有尽可能低的质量。然而该要求是矛盾的，由于趋向更大的具有更大功率的风力涡轮发电机系统的趋势，除其他装置之外，这需要更有力的传动装置。为了限制其质量，动力分布(power distributed)风力涡轮传动装置最近已经应用。
EP1 240 443 A1披露了通常的动力分布风力涡轮传动装置。它基本包括位于输入侧的对称构造的行星轮传动装置，所述行星轮传动装置包括两个相等尺寸、并行连接的动力分布行星轮级。为了合并由输出侧的行星轮级所分布的力矩流，在下游连有负载补偿差动传输级，可以以差动行星轮传动装置的形式形成主动式差动装置或被动式差动装置。作为选择，主动差动式装置可以是差动直齿圆柱齿轮对，所述直齿圆柱齿轮对在轴向被柔性支撑并且具有相对的斜齿(helical toothing)。
在所有实施方式中，通常的驱动轴设在动力分布风力涡轮传动装置的输入侧，风力涡轮发电机系统的转子可以直接与所述驱动轴连接，或者可以通过轴-轮毂连接与间隔覆盖的(distance-covering)转子轴连接。在传动装置的内侧，驱动轴连接到并行连接的行星轮级的公共的行星齿轮架上。然而，将该结构限定到作为传动装置输入侧驱动轴的通常的轴上会导致下列问题，如果所述转子直接连接到风力蜗轮传动装置，尺寸相对巨大的转子的轮毂必须连接到小尺寸的驱动轴上。从转子轮毂流出的能量流会从所述驱动轴的外部引导到轴上。然而，风力涡轮发电机系统的转子不仅产生纯扭矩。由于其自身的重力以及由于转子叶片上由风或类似物引起的力和力矩变化，特别地，驱动轴被受到干扰弯矩和横向力。除了在驱动轴上的极大承受负载，它们还可以导致对传动装置中齿啮合的干扰并且因此对齿轮更高的磨损。
WO 02/14690披露了试图解决上述问题的技术方法，所述方法将具有给定大直径的转子轮毂直接设置在传动装置输入侧的行星轮级的行星齿轮架上，无需通常的驱动轴，其中行星齿轮架向外部径向扩大到相应的尺寸。径向超过位于输入侧的行星轮级的空心齿轮的直径的行星齿轮架建立了到大滚子轴承的连接，通过所述连接所述转子支撑在固定传动装置壳体或另一个支撑结构上。本设计获得了下列优势：干扰负载力，例如弯矩和横向力，通过转子轮毂被直接馈送大滚子轴承，并且通过这些装置送入固定支撑结构，而其带有的扭矩被从转子轮毂送入行星齿轮架并且从行星齿轮架进入第一行星轮级。因此驱动所述行星齿轮架，同时空心齿轮以不可旋转的方式与支撑结构连接。行星轮级的输出端是太阳齿轮。由于该设计选择两个行星轮级串联，因此在两级行星轮中没有动力分布，但是每个单独的行星轮级的尺寸要适于所述转子的整个功率。这与空心齿轮的直径减小是矛盾的，并且因此间接与所述传动装置的外径矛盾，因为在偶联的行星轮传动装置的输入端上有利地发生动力分布的原理没有应用。
在该技术方法中，由于其结构，由于将功率馈送到大直径上，干扰弯矩和横向力被减弱，然而，干扰弯矩和横向力没有完全消除从而位于能量流中的部件的干扰变形还是会经由行星齿轮架影响行星齿轮和空心齿轮和太阳齿轮之间的齿。
发明内容
本发明的目的是创造最初描述的动力分布的风力蜗轮传动装置，所述装置适于直接连接到转子并且具有最小化的结构尺寸。
所述目的根据权利要求1的前序部分和其特征部分的动力分布风力蜗轮传动装置来实现。
后续从属权利要求限定本发明的优选实施方式。
本发明包括了一种技术，所述技术教导了通过传动装置的输入侧的连接环元件实现转子轮毂的连接，所述连接环元件通过大滚子轴承可旋转地支撑在固定的传输装置壳体上，通过将大滚子轴承的内座圈(innerrace)设在连接环元件上、同时大滚子轴承的外座圈(outer race)设在固定的传动装置壳体上来设置大滚子轴承。
根据本发明的方法的优势在于耐磨的风力蜗轮发电机系统可以利用直接连接到风力蜗轮传动装置的转子来实现以获得更高等级的功率输出。这种利用转子轮毂直径尺寸的整体大滚子轴承设计原理允许紧凑的设计。
而且，从功能集成的角度，连接环元件，除了其有关支撑转子的功能，还能够将由转子轮毂产生的扭矩分散到并行连接的行星轮级的相互连接的空心齿轮，这启动了动力分布。
根据本发明的改进的实施方式，在连接环元件上的至少一个空心齿轮的连接通过柔性连接装置实现以补偿由于传动装置上来自转子侧的压力引起的弯曲和位移。通过这些传动装置输入侧的特定连接装置，干扰外力和力矩与将要传输的扭矩分离并且被传送到传动装置壳体。
优选地，柔性连接装置形成为万向节型解耦单元。优选地通过利用双万向节(double-cardan)连接将并行连接的行星轮级的两个空心齿轮连接起来，大滚子轴承上由于干扰外力和力矩的滚子轴承变形不会达到两个行星轮级之间的齿，因此可以以最小的磨损以及最佳的齿啮合传输有效的驱动扭矩。
万向节型解耦单元可以通过连接环元件的内齿和相应的空心齿轮的齿形成，其中这些齿以斜齿耦合的形式配合。斜齿耦合承受由于传动装置上来自转子侧的压力引起的弯曲和位移。由此产生的空心齿轮的双万向节连接设计为仅将要传送的扭矩传输到传动装置的输入侧上。然而，可以设想，通过其他结构元件，例如柔性盘状元件或弹性衬套弹簧(resilient sleeve spring)和类似物实现万向节型解耦单元的效果。
为了确保有利的力流(force flow)，转子轮毂的外径应该近似地对应于连接环元件的外径。在这种情况下，两个元件之间的接口还可以以法兰连接的形式形成，以便所述转子可以通过转子轮毂螺接到形成传动装置输入轴的连接环元件。
优选地，大滚子轴承形成为力矩轴承(moment bearing)：双圆锥滚子轴承特别适用于该目的。替代单个的大滚子轴承，当然还可以设想，设置多个串联的单独轴承。在单个大滚子轴承的情况下，轴承的内座圈优选地设置为附着至连接环元件。为了实现该方案，大滚子轴承通过所述内座圈移到所述连接元件上。大滚子轴承的外座圈附着至固定传动装置壳体。固定传动装置壳体上外座圈的附着优选地利用法兰类型螺钉连接，以便大滚子轴承如有必要可以简单地替换。利用这种具有旋转的内座圈和固定的外座圈的选择的连接方式，大滚子轴承中上升的圆周负载被施加到内座圈的整个材料体积，而不仅是内座圈的局部，这与最初提到的技术状态相反，因为通常地固定的内座圈具有施加于其上的点负载(punctual load)。
根据本发明，出于动力分布的目的，通过驱动两个行星轮级的两个空心齿轮，传动装置输入侧上的扭矩流经由至少两个，优选为正好两个行星轮级被引导，其中，通过输出侧行星轮级的太阳齿轮轴，两个行星轮级与输入侧行星轮级的行星齿轮架耦合。一个行星轮级的行星齿轮架由另一个行星轮级的太阳齿轮驱动。然而，第二行星轮级的行星齿轮架是固定的。为了使得设置在第二行星轮级输出侧的太阳齿轮能向第一行星轮级的行星齿轮架传输扭矩，建议后者形成空心轴，其中太阳齿轮轴从第一行星轮级的太阳齿轮延伸并且延伸穿过空心轴。因此总体上实现紧凑的结构。
为了实现尽可能紧凑的结构尺寸，建议在由连接元件产生的环形空间内设置一级行星轮级的空心齿轮，而另一级行星轮级的空心齿轮设置在大滚子轴承的轴向的下游。
根据对本发明的改进的一种实施方式，设有中心太阳齿轮轴，所述中心太阳齿轮轴具有连接在输出侧的直齿圆柱齿轮级，所述直齿圆柱齿轮级是进一步的增速级(step-up stage)。发电机连接到输出副齿轮，该副齿轮的轴偏离中心太阳齿轮的轴。
附图说明
改善本发明的进一步实施方式将在优选示例性实施方式的说明中结合附图详细描述。图1和图2表示动力分布风力蜗轮传动装置的部件示意图。
具体实施方式
根据图1，转子(未具体示出)的转子轮毂1安装在传动装置输入侧的连接环元件2上。转子轮毂1的外径近似地对应于连接环元件2的外径，依次地，连接环元件2的外径近似地对应于容纳传动部件的传动装置壳体3的外径或外部尺寸。传动装置壳体3与风力蜗轮发电机系统的塔顶吊篮的支撑结构(未具体示出)固定地连接。
传动装置输入侧的连接环元件2经由大滚子轴承5利用所述大滚子轴承的外座圈可旋转地支撑在固定传动装置壳体3上。相对地，大滚子轴承5的内座圈容纳所述连接环元件2。
大滚子轴承5实现力矩轴承的功能，其中输入侧扭矩经由这里应用的连接环元件2被分别传输到两个并行连接的动力分布行星轮级10a和10b的空心齿轮6a和6b。除了第一行星轮级10a的空心齿轮6a，第一行星轮级10a的行星齿轮架也被通过第二行星轮级10b驱动，从而输出侧太阳齿轮8a传送力流。该传输经过中心太阳齿轮轴9，所述中心太阳齿轮轴从太阳齿轮8a延伸。
第一行星轮级10a的行星齿轮架7a上的行星齿轮14a通过第二行星轮级10b的输出侧内齿轮8b驱动。在第二行星轮级10b的环境中，包括行星齿轮14b的行星齿轮架7b固定设置在壳体3中。第二行星轮级10b的太阳齿轮8b形成为空心轴，以便太阳齿轮轴9能够同轴地穿过其中。
中心太阳齿轮轴9具有连接到其下游的输出侧直齿圆柱齿轮级10c。直齿圆柱齿轮级10c包括固定连接到太阳齿轮轴9的输出齿轮11，所述输出齿轮与输出副齿轮12啮合，所述输出副齿轮的轴相对于太阳齿轮轴9偏离。输出副齿轮12位于用于产生交流电流的发电机(未具体示出)的输入侧上。
为了消除由转子或类似物引起的弯矩对上述传动部件的影响，在连接环元件2与由其驱动的并行连接的行星轮级10a和10b的两个空心齿轮6a和6b之间设有万向节型解耦装置。
根据图2，万向节型解耦装置以斜齿轮配合15a、15b的方式形成。出于这个目的，连接环元件2具有轴向彼此间隔的两个内齿轮13a和13b，所述内齿轮与空心齿轮6a和6b相应的外齿分别啮合。这里的齿形对应于公知的斜齿配合。由于来自转子侧的作用在传动装置上的压力产生的弯曲和位移被补偿。除此之外，本实施方式对应于上述实施方式。
本发明不限于上述优选示例性实施方式。还可以设想由所附权利要求书保护范围包含的变化。例如，还可以形成以另一种方式中和来自转子侧压力的万向节型解耦装置，比如通过盘状元件或类似物。进一步地，还可以利用不同的传动元件的适当连、接通过并行连接的行星轮级实现动力分布。还应该注意，如果必要，下游直齿圆柱齿轮也可以省略。
附图标记列表：
1转子轮毂
2连接环元件
3传动装置壳体
4支撑结构
5大滚子轴承
6空心齿轮
7行星齿轮架
8太阳齿轮
9太阳齿轮轴
10a第一行星轮级
10b第二行星轮级
10c直齿圆柱齿轮级
11输出齿轮
12输出副齿轮
13内齿
14行星齿轮
15斜齿啮合副

Claims (15)

1.一种动力分布风力蜗轮传动装置，所述装置用于将转子轮毂(1)产生的扭矩传输到与所述转子轮毂相比速度增加的输出副齿轮(12)以驱动发电机，其中设有至少两个行星轮级(10a，10b)以在传动装置的内部增加动力分布的速度，
其特征在于，为连接转子轮毂(1)，在传动装置输入侧设有连接环元件(2)，所述连接环元件通过大滚子轴承(5)相对于固定的传动装置壳体(3)被可旋转地支撑，将所述大滚子轴承(5)的内座圈安装在连接环元件(2)上，而所述大滚子轴承(5)的外座圈安装在固定的传动装置壳体(3)上；
所述至少两个行星轮级(10a，10b)包括第一行星轮级(10a)和第二行星轮级(10b)；
一中心太阳齿轮轴(9)从第一行星轮级(10a)的太阳齿轮(8a)延伸，同轴地穿过第二行星轮级(10b)的形成为空心轴的太阳齿轮(8b)；
所述大滚子轴承(5)实现力矩轴承的功能，其中输入侧扭矩经由连接环元件(2)被分别传输到并行连接的第一行星轮级(10a)和第二行星轮级(10b)的空心齿轮，除了第一行星轮级(10a)的空心齿轮，第一行星轮级(10a)的行星齿轮架也被通过第二行星轮级(10b)驱动，从而输出侧太阳齿轮(8a)传送力流，该传送经过中心太阳齿轮轴(9)，所述中心太阳齿轮轴(9)从所述输出侧太阳齿轮(8a)延伸。
2.根据权利要求1所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，所述连接环元件(2)将由转子轮毂(1)产生的扭矩分散到并行连接的所述至少两个行星轮级(10a，10b)的相互连接的空心齿轮(6a，6b)。
3.根据权利要求2所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，至少一个所述空心齿轮(6a，6b)在所述连接环元件(2)上的连接通过柔性连接装置补偿由于来自转子侧的对传动装置的压力产生的弯曲和位移。
4.根据权利要求3所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，所述柔性连接装置以万向节型解耦单元的方式形成。
5.根据权利要求4所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，所述万向节型解耦单元通过连接环元件(2)上至少一个内齿(13a，13b)与空心齿轮(6a，6b)上的相应外齿之间的斜齿配合(15a，15b)的形式啮合形成。
6.根据权利要求1所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，转子轮毂(1)的外径对应于所述连接环元件(2)的外径。
7.根据权利要求1所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，所述连接环元件(2)能够通过法兰连接螺接至转子轮毂。
8.根据权利要求1所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，所述大滚子轴承(5)以力矩轴承的形式形成。
9.根据权利要求5所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，形成为力矩轴承的大滚子轴承(5)是双圆锥滚子轴承。
10.根据权利要求1所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，行星齿轮架(7a)除了驱动第一行星轮级(10a)的空心齿轮(6a)，还将力流传输到输出侧太阳齿轮(8a)。
11.根据权利要求10所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，第一行星轮级(10a)的输出侧太阳齿轮(8a)将能量流传输到中心太阳齿轮轴(9)，所述中心太阳齿轮轴向传动装置壳体(3)的输出侧延伸。
12.根据权利要求1所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，第二行星轮级(10b)的行星齿轮架(7b)固定地设置，其中输出侧太阳齿轮(8b)驱动第一行星轮级(10a)的行星齿轮架(7a)。
13.根据权利要求12所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，第二行星轮级(10b)的太阳齿轮(8b)形成为空心轴，所述空心轴相对于第一行星轮级(10a)的太阳齿轮轴(9)同轴设置，并延伸穿过所述太阳齿轮轴。
14.根据权利要求11所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，中心太阳齿轮轴(9)具有连接到其下游的输出侧直齿圆柱齿轮(10c)，并具有用于驱动发电机的输出副齿轮(12)，所述输出副齿轮的轴相对于中心太阳齿轮轴(9)偏离。
15.根据前述任意一项权利要求所述的动力分布风力蜗轮传动装置，其特征在于，一个空心齿轮(6a)至少主要设置在由连接环元件(2)形成的环形空间中，而另外的空心齿轮(6b)位于大滚子轴承(5)的轴向的下游。
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