CN101699065A - 风力发电机增速齿轮箱 - Google Patents

Abstract

本发明是关于对风力发电机增速齿轮箱的改进，其特征是齿轮传动有3-4级，其中未级为行星齿轮传动，前几级均为双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动。相对于现有普遍采用的以行星齿轮传动为主的增速箱，由于低速级(1-3级)采用传动效率高的双圆弧圆柱人字螺旋齿轮，后续级采用行星传动的组合模式，从而组合了双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，与行星齿轮传动各有优点，有效一次寿命长，传动效率高，体积小，首创了双圆弧圆柱人字螺旋齿轮用于风力发电增速齿轮箱。

Description

风力发电机增速齿轮箱

技术领域

本发明是关于对风力发电机增速齿轮箱的改进，尤其涉及一种有效寿命长，传动效率更高，体积小重量轻的风力发电机增速齿轮箱。

背景技术

风力发电机增速齿轮箱，主要是将桨叶产生的低速大扭矩，通过齿轮增速传递给发电机，通过提高发电机转速，减小发电机体积。风力发电增速齿轮箱，设置在60-90米空中，而且又为持久连续运行，要求寿命要长，尽可能与风机整体寿命相匹配；其次，传动效率要高，以减少有用功率损耗，降低发热量，降低冷却系统要求，使得润滑油温升能通过自然风冷却，提高齿轮箱的可靠性；再就是，结构重量要轻，体积小，便于高空安装调试。因行星齿轮传动，具有功率分流，承载能力大，传递功率范围和转动比范围大，体积小，质量轻，效率相对较高等特点，因此能够适应大功率兆瓦级风力发电，成为唯一基本采用以行星齿轮增速为主的传动模式，常用有三级行星传动，二级行星与一级平行轴组合传动。例如：

中国专利CN201129405、CN201126005、CN201228760均采用行星齿轮传动；中国专利CN201129406风力发电机的增速齿轮箱，采用二级行星齿轮加一级平行轴齿轮传动。中国专利CN201071904差动式行星齿轮箱，采用三级行星齿轮传动，加一级平行轴齿轮传动。中国专利CN1888471风力发电装置的齿轮箱，采用一级复合行星齿轮加两级平行轴齿轮传动。中国专利CN201166093、CN201166092、CN201170290风力发电机增速齿轮箱，采用一级行星齿轮，二级平行轴传动，并将大齿轮、大过渡齿轮和过渡齿轮轴上的小过渡齿轮以及输出齿轮轴上的小齿轮均为人字齿轮，以消除轴向力。

然而以行星齿轮为主的增速传动尚存在不足，例如风力发电设计寿命要求达20-25年，而行星齿轮传动，由于齿轮的磨损，行星齿轮箱寿命大都只有12年左右，对炼钢部门使用行星齿轮变速箱的调查也得到证明，这就需要在风机使用期内更换一台变速箱。大功率兆瓦级风力发电机用变速箱重达20吨左右，在高达60-90米空中更换变速箱，并非一件易事，很是麻烦。其次，传动效率仍不是最高，一级行星齿轮效率为0.97-0.99，按平均值0.98计算，如果采用三级行星齿轮传动，总效率只有0.983＝0.9412，即有6％左右的能量在齿轮传递中以产生热量形式被损耗了，以2000千瓦为例约有120千瓦转换为热量，使齿轮箱内润滑油温升增高。如此大功率热量，自然冷却显然不能满足降温要求，不得不外加冷却系统，例如强制风冷却或水冷热交换，不仅增加制造成本，而且还降低了齿轮箱的整体可靠性。再就是，现有行星齿轮传动，基本都为单连传动，而第一、二级转速低扭矩大，要求齿轮的模数就大，这样也造成增速齿轮箱体积和重量相对较大。因此现有兆瓦级风力发电机增速齿轮箱，有效寿命与风力发电装备不匹配，维修、更换难度大；效率低(一般不超过0.95)、润滑油温升大，需另加冷却降温措施；体积重量大，安装难度大，是目前主要存在问题。上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种有效寿命更长，传动效率更高，体积小重量更轻的风力发电机增速齿轮箱。

本发明目的实现，主要改进是低速级(1-3级)采用双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，未级仍采用行星齿轮传动，组成双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，与行星齿轮传动组合增速传动模式，其中双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动级数，多于行星齿轮传动级数，从而克服上述现有技术的不足，实现本发明目的，替代现有以行星齿轮传动为主的增速传动模式。具体说，本发明风力发电机增速齿轮箱，包括箱体和内置逐级增速齿轮传动，其特征在于齿轮传动有3-4级，其中未级为行星齿轮传动，前几级均为双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动。

本发明所说双圆弧圆柱人字螺旋齿轮，是指相互啮合转动齿轮为双圆弧圆柱齿形的人字齿轮，且双圆弧齿轮齿形在圆柱上呈螺旋形。

齿轮箱转动结构，根据风力发电机大小，传动结构可以为3至4级，功率大风轮转速低，要求传动比大，级数相对要多；功率小风轮转速高，要求传动比小，级数相对要少。例如2兆瓦风力发电机，要求总转动比为75左右，用3级增速传动就可以了；而对于3兆瓦以上，要求总转动比100多，可能需要4级增速传动。

此外，为减小前几级齿轮模数，从而进一步缩小增速齿轮箱体积，减轻重量，一种更好为在传动路线上，第一级采用一分为二，即第一级由一个大齿轮同时带动分设在二个不同轴上的二个同齿数小齿轮；第二级采用合而为一，即与该二个不同轴小齿轮同轴的二个同齿数大齿轮共同啮合带动一个小齿轮。通过低速功率分流，可使齿轮的模数减小很多，从而使齿轮传动结构更紧奏，体积更小，重量减轻，并可降低变速箱成本。

考虑到行星齿轮寿命难以达到双圆弧圆柱人字螺旋齿轮寿命，一种较好为将行星齿轮传动箱与前级传动齿轮箱分开结构，即将行星齿轮传动放于另一单独的齿轮箱，这样便于对行星齿轮零件的单独更换。此外，通过不同热处理工艺，使行星齿轮表面硬度不一致，使磨损集中在行星轮上，内齿轮和太阳轮的磨损减慢，这样可以通过方便更换行星轮，降低维修更换难度，以及延长增速箱整体使用寿命。

此外，为节省材料，节省加工，本发明一种较好为将桨叶大轴和增速齿轮箱输入轴合二为一结构。以及配合申请人在先相关专利申请(例如200810023155.1)，采用板式桨毂，将桨毂轴套和轮箱输入轴组合，不仅可减少连接环节，提高结构可靠性，而且还简化了吊装安装，可以在安装好增速箱后，一个叶片一个叶片单独吊装，可改变以前要把几十吨桨毂加上三个重十几吨的叶片组合后吊装，并在空中与大轴法兰对接的安装模式，有效解决了风机安装难题，可以大幅度降低安装成本。

本发明风力发电机增速齿轮箱，较现有普遍采用的以行星齿轮传动为主的增速箱，由于低速级(1-3级)采用理论寿命长，传动效率高的双圆弧圆柱人字螺旋齿轮，未级采用适合高传动比的行星传动的组合增速传动模式，组合了双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，与行星齿轮传动各自优点，并能以较少的传动级数达到所需增速，首创了双圆弧圆柱人字螺旋齿轮用于风力发电增速齿轮箱。

双圆弧圆柱人字螺旋齿轮，跑合性能非常好，一旦跑合在齿轮啮合面形成一层油膜，以后就很少磨损，尤其是在低速运行状态，因此理论上可以有极长的使用寿命；加上人字齿形结构，左右二排齿对称，使人字两侧产生的轴向分力相互抵消，不产生轴向力；齿形在圆柱面上呈螺旋形，齿轮间密合度大大提高，提高了传动平稳性和承载能力，完全可以满足风力发电设计20-25年使用寿命要求。其次，双圆弧圆柱人字螺旋齿轮，传动效率高，单级传动效率可达0.99-0.995，以平均0.9925计算，行星齿轮仍按0.98计算，如果采用二级双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，一级行星齿轮传动，三级总效率0.99252*0.98＝0.9654。可较三级行星齿轮传动，提高有效功率传递2.42％，同样功率为2000千瓦风力发电机，只有约69.2千瓦能量使增速箱润滑油发热，减少了50.8千瓦功率转换成热量，产生热量只有原来三级行星齿轮传动57.7％，并且由于产生热量小，可大大减化增速齿轮箱冷却，润滑油温升问题可以由自然风冷来解决，不需要再增加其他冷却设施，不仅降低了成本，而且提高了整机运行可靠性。再就是，双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动副，齿间为线接触，承载能力非常高，远高于其他齿轮传动，承载能力较渐开线齿轮至少可以提高60-80％，可以大大降低齿轮模数，使得结构非常紧凑，体积减小、重量减轻；尤其是采用一分为二和合二为一平行轴双连传动结构，可进一步减小齿轮模数，更是缩小了体积和重量，降低制造成本，也方便了空中安装。

后续高速级仍然采用适合于高速运行的行星齿轮传动，相对于低转速运转，其传动扭矩减少很多，也可使行星齿轮的齿轮传动做的精小，也有利于整体体积的下降。并且齿轮减小，可用较好的材料和更合理的热处理手段，从而也有利于提高此级齿轮的寿命。再加上，通过不同热处理工艺，使磨损集中在行星轮上，从而使内齿轮和太阳轮的磨损减慢，这样可以通过方便更换行星轮，降低维修更换难度和成本，以及延长增速箱整体使用寿命。将行星齿轮传动单独设立于与双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，分开的一个齿轮箱内，更是方便了零件的更换。

有效一次寿命长，传动效率高，体积小，重量轻，为本发明风力发电机增速齿轮箱，区别于现有技术增速齿轮箱的最大特征。

将风机大轴和增速齿轮箱输入轴合二为一结构，还可以节省材料，节省加工。配合申请人在先相关专利申请，采用板式桨毂，将桨毂轴套在地面组装在增速箱输入轴上，桨毂轴套和增速箱合在一起重量不足30吨，既减少了连接环节，提高了结构可靠性，还简便了吊装工作，可以在安装好增速箱后，一个叶片一个叶片(重量5-6吨)吊装。改变了以前要把几十吨桨毂加三个重十几吨的叶片组合后(合计重量高达50多吨)吊装，并在空中与大轴法兰对接的安装模式，大大方便了风机安装，可降低安装成本和难度。

以下结合二个优化具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和/或改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

附图说明

附图为本发明一种优化的三级传动增速齿轮结构示意图，其中：

图1为图2中A-A剖面结构示意图。

图2为图1中B-B剖面结构示意图。

图3为图1中C-C剖面结构示意图。

图4为立体结构示意图。

具体实施方式

实施例1：参见附图，以用于2兆瓦及以下风力发电三级增速为例，本发明风力发电机增速齿轮箱，有前后二个相隔箱体12、11组成，前箱体12内置二级双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，后箱体11内置一级行星传动。输入主轴2(桨叶转轴)箱体外侧同轴连接有板式桨毂轴套1(桨叶大轴与增速齿轮输入轴合二为一)，箱体内侧上设置固定有一个大双圆弧圆柱人字螺旋齿轮3，齿轮3左右啮合二个设置在中间轴上的小双圆弧圆柱人字螺旋齿轮4.1和4.2，各中间轴上同轴各设置固定有大双圆弧圆柱人字螺旋齿轮5.1和5.2，齿轮5.1和5.2中间同时啮合一个小双圆弧圆柱人字螺旋齿轮6，组成第一、二级双连平行轴传动，四根轴(中间轴二根)呈菱形分布。齿轮6输出轴延长通向后级分隔的行星齿轮箱11，并与行星齿轮箱中的行星架8相连，行星架上设置有三个行星轮9，外与内齿轮7啮合，内与太阳轮10啮合，太阳轮10轴为输出轴，带动后面发电机。三级增速中，第一、二级的双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动比为3左右，未级行星齿轮传动比为8左右，将桨叶主轴2的20转/分左右，增速到约1500转/分，带动发电机转动。

实施例2：如实施例1，用于5兆瓦风力发电机增速齿轮箱，共4级传动，其中前三级为双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，设置于一个齿轮箱内，未级为行星齿轮传动，设置于另一分开的齿轮箱内。前三级大致各级传动比为3左右，将来自桨叶13转/分，增速至1500转/分，传动比为115。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，例如双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，也可以采用单连传动，即只有一根中间轴，各级设计传动比的变化，等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现与上述实施例基本相同功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

Claims (7)

1.风力发电机增速齿轮箱，包括箱体和内置逐级增速齿轮传动，其特征在于齿轮传动有3-4级，其中未级为行星齿轮传动，前几级均为双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动。

2.根据权利要求1所述风力发电机增速齿轮箱，其特征在于双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动，第一级由一个大齿轮同时带动分设在二个不同轴上的二个同齿数小齿轮；第二级为与各小齿轮同轴上的二个同齿数大齿轮共同啮合带动一个小齿轮。

3.根据权利要求1所述风力发电机增速齿轮箱，其特征在于行星齿轮传动，行星轮磨损高于内齿轮和太阳轮磨损。

4.根据权利要求1所述风力发电机增速齿轮箱，其特征在于双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动比为3左右。

5.根据权利要求1、2、3或4所述风力发电机增速齿轮箱，其特征在于双圆弧圆柱人字螺旋齿轮传动与行星齿轮传动分置于二个箱体内。

6.根据权利要求5所述风力发电机增速齿轮箱，其特征在于桨叶大轴和增速齿轮箱输入轴合二为一。

7.根据权利要求6所述风力发电机增速齿轮箱，其特征在于桨毂轴套和轮箱输入轴组合一体。

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