CN101725462B - 用于风力涡轮机应用的转矩分流式复合行星传动系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机应用的转矩分流式复合行星传动系，具体而言，一种复合行星齿轮传动单元(100)包括具有轴向地交错的行星齿轮(112)，(113)的第二级。

Description

用于风力涡轮机应用的转矩分流式复合行星传动系
技术领域
本发明一般地涉及风力涡轮机，且更具体地涉及置于风力涡轮机的转子和发电机之间的复合行星齿轮传动单元。
背景技术
图1中示出的风力涡轮机10包括由外罩14容纳在内并支撑的周转齿轮传动单元12，在外罩14中齿轮传动单元12起作用以将来自转子叶片16和转子轮毂18的转矩传递给发电机20。
使用行星齿轮箱来响应于风力涡轮机的转子16，18的旋转而驱动发电机20是众所周知的。转子向齿轮传动单元12提供低速度、高转矩输入。
市场力量总是需要具有较低成本下的更高输出以及更大的可靠性的风力涡轮机。随着对风力涡轮机的功率输出要求升高，由于噪声要求，转子叶片16的转速通常会下降。因此，到齿轮传动单元12的输入转矩以非线性的方式增加。前述限制导致了更加笨重且更加昂贵的齿轮传动单元。此外，风力涡轮机塔架22的质量需要增加，并适应由于更沉重的齿轮传动单元所导致的增加的顶部质量，这更进一步地增加了整体风力涡轮机系统的质量和成本。
前述高转矩、低输入RPM的问题通常通过常规装置解决，该常规装置可包括多次具有多个级的包括高速偏置齿轮的行星装置。还采用了使用三个行星齿轮的常规复合行星结构，而一种解决方案则包括具有柔性销的七个行星齿轮和双行星系统，其中输入轴驱动第一级行星齿轮以及第二级的齿圈。包括五个行星齿轮和柔性销的第二级的太阳齿轮驱动第一级的齿圈。第一级的太阳齿轮直接连接到驱动输出高速齿轮的大的第三级齿轮上。
考虑到前述原因，将会既有利又有益的是提供一种齿轮传动单元，该齿轮传动单元具有足以实质性地降低风力涡轮机的外罩重量和塔架重量的扭矩密度，而该扭矩密度用现有的风力涡轮机齿轮传动单元是无法达到的。
发明内容
本发明提供一种风力涡轮机齿轮箱，包括：
第一级，其包括接合静止的齿圈的多个行星齿轮，各第一级行星齿轮构造成响应于风力涡轮机转子的旋转围绕对应的销的轴线旋转；以及
第二级，包括：
构造成绕中心轴线旋转的第一组多个行星齿轮，第一组多个第二级行星齿轮内的各个行星齿轮接合与第一级行星齿轮相关联的对应的销，以及
构造成绕所述中心轴线旋转的第二组多个行星齿轮，第二组多个第二级行星齿轮内的各个行星齿轮接合与第一级行星齿轮相关联的对应的销，使得各第一级行星齿轮销驱动单个的第二级行星齿轮，
其中所述第一组多个第二级行星齿轮从所述第二组多个第二级行星齿轮轴向地错开；
其中所述风力涡轮机齿轮箱还包括：
第一太阳齿轮，其能够围绕所述中心轴线旋转，并接合所述第一组多个第二级行星齿轮；
第二太阳齿轮，其能够围绕所述中心轴线与所述第一太阳齿轮成同轴关系旋转，并接合所述第二组多个第二级行星齿轮；以及
转矩传递机构，其构造成从所述第一太阳齿轮和所述第二太阳齿轮二者将转矩传递给发电机；
所述转矩传递机构包括双螺旋形联接机构，所述双螺旋形联接机构构造成均衡由所述第一太阳齿轮和所述第二太阳齿轮传递给所述发电机的转矩差异；其中所述第一太阳齿轮和所述第二太阳齿轮包括与对应的一组第二级行星齿轮啮合的一组对应的外齿，并且还包括一组对应的内齿，其中所述第一太阳齿轮的内齿与第一组斜联接齿轮啮合，其中所述第二太阳齿轮的内齿与第二组斜联接齿轮啮合；以及
所述双螺旋形联接机构通过轴向弹簧或柔性机构使该双螺旋形机构稳定同时提供移动特征，以适应第一太阳齿轮和第二太阳齿轮之间可能存在的定时差异。
附图说明
当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些以及其它特征、方面和优势将变得更好理解，其中贯穿所有附图相似的符号代表相似的部件，其中：
图1示出了包括行星齿轮驱动器的风力涡轮机；
图2示出了根据本发明的一个实施侧的转矩分流式(split torque)复合行星齿轮驱动器；
图3示出了根据本发明的一个实施例的图2中描绘的行星齿轮架的更多细节；
图4示出了根据本发明的一个实施例的图2中描绘的齿圈的更多细节；
图5示出了根据本发明的一个实施侧的图2中描绘的第二行星齿轮的更多细节；
图6示出了根据本发明的另一个实施例的转矩分流式复合行星齿轮驱动器；
图7示出了根据本发明的再一个实施例的转矩分流式复合行星齿轮驱动器；
图8示出了根据本发明的一个实施例的图7中描绘的内部斜齿轮太阳齿轮的更多细节；以及
图9示出了根据本发明的另一个实施例的图7中描绘的双螺旋形联接机构的更多细节。
如讨论中所指出的，尽管以上标明的附图展示了备选实施例，但也考虑了本发明的其它实施例。在任何情况下，本公开均以描述而非限制的方式呈现本发明的图示实施例。本领域技术人员可以设想落入本发明原理的精神和范围之内的多种其它更改和实施例。
部件列表
10    风力涡轮机
12    周转齿轮传动单元
14    外罩
16    转子叶片
18    转子轮毂
20    发电机
22    风力涡轮机塔架
100   转矩分流式复合行星齿轮驱动器
102   固定的齿圈
104   齿圈行星齿轮
106   旋转行星架
108   输入轴
110   齿轮轴(销)
112   第二级行星齿轮
113   第二级行星齿轮
114   太阳齿轮
116   太阳齿轮
118   输出轴
120   转矩差动机构
122   中心轴线
200   转矩分流式复合行星齿轮驱动器
300   转矩分流式复合行星齿轮驱动器
302   双斜齿轮联接器
304   太阳齿轮
306   太阳齿轮
308   太阳齿轮304的外齿
310   太阳齿轮306的外齿
312   太阳齿轮304的内齿
314   太阳齿轮306的内齿
316   联接齿轮组
318   联接齿轮组
具体实施方式
图2示出了根据本发明的一个实施例的转矩分流式行星齿轮驱动器100，而图3示出了根据本发明的一个实施例的图1中描绘的行星架106的更多细节。该齿轮驱动器100包括与多于三个行星齿轮104啮合的固定的齿圈102，以及旋转行星架106。包括多个行星齿轮104的第一级由输入轴108驱动。第一级通过共用齿轮轴(销)110驱动第二级。第二级行星齿轮112，113又由于输出轴118而与一个或多个太阳齿轮114，116啮合。
更具体地，且继续参看图2和图3，该转矩分流式复合行星齿轮驱动器100包括静止的齿圈102。包括至少一个架臂的行星架106构造成响应于施加到行星架106上的输入转矩而围绕齿圈102的中心轴线122旋转。
第一级包括多个行星齿轮104。各第一级行星齿轮104构造成响应于至少一个行星架臂的运动而围绕对应的销110的轴线旋转。各第一级行星齿轮104还构造成接合静止的齿圈102。
第二级包括构造成围绕第一轴线旋转的第一组多个行星齿轮112。该第一组多个第二级行星齿轮112内的各行星齿轮112接合与第一级行星齿轮104相关联的对应的销110。第二组多个第二级行星齿轮113也构造成围绕第一轴线旋转。该第二组多个第二级行星齿轮113内的各行星齿轮也接合与第一级行星齿轮104相关联的对应的销110，使得各销110仅驱动其中一个第二级行星齿轮112，113。
第一级行星齿轮104可以通过柔性元件或柔性销110安装，以通过允许各行星齿轮围绕平行于齿轮横平面(gear transverse plane)的轴线旋转而促进行星齿轮之间更好的负载分配，从而改善行星齿轮104和／或齿圈102之间的负载分配。柔性销在齿轮驱动领域是已知的，且因此在本文中不以更多细节讨论有关柔性销的细节，以保持简洁并增强关于本文所讨论的实施例的其它方面的清晰性。
包括第一组多个行星齿轮112和第二组多个行星齿轮113的第二级构造成使得第一组多个行星齿轮112从第二组多个行星齿轮113轴向地错开。此结构允许增加第一级行星齿轮的数目并使第二级行星齿轮节径最大化，从而使得齿轮整体传动比最大化，同时保持重量和可能的系统成本最低。
第一太阳齿轮114围绕中心轴线122旋转，并接合第二组多个第二级行星齿轮113。第二太阳齿轮116围绕中心轴线122与第一太阳齿轮114成同轴关系旋转，并接合第一组多个第二级行星齿轮112。
转矩差动机构120构造成从第一太阳齿轮114和第二太阳齿轮116二者将转矩传递给输出轴118。然而本发明并不限于此，且转矩差动机构120可以轻易地由其它转矩差动机构替代，以在两组第二级行星齿轮112、113之间达成转矩差异均衡。使第二级行星齿轮112，113和对应的太阳齿轮114，116之间的定时问题(timing issue)和负载分配最小化可以可选地通过定时成弥补差异的太阳齿轮轮齿而达成。
图4示出了根据本发明的一个实施例的图1中描绘的齿圈102的更多细节。多个第一级行星齿轮104显示为接合静止的齿圈102。齿圈102构造成接合六个第一级行星齿轮104，尽管仅描绘了其中四个第一级行星齿轮104以便提供更清晰的细节。但本发明并不限于此，并且可轻易地采用具有多于或少于六个第一级行星齿轮104的其它实施例以实现本文所述的原理。
图5示出了根据本发明的一个实施例的图1中描绘的第二行星齿轮113的更多细节。转矩分流式复合行星齿轮驱动器100构造成采用从三个第二级行星齿轮113轴向地偏离的三个第二级行星齿轮112。为了细节的清晰，仅示出了其中两个第二级行星齿轮112。当齿轮驱动器100适当地构造成具有更多或更少第一级行星齿轮104时，第二级行星齿轮112，113的数目可以轻易地比所示的数目更大或更小。
图6示出了根据本发明的另一个实施例的转矩分流式复合行星齿轮驱动器200。但是齿轮驱动器200不同于齿轮驱动器100之处在于尽管齿轮驱动器100使得各组第二级行星齿轮112，113定位在第一级行星齿轮104的相对侧上，但齿轮驱动器200却使得两组第二级行星齿轮112，113都定位在第一级行星齿轮104的一个共同侧(下风侧)上。
总体而言，以上已经描述了具有多于三个第二级行星齿轮和多于三个第一级行星齿轮的转矩分流式复合行星齿轮驱动器的特定实施例。这些实施例提供了一种转矩分流式复合行星齿轮驱动器，其使得第一级和第二级之间的传动比最大化，同时使行星齿轮的数目增加到大于三以减小各行星齿轮上的转矩负载。不同组的第二级行星齿轮定位在不同的轴向平面中，以增加齿轮驱动器的转矩密度(转矩／重量)。一些实施例可以提供比现有齿轮驱动器多达20％的重量减轻，同时降低各行星齿轮上的负载。
图7示出了根据本发明的再一个实施例的转矩分流式复合行星齿轮驱动器300。转矩分流式复合行星齿轮驱动器300类似于以上描述的转矩分流式复合行星齿轮驱动器100，除了齿轮驱动器300采用了不同于图2中描绘的转矩差动机构120的双斜齿轮联接器302。以下以更多细节描绘的齿轮联接器302工作以使得两组第二级行星齿轮112，113之间的转矩均衡。齿轮驱动器300还包括与第一组多个第二级行星齿轮112啮合的第一太阳齿轮304以及与第二组多个第二级行星齿轮113啮合的第二太阳齿轮306。第一太阳齿轮304和第二太阳齿轮306工作以修正第一组多个行星齿轮112和第二组多个行星齿轮113之间可能存在的可能由制造公差、材料偏转等导致的角度差。各太阳齿轮304，306包括与对应的一组第二级行星齿轮啮合的一组对应的外齿308，310，并且还包括如图8中所见的一组对应的内齿312，314。
图8示出了根据本发明的一个实施例的图7中描绘的太阳齿轮304，306的更多细节。太阳齿轮304包括构造成和如图9中所见的第一组斜联接齿轮316啮合的一组内齿312。太阳齿轮306包括构造成和同样如在图9中所见的第二组斜联接齿轮318啮合的一组内齿314。
图9示出了根据本发明的另一个实施例的图7中描绘的双螺旋形联接机构302的更多细节。如上所述，双螺旋形联接机构302包括第一组斜联接齿轮316和第二组斜联接齿轮318。双螺旋形联接机构302构造成具有适合的机构，例如但不限于轴向弹簧或柔性机构320，其工作以使得该双螺旋形机构302稳定，并提供移动特征(shift feature)，以适应第一太阳齿轮304和第二太阳齿轮306之间可能存在的定时差异。因此联接机构302将被允许通过以自对准的方式轴向地移动而工作，以适应由可能存在于与本文所描述的螺旋齿轮传动相关联的倾斜平面之间的差异所导致的定时差异。
双螺旋形联接机构302有利地减少了轴承的数目，这对实施其它类型的联接机构(如图2中所示的转矩差动机构120)可能是需要的，转矩差动机构120被构造成从多个太阳齿轮114，116将转矩传递给输出轴118。双螺旋形联接机构302还有利地减少了达成自对准所需的组成部件的数目，降低了生产成本，增强了可靠性，并简化了生产过程。
尽管本文仅示出和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多变更和更改。因此，应该懂得所附权利要求意在覆盖落入本发明真实精神范围之内的所有此类变更和更改。

Claims (5)

1.一种风力涡轮机齿轮箱(12)，包括：
第一级，其包括接合静止的齿圈(102)的多个行星齿轮(104)，各第一级行星齿轮构造成响应于风力涡轮机转子(18)的旋转围绕对应的销(110)的轴线旋转；以及
第二级，包括：
构造成绕中心轴线(122)旋转的第一组多个行星齿轮(112)，第一组多个第二级行星齿轮(112)内的各个行星齿轮接合与第一级行星齿轮(112)相关联的对应的销(110)，以及
构造成绕所述中心轴线(122)旋转的第二组多个行星齿轮(113)，第二组多个第二级行星齿轮(113)内的各个行星齿轮接合与第一级行星齿轮(113)相关联的对应的销(110)，使得各第一级行星齿轮销(110)驱动单个的第二级行星齿轮(112)、(113)，
其中所述第一组多个第二级行星齿轮(112)从所述第二组多个第二级行星齿轮(113)轴向地错开；
其中所述风力涡轮机齿轮箱(12)还包括：
第一太阳齿轮(304)，其能够围绕所述中心轴线(122)旋转，并接合所述第一组多个第二级行星齿轮(112)；
第二太阳齿轮(306)，其能够围绕所述中心轴线(122)与所述第一太阳齿轮(304)成同轴关系旋转，并接合所述第二组多个第二级行星齿轮(113)；以及
转矩传递机构(120)，其构造成从所述第一太阳齿轮(304)和所述第二太阳齿轮(306)二者将转矩传递给发电机(20)；
所述转矩传递机构(120)包括双螺旋形联接机构(302)，所述双螺旋形联接机构(302)构造成均衡由所述第一太阳齿轮(304)和所述第二太阳齿轮(306)传递给所述发电机(20)的转矩差异；其中所述第一太阳齿轮(304)和所述第二太阳齿轮(306)包括与对应的一组第二级行星齿轮(112，113)啮合的一组对应的外齿(308，310)，并且还包括一组对应的内齿(312，314)，其中所述第一太阳齿轮的内齿(312)与第一组斜联接齿轮(316)啮合，其中所述第二太阳齿轮的内齿(314)与第二组斜联接齿轮(318)啮合；以及
所述双螺旋形联接机构(302)通过轴向弹簧或柔性机构(320)使该双螺旋形机构(302)稳定同时提供移动特征，以适应第一太阳齿轮(304)和第二太阳齿轮(306)之间可能存在的定时差异。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机齿轮箱(12)，其特征在于，所述多个第一级行星齿轮(104)包括多于三个行星齿轮。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机齿轮箱(12)，其特征在于，所述第一组多个第二级行星齿轮(112)和所述第二组多个第二级行星齿轮(113)一起轴向地远离所述第一级设置在所述第一级行星齿轮(104)的一侧上。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机齿轮箱(12)，其特征在于，所述第一组多个第二级行星齿轮(112)轴向地远离所述第一级设置在所述第一级行星齿轮(104)的一侧上，而所述第二组多个第二级行星齿轮(113)轴向地远离所述第一级设置在所述第一级行星齿轮(104)的不同侧上。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机齿轮箱(12)，其特征在于，各第一级行星齿轮(104)能够通过柔性元件或柔性销(110)旋转，所述柔性元件或柔性销(110)构造成促进所述第一级行星齿轮(104)和所述静止的齿圈(102)之间的负载分配。
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