CN101737460B - 具有多个太阳小齿轮的行星齿轮箱 - Google Patents

具有多个太阳小齿轮的行星齿轮箱 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有多个太阳小齿轮的行星齿轮箱。具体而言，提供了一种齿轮箱，其具有多个太阳齿轮(362，364)和一个或多个行星级(354)。行星级可包括第一行星级和第二行星级。第一太阳齿轮(362)连接到第一行星级上，而第二太阳齿轮(364)连接到第二行星级上。从行星级所传递的转矩至少部分地在第一太阳齿轮和第二太阳齿轮之间进行分配。

Description

具有多个太阳小齿轮的行星齿轮箱
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，且更具体地涉及一种介于风力涡轮机转子与发电机之间的齿轮箱。
背景技术
公知的是，使用行星齿轮箱响应于风力涡轮机转子的旋转来驱动发电机。转子向齿轮箱提供低速高转矩的输入。齿轮箱向发电机提供高速低转矩的输出。此类齿轮箱在这种应用中已使用了多年。还公知的是，这种齿轮箱的行星齿轮和太阳齿轮以及与其相关的轴承经受高转矩的负载，且因此在这种苛求的用途下会遭受高磨损率和故障。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种齿轮箱，其具有多个太阳齿轮和一个或多个行星级。行星级可包括第一行星级和第二行星级。第一太阳齿轮连接到第一行星级上，而第二太阳齿轮连接到第二行星级上。从行星级所传递的转矩至少部分地分配在第一太阳齿轮和第二太阳齿轮之间。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于风力涡轮机的齿轮箱，该风力涡轮机具有至少一个涡轮叶片，以及用于将来自于涡轮叶片的低速高转矩的旋转动力转变成用于发电的高速低转矩旋转动力的发电机。齿轮箱包括环形齿轮、安装成用于在环形齿轮内围绕大致中心轴线旋转的行星齿轮架，并且该齿轮箱适于在其第一端处由涡轮叶片驱动。多个行星小齿轮位于行星齿轮架上围绕中心轴线间隔开的位置上，且行星小齿轮的轴线大致平行于行星齿轮架的中心轴线延伸。行星齿轮定位在各行星小齿轮上，以及多个太阳齿轮围绕中心轴线旋转且可由行星齿轮接合。基本上所有来自于涡轮叶片的旋转动力均经由行星小齿轮传递，并且旋转动力大致在多个太阳齿轮之间进行分配。
附图说明
图1为包括公知的齿轮箱的风力涡轮机的局部剖面示图；
图2为图1中公知的齿轮箱的截面图；
图3为根据本发明一个方面的具有多个太阳齿轮的齿轮箱的截面图；
图4为根据本发明另一个方面的具有多个太阳齿轮的齿轮箱的截面图；
图5为根据本发明又一个方面的具有多个太阳齿轮的齿轮箱的截面图。
零件清单
10齿轮箱
12风力涡轮机
14塔架
16机舱
18轮廓
20转子
22转子轴
24输出轴
26发电机
30齿轮箱壳体
32支承销
34输入轮毂
36中心轴线
40行星齿轮架
42行星小齿轮
44齿轮齿
46行星轴承
48行星轴承
50环形齿轮
52齿轮齿
54行星齿轮
56齿轮齿
60太阳齿轮
61齿轮齿
62末级齿轮
64花键连接
70输出小齿轮
82输入端罩盖
84行星齿轮罩盖
88行星齿轮架端板
90末级
92末级罩盖
96中空管
336中心轴线
340行星齿轮架
350环形齿轮
352行星小齿轮
354行星齿轮
362第一太阳齿轮
364第二太阳齿轮
372第一太阳小齿轮或输出轴
374第二太阳小齿轮或输出轴
410第一级行星齿轮
415第二级行星齿轮
420第一太阳齿轮
425第二太阳齿轮
430第一太阳小齿轮或输出轴
435第二太阳小齿轮或输出轴
440行星齿轮架
450环形齿轮
510第一级行星齿轮
511第一级行星小齿轮
515第二级行星齿轮
516第二级行星小齿轮
520第一太阳齿轮
525第二太阳齿轮
530轴承
536中心轴线
550环形齿轮
具体实施方式
图1示出了具有齿轮箱10的一个公知的风力涡轮机12的一部分。齿轮箱10通常收容在机舱16内。风力涡轮机12包括支承柱或塔架14。塔架14支承机舱16。齿轮箱10在机舱16中受到支承。通过站立在风力机舱16内的人的轮廓18示意性地示出了齿轮箱10的大小。
转子20支承在机舱16上以便相对于机舱旋转。转子20由转子轴22连接到齿轮箱10的输入端上。齿轮箱10的输出端由输出轴24连接到发电机26上。
转子20响应于经过风力涡轮机12的空气运动而旋转。转子20的旋转力经由转子轴22、齿轮箱10和输出轴24传递给发电机26。发电机26发电。
图2示出了一种公知的齿轮箱10的截面图。齿轮箱10包括齿轮箱壳体30，齿轮箱壳体30又包括输入端罩盖82、行星齿轮罩盖84，以及末级罩盖92。齿轮箱壳体30由支承销32支承在机舱16上。
齿轮箱壳体30的输入端罩盖82围绕行星齿轮架40延伸且支承该行星齿轮架40，用于使行星齿轮架40围绕行星齿轮架40的中心轴线36相对于壳体30旋转。行星齿轮架40第一端上的输入轮毂34以适合的方式联接到转子轴22(未示出)上，用于与转子20一起旋转。输入轮毂34接收来自于转子20的旋转力，并且响应于该旋转力使行星齿轮架40相对于齿轮箱壳体30旋转。如图所示，行星齿轮架40的第二端大致敞开，其中，可拆卸地安装的端板88附接到行星齿轮架40的第二端上。如下文所述，该可拆式支架端板88用作行星轴承座。
行星齿轮架40支承在其中围绕中心轴线36作轨道运动的多个行星小齿轮42。在所示的实施例中，提供了围绕中心轴线36等距地间隔开的三个行星小齿轮42。轴承支承行星小齿轮42以便相对于行星齿轮架旋转。具体而言，安装在行星齿轮架40第一端上的第一行星轴承46接合并支承各行星小齿轮42的第一端，从而直接地由行星齿轮架40支承行星小齿轮42的该端。安装在行星齿轮架端板88上的第二行星轴承48接合并支承各行星小齿轮42的第二端，从而间接地由行星齿轮架40来支承行星小齿轮42的第二端。各个行星小齿轮42均具有多个外齿轮齿44，在所示的实施例中，外齿轮齿44为正齿轮齿。
齿轮箱10包括环形齿轮50。环形齿轮50相对于齿轮箱壳体30的内部大致为固定的。也就是说，环形齿轮50具有与壳体30内部上的花键相配合的外花键，防止了环形齿轮50相对于壳体30旋转。环形齿轮50基本上相对于壳体30浮动，因为该环形齿轮可在环形齿轮50上的外花键与壳体30上的内花键之间的间隙内沿径向少量地运动。行星小齿轮42在直径上大致小于环形齿轮50。
环形齿轮50具有内部正齿轮齿或螺旋齿轮齿52的阵列。环形齿轮50上的内齿轮齿52以啮合方式与行星小齿轮42上的外齿轮齿44相接合。结果，响应于输入轮毂34和行星齿轮架40围绕中心轴线的旋转，行星小齿轮42围绕中心轴线36的轨道运动引起行星小齿轮42围绕其自身的轴线相对于行星齿轮架40旋转。因此，从转子20传递至输入轮毂34的旋转力就完全传递给行星小齿轮42，用以驱动行星小齿轮42围绕其自身的轴线旋转。
齿轮箱10包括多个行星齿轮54。行星齿轮54的数目等于行星小齿轮42的数目。因此，在所示的实施例中，提供了三个行星齿轮54。
各个行星齿轮54固定到其中的一个行星小齿轮42上，用于同与其相关的行星小齿轮42一起旋转。因此，齿轮箱10为“复合的”行星齿轮箱。因此当输入轮毂34和行星齿轮架40旋转时，输入轮毂34的旋转力就经由行星小齿轮42完全传递给行星齿轮54，用以驱动行星齿轮围绕行星小齿轮的轴线旋转。
行星齿轮54在直径上显著大于行星小齿轮42。行星齿轮54中的每一个行星齿轮均具有多个外齿轮齿56，在所示的实施例中，外齿轮齿56为正齿轮齿。
齿轮箱10还包括安装在行星齿轮架40内的太阳齿轮60，该太阳齿轮60由行星小齿轮42所包绕。太阳齿轮60通过与包绕的行星齿轮54相接触而沿径向受到支承，以便太阳齿轮60围绕中心轴线36相对于齿轮箱壳体30旋转。太阳齿轮60具有沿其轴线的中空内孔(bore)，并且沿着其轴延伸部的轴线。固定到齿轮箱壳体30的末级罩盖92上的中空管96大致沿轴线36穿过太阳齿轮60及其轴延伸部的内孔，以经由齿轮箱10将控制线路(未示出)引导至转子20。太阳齿轮60相对于中空管96旋转但并不接触中空管96。太阳齿轮60在直径上显著小于行星齿轮54。
太阳齿轮60具有多个外部正齿轮齿或螺旋齿轮齿61，其以啮合方式与行星齿轮54上的外齿轮齿56相接合。结果，响应于输入轮毂34和行星小齿轮42的旋转，行星齿轮54围绕其轴线的旋转引起太阳齿轮60围绕中心轴线36旋转。因此，输入轮毂34和行星齿轮架40的旋转力就经由行星齿轮54完全传递给太阳齿轮60，从而驱动太阳齿轮围绕中心轴线36旋转。
齿轮箱10还包括末级90，末级90又包括末级端板94、末级罩盖92、输出小齿轮70，以及可选的末级齿轮62。末级齿轮62通过太阳齿轮60轴延伸部末端处的花键连接64，围绕中心轴线36与太阳齿轮60一起旋转。太阳齿轮60轴延伸部的花键端在该花键连接的间隙内相对于末级齿轮62浮动。输出小齿轮70的旋转驱动发电机26，从而产生电能。末级90为可选的，并且许多齿轮箱使用太阳齿轮作为对发电机26的输入。
来自于转子20和输入轮毂34的输入转矩在三个行星小齿轮42之间且因此在三个行星齿轮54之间进行分配，以便传递至太阳齿轮60。该构造使得通过旋转的输入轮毂34所提供的高转矩在行星齿轮之间进行分布。然而，太阳齿轮60为所有转矩聚集在其中的齿轮系中的一点。这种公知的齿轮系布置可影响齿轮系且尤其是太阳齿轮60的耐用性和可靠性。
图3示出了根据本发明一个实施例的改进的齿轮箱的简化截面图。主要改进在于加装了两个太阳齿轮362和364，在该实施例中，太阳齿轮362和364可同轴地对齐。
行星齿轮架340在其中支承多个行星小齿轮352和行星齿轮354用于围绕中心轴线336作轨道运动。在一个实施例中，齿轮箱可包括两个行星齿轮354级，其中，第一行星级(例如，三个行星齿轮)驱动第一太阳齿轮362，而第二行星级(例如，三个行星齿轮)驱动第二太阳齿轮364。例如，在图3中所示的实施例中，齿轮箱包括两个行星齿轮级，其中，各行星级均包括三个行星齿轮。然而，应当理解，两个或多个级可进行结合，且各级均具有两个或多个行星齿轮。在一些实施例中，各行星级均可具有不同于其它行星级的行星齿轮数目。
图3中的齿轮箱的一个主要好处在于由行星级所传递的转矩在两个太阳齿轮之间进行了分配。各太阳齿轮均可经由相应的太阳小齿轮或输出轴来驱动单独的发电机、单独的输出级，或者两个太阳齿轮可在输出处相结合，用以驱动单个的发电机或单个的输出级。作为一个实例，多个太阳小齿轮可重新结合成用以通过刚性配合的联接件或弹性连结的联接件来驱动单个的发电机。
在一个实施例中，太阳齿轮362驱动第一太阳小齿轮或输出轴372，而第二太阳齿轮364驱动第二太阳小齿轮或输出轴374。第一轴372可连接到第一发电机(未示出)上，而第二输出轴可连接到第二发电机(未示出)上，其中，第一发电机和第二发电机可同轴地布置。
图4示出了本发明的另一个实施例，并且示出了非复合的齿轮箱构造。齿轮箱包括行星齿轮架440，其驱动两个行星齿轮级。第一组行星齿轮410驱动第一太阳齿轮420，而太阳齿轮420连接到第一太阳小齿轮或输出轴430上。第二组行星齿轮415驱动第二太阳齿轮425，而太阳齿轮425连接到第二太阳小齿轮或输出轴435上。应当理解，第一组行星齿轮和第二组行星齿轮均可包括两个或多个行星齿轮。
各太阳齿轮均可经由相应的太阳小齿轮来驱动单独的发电机，或者两个太阳小齿轮可在输出处相结合或联接成用以驱动单个的发电机或单个的输出级。作为一个实例，多个太阳小齿轮可重新结合成用以通过刚性配合的联接件或弹性连结的联接件来驱动单个的发电机。
图5示出了根据本发明的另一实施例的复合布置。在所示的实施例中，第一行星级包括三个行星小齿轮511，而第二行星级包括三个行星小齿轮516。轴承530支承行星小齿轮511和516以便相对于行星齿轮架(未示出)旋转。
环形齿轮550可相对于齿轮箱壳体(未示出)的内部大致为固定的。也就是说，环形齿轮50具有与壳体内部上的花键相配合的外花键，从而防止环形齿轮50相对于壳体旋转。行星小齿轮511和516在直径上显著小于环形齿轮550。
环形齿轮550可具有内部正齿轮齿或螺旋齿轮齿的阵列。环形齿轮550上的内齿轮齿以啮合的方式与行星小齿轮511和516上的外齿轮齿相接合。结果，响应于输入轮毂和行星齿轮架围绕中心轴线的旋转，行星小齿轮围绕中心轴线536的轨道运动引起行星小齿轮围绕其自身的轴线相对于行星齿轮架旋转。因此，从转子传递至输入轮毂的旋转力就完全传递给行星小齿轮，用以驱动行星小齿轮围绕其自身的轴线旋转。
齿轮箱包括两个行星齿轮级。第一级包括行星齿轮510，而第二级包括行星齿轮515。行星齿轮的数目等于行星小齿轮的数目，且因此在所示的实施例中，在各行星级中提供了三个行星齿轮。然而，应当理解，各行星级均可包括两个或多个行星齿轮。
齿轮箱包括两个太阳齿轮，第一太阳齿轮520和第二太阳齿轮525。第一太阳齿轮520通过与包绕的第一级行星齿轮510相接触而沿径向受到支承，以便第一太阳齿轮520围绕中心轴线536相对于齿轮箱壳体旋转。第二太阳齿轮525通过与包绕的第二级行星齿轮515相接触而沿径向受到支承，以便第二太阳齿轮525围绕中心轴线536相对于齿轮箱壳体旋转。太阳齿轮在直径上显著小于行星齿轮。
太阳齿轮可具有以啮合方式与行星齿轮上的外齿轮齿相接合的多个外部正齿轮齿或螺旋齿轮齿。结果，响应于输入轮毂和行星小齿轮的旋转，行星齿轮围绕其轴线的旋转引起太阳齿轮围绕中心轴线536旋转。因此，输入轮毂和行星齿轮架的旋转力就经由行星齿轮完全传递，并且该转矩在两个太阳齿轮520和525之间进行分配。
在上述所有实施例中，两个或多个太阳齿轮可以相结合成用以分配总的转矩。例如，三个或四个太阳齿轮可与相似数目的行星级一起使用。单个的太阳齿轮的输出轴可传送至单独的发电机，或者可重新结合成对于一个发电机的单一输出。同轴发电机可与同轴的太阳轴一起使用，或单个的太阳轴可与多个输出级相配对用以驱动非同轴的发电机。
尽管已结合当前视作为其中的一个最为实用和优选的实施例来描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而相反的是旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和同等布置。

Claims (7)

1.一种具有多个太阳齿轮的齿轮箱，包括：
一个或多个行星级，所述一个或多个行星级包括第一行星级和第二行星级；
连接到所述第一行星级上的第一太阳齿轮；
联接到所述第一太阳齿轮上的第一太阳输出轴；
连接到所述第二行星级上的第二太阳齿轮；
联接到所述第二太阳齿轮上的第二太阳输出轴；
所述第一太阳输出轴经由刚性配合的联接件和弹性连结的联接件中的至少一者联接到所述第二太阳输出轴上；以及
其中，从所述一个或多个行星级所传递的转矩至少部分地在所述第一太阳齿轮和所述第二太阳齿轮之间进行分配，所述第一太阳输出轴和所述第二太阳输出轴布置成彼此同轴，并且所述第一太阳输出轴和所述第二太阳输出轴相联接成用以驱动单个的发电机。
2.根据权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱还包括：
连接到所述一个或多个行星级上的行星齿轮架。
3.根据权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱构造为下列中的一种：
非复合的齿轮箱、复合的齿轮箱，以及复合-行星型齿轮箱。
4.根据权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱用于风力涡轮机。
5.一种用于风力涡轮机的齿轮箱，所述风力涡轮机具有至少一个叶片，以及用于将来自于所述至少一个叶片的低速高转矩的旋转动力转变成用于发电的高速低转矩旋转动力的发电机，所述齿轮箱包括：
环形齿轮；
安装成用于在所述环形齿轮内围绕大致中心轴线旋转的行星齿轮架，所述行星齿轮架适于在其第一端处由所述至少一个叶片驱动；
多个行星小齿轮，其在所述行星齿轮架上围绕所述中心轴线间隔开的位置处，其中，所述行星小齿轮的轴线大致平行于所述行星齿轮架的所述中心轴线延伸；
位于各所述行星小齿轮上的行星齿轮；
多个太阳齿轮，其可围绕所述中心轴线旋转且可由所述行星齿轮相接合，所述多个太阳齿轮包括：第一太阳齿轮，所述第一太阳齿轮具有联接至其上的第一太阳输出轴；以及第二太阳齿轮，所述第二太阳齿轮具有联接至其上的第二太阳输出轴；所述第一太阳输出轴和所述第二太阳输出轴同轴地布置，所述第一太阳输出轴经由刚性配合的联接件和弹性连结的联接件中的至少一者联接到所述第二太阳输出轴上；以及
其中，基本上所有来自于所述至少一个叶片的所述旋转动力经由所述多个行星小齿轮进行传递，以及所述旋转动力在所述多个太阳齿轮之间进行大致地分配，并且其中，所述第一太阳输出轴和所述第二太阳输出轴相联接成用以驱动单个的发电机。
6.根据权利要求5所述的齿轮箱，其特征在于，所述行星齿轮架连接到一个或多个行星级上。
7.根据权利要求5所述的齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱构造为下列中的一种：
非复合的齿轮箱、复合的齿轮箱，以及复合-行星型齿轮箱。
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