CN101849105B - 用于风力涡轮机齿轮箱的行星齿轮级、风力涡轮机齿轮箱和风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机齿轮箱的行星齿轮级，包括：太阳齿轮；与太阳齿轮啮合的至少两个行星齿轮；环形齿轮；连接至至少两个行星齿轮一侧的第一行星架法兰；和连接至至少两个行星齿轮另一侧的第二行星架法兰。通过在一个或更多个转矩传输区域连接至所述第一和第二行星架法兰中的至少一个的转矩传输部件传输来自风力涡轮机转子的转矩，并且所述一个或更多个转矩传输区域位于第一和第二平面之间，这两个平面基本上垂直于太阳齿轮的旋转轴。而且第一平面与第一行星架的内侧在通过第一行星架承载齿轮轴的位置齐平，以及第二平面与第二行星架的内侧在通过第二行星架承载齿轮轴的位置齐平。本发明还涉及一种风力涡轮机齿轮箱和一种风力涡轮机。

Description

用于风力涡轮机齿轮箱的行星齿轮级、风力涡轮机齿轮箱和风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的行星齿轮级以及如权利要求14的前序部分所述的风力涡轮机齿轮箱。
背景技术
一种广泛用于常规工业齿轮箱的齿轮是行星齿轮。
该齿轮的各种类型都具有行星架，该行星架具有一个或两个侧法兰。在具有两个侧法兰的情况下，所述法兰通常由支柱连接。对于某些实施方式，输入或驱动端(DE)的连接轴被连接至任一法兰并且整个装置通常都通过任一法兰上的轴承被靠着固定框架支撑。
行星齿轮轴承可以被安装到支撑在两个法兰内的轮轴上，或者轴承可以被集成到法兰内。这种设计能够传输高转矩，并用于支撑正齿轮传动以及斜齿轮传动。
对于包括两侧法兰和人字齿轮的行星架的设计，德国专利文献DE102004023151介绍了一种构想，其中通过相对于行星齿轮的中心侧面偏心设置的行星架部分将行星齿轮安装在其各自的轮轴上。
与标志着现有技术水平的所述双法兰行星架相关的问题在于连接轴上的转矩会导致驱动端(DE)法兰相对于相对的非驱动端(NDE)法兰扭转(wind-up)。由这些法兰支撑的行星齿轮的轮轴将因此而相对于主旋转轴倾斜，这会导致错位并最终导致轮齿和行星齿轮轴承的边缘载荷。
两个法兰之间的支柱是为了避免或减小该扭转，但是它们的空间会受到行星齿轮的设计包络线的约束。通过增加法兰厚度、行星架的外径、行星齿轮轮轴的外径或者支柱的硬度可以进一步减小扭转，这些措施中的每一种都会增加材料消耗、组件的重量和成本。
双法兰行星架的刚性概念即使在加工误差很小的情况下也会导致沿齿轮齿宽和在行星齿轮之间的不良载荷分配。
而且，在这样的装置中，其中连接轴不仅要由转矩加载而且还要由横向力和/或横向力矩加载并且靠向行星架的固定框架的任一法兰上的轴承吊架都变为刚性约束，该装置将无法对错位进行校正。
可选的行星架设计包括具有悬臂式行星齿轮轮轴的单个单侧法兰，通常用于较低转矩，以及具有设置在该法兰任一侧的正行星齿轮的单法兰行星架，例如WO03014566中给出的示例。
与具有悬臂式轴的单法兰行星架相关的问题在于它们不适合用于高载荷，原因在于悬臂式行星齿轮轮轴的弯曲会造成齿轮的错位。
另一种设计是所谓的“柔性销”(FlexPin)设计，其中太阳齿轮和环形齿轮是刚性的，同时利用柔性螺栓-即本领域技术人员公知的“柔性销”将行星齿轮安装至行星架。
与所述柔性销设计相关的问题在于它们不适合用于单个的斜齿轮。
本发明的目的是提供一种行星齿轮箱的有利结构，在齿轮之间具有改良的载荷分配，以及提供一种不再具有上述缺点的技术。
发明内容
本发明涉及一种用于风力涡轮机齿轮箱的行星齿轮级，包括：
太阳齿轮；
与所述太阳齿轮啮合的至少两个行星齿轮；
环形齿轮；
连接至所述至少两个行星齿轮一侧的第一行星架法兰；和
连接至所述至少两个行星齿轮另一侧的第二行星架法兰，
其中，通过在一个或更多个转矩传输区域连接至所述第一和第二行星架法兰中的至少一个的转矩传输部件传输来自风力涡轮机转子的转矩，
其中，所述一个或更多个转矩传输区域位于第一和第二平面之间，这两个平面基本上垂直于太阳齿轮的旋转轴，
其中，第一平面与第一行星架的内侧在通过第一行星架承载齿轮轮轴的位置齐平，以及
其中，第二平面与第二行星架的内侧在通过第二行星架承载齿轮轮轴的位置齐平。
由此可以确保减少齿轮错位并使包括在所述行星齿轮级内的齿轮之间的载荷分配保持均匀。
而且，该齿轮能够保持齿轮对准旋转轴以使得可以在很宽的转矩范围内实现沿齿轮齿宽的均匀载荷分配并且不会受到横向力和横向力矩的影响。
进而可以确保基本上在任意操作下都可以获得沿齿轮均衡的载荷分配。这样可以相应地减少齿轮经受的操作条件的变化并使齿轮更加坚固。
更进一步地可以减少行星齿轮轴承运行条件的变化并因此提高该关键组件的坚固性。
还可以确保能够更换所述行星齿轮级的单个组件而无需更换整个齿轮级或风力涡轮机齿轮箱。
在本发明的一个方面，所述第一平面和第二平面是基本上垂直于太阳齿轮旋转轴的平面，并且所述第一平面与行星齿轮的一端齐平，而所述第二平面与行星齿轮的另一端齐平。
在本发明的另一个方面，所述第一和第二平面是基本上垂直于太阳齿轮旋转轴的平面，并且所述第一平面包括行星齿轮啮合表面的第一点，而所述第二平面包括行星齿轮啮合表面的第二点。
由此可以确保所述转矩传输区域能够位于一个平面内，从而能够与施加的外部转矩载荷无关地保持例如行星齿轮轮轴基本对齐。而且可以确保行星齿轮轮轴的对齐受到作用在转矩传输部件上的横向力和弯曲力矩例如从风力涡轮机转子到所述行星齿轮级的传输转矩的损害最小。
在本发明的另一个方面，例如通过铸造、焊接、连接螺栓、铆钉等将所述第一行星架法兰和所述第二行星架法兰在所述转矩传输区域连接在一起。由此可以确保例如转矩传输部件和行星齿轮轮轴之间的转矩传输在一个轴面内完成，该轴面被成形为使得能够实现挠度可控并由此实现齿轮接触的错位可控。
在本发明的另一个方面，所述一侧为齿轮级的驱动端，而所述另一侧为齿轮级的非驱动端。
在本发明的另一个方面，所述转矩传输部件和所述第一行星架法兰成形为一个部件。由此实现了转矩传输部件和所述第一行星架法兰之间增强的转矩传输，这相应地也确保了行星齿轮轮轴的对齐受损害最小。
在本发明的另一个方面，所述第一行星架法兰和所述第二行星架法兰成形为一个部件。由此实现了所述第一行星架法兰和所述第二行星架法兰之间增强的转矩传输，这相应地也确保了行星齿轮轮轴的对齐受损害最小。
在本发明的另一个方面，所述转矩传输部件以及所述第一行星架法兰和所述第二行星架法兰成形为一个部件。由此实现了所述行星齿轮箱各组件之间最大程度的转矩传输，这相应地也确保了行星齿轮轮轴的对齐受损害最小。
在本发明的另一个方面，所述转矩传输区域基本上被设置在第一和第二行星架内侧之间距离的中点处。由此可以确保例如转矩传输部件和行星齿轮轮轴之间的转矩传输在行星齿轮轮轴的对齐受影响最小的轴面内完成，这相应地也提高了该关键组件的坚固性。
在本发明的另一个方面，所述转矩传输区域被设置为以一定的偏移量偏离第一和第二行星架内侧之间距离的中点。由此可以例如按照太阳齿轮扭矩的大小顺序来实现受控的齿轮错位。
在本发明的另一个方面，所述偏移量处于第一和第二行星架内侧之间距离的0到50％的范围内，优选地处于5％到20％的范围内。
在本发明的另一种应用中，所述太阳齿轮和所述行星齿轮以及所述环形齿轮是单个的斜齿轮。由此可以确保关于平滑齿轮接触、减小振动和载荷变化以及发出的噪音等方面有利的齿轮。
在本发明的另一个方面，通过一个或更多个连接件例如突起、锥体、螺栓等将所述转矩传输部件在一个或更多个转矩传输区域连接至所述第一和第二行星架法兰中的所述至少一个法兰。由此可以确保行星齿轮之间的载荷分配也就是横向载荷的隔离得到改善并且确保通过转矩传输部件阻止结构骨架噪声传输的阻尼得以实现，例如用于通过正常频率降低对风力涡轮机转子叶片的激励。而且还可以实现齿轮级的简单组装。
在本发明的另一个方面，所述环形齿轮在运行期间旋转。由此可以确保转矩被传输用于各种类型的齿轮级，例如具有固定的行星架，在此情况下转矩传输部件25是壳体的一部分，或者具有旋转的行星架作为三档行星齿轮的一部分。
本发明还涉及一种风力涡轮机齿轮箱，包括如权利要求1至14所述的一个或更多个行星齿轮箱，由此获得有利的风力涡轮机齿轮箱。
此外，本发明涉及一种风力涡轮机，包括如权利要求15所述的风力涡轮机齿轮箱。
附图说明
以下参照附图来描述本发明，在附图中：
图1示出了现代的大型风力涡轮机，在风力涡轮机转子内包括三个风力涡轮机叶片；
图2示意性地示出了从侧面看的风力涡轮机机舱的实施方式；
图3作为现有技术的示例示意性地示出了从正面看的行星齿轮箱的实施方式；
图4作为现有技术的示例示意性地示出了从正面看的包括行星架的行星齿轮箱的实施方式；
图5作为现有技术的示例示意性地示出了从侧面看的一个行星齿轮箱实施方式的部分截面；
图6示意性地示出了从侧面看的本发明行星齿轮箱第一实施方式的部分截面；
图7示意性地示出了从侧面看的本发明第二实施方式的部分截面；
图8示意性地示出了从侧面看的本发明第三实施方式的部分截面；
图9示意性地示出了本发明另一实施方式的部分截面，在行星架法兰内包括用于传输转矩的突起；
图10示意性地示出了本发明另一实施方式的部分截面，在行星架法兰内包括用于传输转矩的锥体；以及
图11示意性地示出了本发明又一实施方式的部分截面，包括用于连接转矩传输部件和行星架法兰的螺栓。
具体实施方式
现有技术的介绍
图1示出了现代的风力涡轮机1，包括塔架2和位于塔架2顶端的风力涡轮机机舱3。包括三个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4通过从机舱3前部伸出的低速轴6连接至机舱3。
图2示出了从侧面看的风力涡轮机机舱3的实施方式。现有技术中已知的常规风力涡轮机1的传动系统通常包括通过低速轴6连接至齿轮箱7的转子4。在本实施方式中，转子4仅包括通过跷跷板(teeter)机构8连接至低速轴6的两个叶片5，但是在另一个实施方式中，转子4可以包括其他数量的叶片5，例如三个叶片5，这是在现代风力涡轮机1上最为常见的叶片5的数量。在另一个实施方式中，转子4也可以被直接连接至齿轮箱7。
齿轮箱7随后通过高速轴10连接至发电机9。
因为机舱3内的空间有限并且为了使机舱3的重量最小化，绝大多数现代风力涡轮机1中的优选齿轮箱7的类型是行星齿轮箱，但是齿轮箱7的其他类型也是可行的，例如一个或更多个正齿轮箱、蜗轮齿轮箱、斜齿轮箱或不同类型的变速器和齿轮箱7的组合。
图3作为现有技术的示例示出了从正面看的行星齿轮级11的实施方式。行星齿轮12与中央的太阳齿轮13相啮合并围绕其旋转，并且它们还与外部的环形齿轮14相啮合。箭头指明了所有的行星齿轮12都以相同的方向旋转而太阳齿轮13则沿相反的方向旋转。
在该实施方式中，行星齿轮级11包括三个行星齿轮12，但是在另一个实施方式中也可能包括大于或等于2的其他数量的行星齿轮12。
每一个行星齿轮12都被设有一个或更多个行星齿轮轴承17并且具有轴承17的每一个行星齿轮12都被安装在行星齿轮轮轴16上。
图4作为现有技术的示例示出了从正面看的包括行星架15的行星齿轮级11的实施方式。行星架15通过固定行星齿轮轮轴16而连接行星齿轮12，使其随着行星齿轮12围绕太阳齿轮行进而旋转。
通常环形齿轮14被连接至承载框架、连接至齿轮箱壳体或以其他方式固定，但是在某些类型的行星齿轮级11中环形齿轮14也可以旋转。而且，图中的齿轮仅仅示出了齿轮箱的一级。整个齿轮箱可以包括如图中所示的一级这样的多级以增加传动，或者它也可以包括多个不同的级，例如在第一级中没有太阳齿轮并且输入轴18使环形齿轮14旋转，环形齿轮14与多个行星齿轮12相啮合。第一级中的行星齿轮12随后被连接至第二级中的较大尺寸的行星齿轮12，其与太阳齿轮13相啮合，太阳齿轮13被连接至行星齿轮级11的输出轴。
根据齿轮箱的用途，其他的齿轮箱设计经常也是可行的。在风力涡轮机中，齿轮级11可以被设计用于承载转子的全部转矩载荷，这就意味着齿轮级11必须被设计用于处理齿轮级11输入侧上的这种巨大的转矩载荷，而齿轮箱输出侧上的转矩载荷可能会明显变小。用于不同的风力涡轮机1中的行星齿轮级11或者用于其他应用中的齿轮级11因此可以进行不同的设计以满足不同的需要。
在作为行星齿轮级11的一个实施方式的本实施方式中，行星架15被成形为连接三个行星齿轮12的一件式整体板，但是在其他的实施方式中，行星架15可以进一步包括一个或更多个轴承用于引导和稳定行星架15。这可能是例如这样的情况：假如行星架15被连接至风力涡轮机转子，并且行星架15还必须要传输转子的全部载荷。大直径轴承的内环可以随后例如被安装在环形齿轮14的外侧上，而轴承的外环可以被连接至行星架15，其随后将延伸超出环形齿轮14，或者或多或少地圆形的行星架15可以围绕其外缘设有轴承，其中轴承的外环被连接至环形齿轮14、齿轮箱壳体20或以其他方式固定。
图5作为现有技术的示例示出了从侧面看的具有单法兰行星架的行星齿轮级11的实施方式的部分截面。在该行星齿轮级11的实施方式中，每一个行星齿轮12都设有两个并列的轴承17，但是在另一个实施方式中行星齿轮12也可以设有其他数量的轴承17，或者轴承17也可以被置于行星架15内，轴16可以在此刚性连接至行星齿轮12。
行星架15设有输入轴18，其可以是风力涡轮机的低速轴，但是在另一个实施方式中行星架15也可以被直接连接至输入产生设备例如风力涡轮机转子的轮毂。
行星齿轮12与环形齿轮14和太阳齿轮13相啮合，环形齿轮14在本实施方式中被刚性连接至齿轮箱壳体20，太阳齿轮13设有例如连接至另一齿轮级或者连接至风力涡轮发电机的输出轮轴19。
本发明的详细说明
图6示意性地示出了从侧面看的本发明行星齿轮级第一实施方式的部分截面。在该实施方式中，行星齿轮12由行星齿轮轴承17和行星齿轮轴16支撑。行星齿轮轴16支撑在两个行星架法兰21，22之间。通过在转矩传输区域23连接至所述法兰21，22中的一个或两个的转矩传输部件25，将来自转子的转矩传输至行星架法兰21，22。转矩传输部件25以及第一和第二行星架法兰21，22以这样的方式成形：在所述法兰21，22和转矩传输部件25之间除了基本上在转矩传输区域23的部分以外还有自由空间24。
根据本发明，转矩传输区域23位于第一平面和第二平面之间，所述平面基本上垂直于太阳齿轮13的旋转轴，其中第一平面与第一行星架21的内侧在通过第一行星架21承载齿轮轮轴16的位置齐平，并且其中第二平面与第二行星架22的内侧在通过第二行星架22承载齿轮轮轴16的位置齐平。
在图6中，根据本发明的该实施方式，所述第一平面和第二平面由虚线标注的lim1和lim2表示。
进而根据图6中示出的实施方式，所述转矩传输区域23设置在中间平面处，中间平面被定义为基本上垂直于太阳齿轮13的旋转轴、并且基本上位于第一和第二行星架31的内侧之间的距离的中点处的平面(L＝0)。
所述转矩传输部件25对于本发明中的各个实施方式来说是风力涡轮机的低速轴的一部分，但是在其他的实施方式中，转矩传输部件25可以被直接连接至输入产生设备例如风力涡轮机转子的轮毂。
行星齿轮12与环形齿轮相啮合，其对于本发明中的各个实施方式来说，环形齿轮是被刚性连接至齿轮箱壳体。而且行星齿轮12还与太阳齿轮13相啮合，其设有例如连接至另一齿轮级或者连接至风力涡轮发电机的输出轴。
图6中示出的某些轮廓线在以下的附图中被省略。
图7和图8示意性地示出了从侧面看的本发明行星齿轮级11的第二实施方式和第三实施方式的部分截面。在这些实施方式中，转矩传输区域23从图6中所限定的中间平面偏移。
图7示出的实施方式中移位被定向为沿X轴负向也就是在L＝-a处；而图8示出的实施方式中移位被定向为沿X轴正向也就是在L＝b处。
图9示意性地示出了本发明另一实施方式的部分截面，在行星架法兰内包括用于传输转矩的突起27。突起27对于各种实施方式可以尺寸上变化，以适用于行星架法兰21，22的尺寸、行星架法兰21，22内的通孔、它可能要承受的转矩和作用力等。
图10示意性地示出了本发明另一实施方式的部分截面，在行星架法兰内包括用于传输转矩的锥体28。锥体28可以对于各种实施方式尺寸和形状上有所变化，以适用于行星架法兰21，22以及它可能要承受的转矩和作用力等。
图11示意性地示出了本发明又一实施方式的部分截面，该实施方式包括用于连接转矩传输部件和行星架法兰的螺栓29。螺栓29可以对于各种实施方式尺寸上有所变化，以适用于行星架法兰21，22的尺寸、行星架法兰21，22内的通孔、它可能要承受的转矩和作用力等。而且制造螺栓29的材料可以是能够使螺栓承载高转矩和高作用力的特殊合金。
对于本发明的各种实施方式，转矩传输部件25和所述第一行星架法兰21被成形为一个部件。
对于本发明的其他实施方式，第一行星架法兰21和第二行星架法兰22被成形为一个部件。
对于本发明的更进一步的实施方式，转矩传输部件25、第一行星架法兰21和第二行星架法兰22被成形为一个部件。
对于本发明的各种实施方式，转矩传输部件25、第一行星架法兰21和第二行星架法兰22中的每一个都可以被成形为两个或更多个部件。
附图标记列表
在附图中，以下的附图标记是指：
1.风力涡轮机
2.塔架
3.机舱
4.转子
5.叶片
6.低速轴
7.风力涡轮机齿轮箱
8.跷跷板机构
9.发电机
10.高速轴
11.行星齿轮级
12.行星齿轮
13.太阳齿轮
14.环形齿轮
15.行星架
16.行星齿轮轴
17.行星齿轮轴承
18.输入轴
19.输出轴
20.齿轮箱壳体
21.第一行星架法兰
22.第二行星架法兰
23.转矩传输区域
24.行星架法兰和转矩传输部件之间的自由空间
25.转矩传输部件
26.行星齿轮的啮合表面
27.突起
28.锥体
29.螺栓
30.橡胶耳轴
31.第一和第二行星架内侧之间的距离

Claims (16)

1.一种用于风力涡轮机齿轮箱的行星齿轮级，所述行星齿轮级包括：
太阳齿轮；
与所述太阳齿轮啮合的至少两个行星齿轮；
环形齿轮；
连接至所述至少两个行星齿轮的一侧的第一行星架法兰；和
连接至所述至少两个行星齿轮的另一侧的第二行星架法兰，
其中，通过在一个或更多个转矩传输区域连接至所述第一行星架法兰和第二行星架法兰中的至少一个的转矩传输部件传输来自风力涡轮机转子的转矩，
其中，所述一个或更多个转矩传输区域位于第一平面和第二平面之间，所述第一平面和第二平面基本上垂直于太阳齿轮的旋转轴线，
其中，所述第一平面与第一行星架的内侧在齿轮轴通过第一行星架承载的位置处齐平，并且
其中，所述第二平面与第二行星架的内侧在齿轮轴通过第二行星架承载的位置处齐平。
2.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述第一平面和第二平面是基本上垂直于太阳齿轮的旋转轴线的平面，并且
其中，所述第一平面与行星齿轮的一端齐平，并且
其中，所述第二平面与行星齿轮的另一端齐平。
3.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述第一平面和第二平面是基本上垂直于太阳齿轮的旋转轴线的平面，并且
其中，所述第一平面包括行星齿轮啮合表面的第一点，并且
其中，所述第二平面包括行星齿轮啮合表面的第二点。
4.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，将所述第一行星架法兰和所述第二行星架法兰在所述转矩传输区域连接在一起。
5.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述一侧为齿轮级的驱动端，所述另一侧为齿轮级的非驱动端。
6.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述转矩传输部件和所述第一行星架法兰成形为一个部件。
7.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述第一行星架法兰和所述第二行星架法兰成形为一个部件。
8.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述转矩传输部件以及所述第一行星架法兰和所述第二行星架法兰成形为一个部件。
9.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述转矩传输区域基本上被设置在第一行星架内侧和第二行星架内侧之间的距离的中点处。
10.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述转矩传输区域设置成以一偏移量从所述第一行星架内侧和第二行星架内侧之间的距离的中点偏移。
11.如权利要求10所述的行星齿轮级，其中，所述偏移量处于第一行星架内侧和第二行星架内侧之间的距离的0到50%的范围内。
12.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述太阳齿轮和所述行星齿轮以及所述环形齿轮是单个的斜齿轮。
13.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，通过一个或更多个连接件将所述转矩传输部件在一个或更多个转矩传输区域连接至所述第一行星架法兰和第二行星架法兰中的所述至少一个。
14.如权利要求1所述的行星齿轮级，其中，所述环形齿轮在运行期间旋转。
15.一种风力涡轮机齿轮箱，所述风力涡轮机齿轮箱包括一个或更多个如权利要求1所述的行星齿轮级。
16.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括如权利要求15所述的风力涡轮机齿轮箱。
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