CN102177340A - 用于风力涡轮机的传动系 - Google Patents

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Abstract

一种齿轮传动系(100)，其用于风力涡轮机的应用中以使得在由行星齿轮传动系统的环形齿轮的尺寸限定的径向空间内的升压比最大化。该齿轮传动系(100)构造成分离-复合行星齿轮传动系统，其在高扭矩阶(阶1)具有封闭式承载架柔性销行星系统用于经由输入轴(IN)接收来自涡轮机的驱动扭矩，并且在低扭矩阶(阶2)具有联接至高扭矩阶(阶1)的敞开式承载架柔性销行星系统用于经由输出轴(OUT)将驱动扭矩传递至发电机。

Description

用于风力涡轮机的传动系
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求于2008年9月10日提交的美国临时专利申请No.61/095,816的优先权，并且其内容在此通过引用并入。
关于联邦资助研究的声明
不适用。
技术领域
本发明一般而言涉及诸如在风力涡轮机中使用的那些传动系统，并且具体地涉及一种改进的风力涡轮机传动系统，其构造成复合分离行星齿轮系统，该复合分离行星齿轮系统包括在高扭矩阶的封闭式承载架柔性销系统和在低扭矩阶的敞开式承载架柔性销系统。
背景技术
目前发展中的风力涡轮机系统架构意在生产精简的(低重量、低成本)和可靠的机器。追求的一种解决方案是混合式风力涡轮机，其并入了简化的传动系(通常为单级行星齿轮系统)与中速发电机的结合。为了进一步减小该构型的旋转质量，可以利用较高的行星齿轮传动系统比率，从而允许以尺寸减小的、运行更快的发电机取代中速发电机。换言之，如果风力涡轮机以给定速度“a”rpm旋转，并且如果行星齿轮传动系统比率为“b”，那么相关的发电机将以(a×b)rpm的速度旋转。比率“b”越高，发动机旋转越快。一般情况下，旋转较快的较小的发电机将会质量较轻并且成本较低，从而导致较精简的系统设计。因此，工业上需要在尽可能小的空间内增加行星齿轮系统的升压比“b”，并且具有尽可能小的质量。
诸如在图1A和图1B中示出的行星齿轮系统通常包括：位于中央的太阳齿轮；与太阳齿轮啮合的轨道行星齿轮(数量通常是但不总是三个，如在图1A中示出的)；旋转行星承载架(与太阳齿轮共轴)，该旋转行星承载架是将行星齿轮保持在固定的相对位置处的结构构件；以及环形齿轮，该环形齿轮也与太阳齿轮共轴并且围绕所有轨道行星齿轮并与所有轨道行星齿轮啮合。
传统上，每个行星齿轮由一排或多排的行星轴承轴向地支承，这些行星轴承反过来又被支承在不旋转但绕轨道运行的销上，该销在各个端部处固定至封闭式行星承载架的壁(即，具有设置在行星齿轮的相对侧上的两个壁的承载架)。该配置理论上将输入扭矩沿多个相等的负载路径分开，该相等的负载路径的数量对应于行星齿轮的数量，并且这样做，将作用在太阳齿轮、行星齿轮与环形齿轮之间的各个齿轮啮合处的齿轮力的大小减小至相应较小的数值。
行星齿轮传动系统中的齿轮通常设计为直齿轮、斜齿轮或人字齿轮。不管使用哪种齿轮设计，都可能出现两个常见的问题。第一个问题是加工公差必然产生全部齿轮啮合中的间隙的变化。这意味着当扭矩施加到齿轮传动系统内时，具有最小间隙的齿轮啮合自身将开始支承负载，直到该齿轮啮合充分偏转而使得具有下一最小间隙的齿轮啮合开始支承一部分负载。这种负载转移现象将一直进行，直到全部负载由一些齿轮啮合完全支承。换言之，一些齿轮啮合将比其它的齿轮啮合支承更多的负载。存在用于将柔性引入到齿轮啮合内以恢复齿轮啮合中的负载均衡的方法，其中之一是在三行星齿轮系统中使用浮动式太阳齿轮。
采用具有由边带连接的两个相对壁的封闭式行星承载架的传统行星齿轮传动系统的第二个缺点是所施加的扭矩将扭转封闭式行星承载架，从而将行星承载架承载行星销的一端的一个壁以旋转的方式推进到行星承载架承载行星销的相对端的相对壁的前方。该旋转推进使得行星齿轮失准于与其配合的太阳齿轮和环形齿轮，从而导致齿轮啮合处的磨损和摩擦力的增加。此外，支承行星齿轮轴承将承受相同数量的失准。
当使用在风力涡轮机的应用中时，行星齿轮系统构型通常包括以下描述的并在相关附图中示出的数种常见构型中的一种。
A.-具有升压比大约等于10∶1的传统的封闭式承载架三行星周转系统，如由现有技术的图1A例证的；
B.-具有升压比大约等于8∶1的传统的封闭式承载架四行星周转系统，如由现有技术的图1B例证的；
C.-具有升压比大约等于14∶1的复合行星齿轮系统，如现有技术的图1C例证的；
D.-分离-复合行星齿轮系统，其在低扭矩阶和高扭矩阶都使用了具有柔性销的敞开式承载架行星齿轮组，如现有技术的图1D例证的；以及
E.-与“D”相似的系统，但其在低扭矩阶和高扭矩阶都使用了封闭式承载架行星齿轮组，如现有技术的图1E例证的。
因此，有利的是提供一种用于诸如风力涡轮机应用之类的动力传送应用中的齿轮传动系，其构造成使得在有限空间内的输入轴与输出轴之间的有效升压比最大化，从而允许使用质量较轻的发电机并且降低整个系统的成本。
发明内容
简言之，本公开提供了一种用于动力传送系统中的齿轮传动系，以使得在有限的径向空间内的旋转输入轴与旋转输出轴之间的升压比最大化，该有限的径向空间由行星齿轮传动系统的环形齿轮的尺寸限定。传动系构造成在高扭矩阶具有封闭式承载架柔性销行星齿轮系统并在低扭矩阶具有敞开式承载架柔性销行星齿轮系统的分离-复合行星齿轮传动系统。
在一个实施方式中，本公开的齿轮传动系适于应用在位于联接至旋转涡轮机的输入轴与联接至发电机的输出轴之间的风力涡轮机电力传输系统中。该齿轮传动系还构造成提供大约30∶1的升压比。
通过阅读下文中结合附图的描述，在本公开和目前优选的实施方式中阐述的前述特征和优点将变得更加显而易见。
附图说明
在形成说明书的一部分的附图中：
图1A是现有技术的封闭式承载架三行星周转行星齿轮系统的示意图；
图1B是现有技术的封闭式承载架四行星周转行星齿轮系统的示意图；
图1C是现有技术的复合行星齿轮系统的示意图；
图1D是现有技术的分离-复合行星齿轮系统的示意图，其在低扭矩阶和高扭矩阶都利用了具有柔性销技术的敞开式承载架行星齿轮组；
图1E是现有技术的分离-复合行星齿轮系统的示意图，其在低扭矩阶和高扭矩阶都利用了封闭式承载架行星齿轮组；
图2是本公开的分离-复合行星齿轮系统的示意图，其包括在高扭矩阶的封闭式承载架行星齿轮组和在低扭矩阶的具有柔性销的敞开式承载架行星齿轮组；
图3是图2的分离-复合行星齿轮系统的局部剖切视图；以及
图4是与支承在齿轮传动系统承载架壁上的发电机配合的本公开的齿轮传动系统的示意图。
在附图的若干个图中，对应的附图标记始终表示对应的部件。应当理解，附图仅是为了说明在本公开中阐述的构思而未按比例绘制。
在详细描述本发明的任意实施方式之前，应当理解，本发明在其应用方面不限于在以下描述中阐述的或在附图中示出的构型的细节和部件的配置。
具体实施方式
下文的详细描述通过例举的方式而非通过限制的方式说明了本发明。该描述使本领域的技术人员能够制作并使用本公开，并且描述了本公开的数个实施方式、适应性的改变、变型、替换方案和使用，包括目前被认为是实施本公开的最佳模式的那些。
下面主要结合在图2和图3中示出的示例对本公开的传动系100进行描述。传动系100是分离-复合行星齿轮系统，其在高扭矩阶(阶1)利用了封闭式承载架柔性销系统，并且在低扭矩阶(阶2)利用了敞开式承载架柔性销系统以实现输入轴(IN)与输出轴(OUT)之间选定的升压比。
高扭矩阶(阶1)包含大直径行星齿轮104的两个相邻的阵列102，该大直径行星齿轮104安装至柔性销105并且通过联接至输入轴(IN)的共用环形齿轮103所接收的输入扭矩驱动。每个行星齿轮104都与联接至低扭矩阶(阶2)的环形齿轮113的直径较小的共用太阳齿轮106啮合，并且约束在具有两个壁的封闭式承载架108内，每个壁都设置在行星齿轮的阵列102外。一个相邻阵列102的柔性销105各自从封闭式承载架108的第一共用壁以悬臂向内构型的方式在一端被支承，并且各自支承行星齿轮104用于围绕轴线的旋转。第二相邻阵列102的柔性销105各自从封闭式承载架108的相对的共用壁以相似的方式被支承，并且分别支承第二阵列的行星齿轮104用于围绕轴线的旋转。第一阵列的柔性销105的轴线可以在封闭式承载架108的容积内与第二阵列102的柔性销105的轴线对准或不对准。在操作期间，每个阵列102的柔性销105都由接地的封闭式承载架108保持成围绕太阳齿轮106的旋转轴线，同时被支承的行星齿轮104分别由来自共用环形齿轮103的输入扭矩围绕每个柔性销105以可旋转的方式进行驱动。柔性销105的悬臂式构型及其安装件允许自我调整各个行星齿轮104的轴向对准以便在不粘合或者不扭曲封闭式承载架108的壁的情况下容纳所承载的负载。柔性销105的示例性设计可以在Fox的美国专利申请公开No.2008-0194378 A1中找到，其内容通过引用并入本文。
在低扭矩阶(阶2)中，敞开式承载架柔性销系统采用了安装在柔性销105上的斜齿轮或者直齿圆柱行星齿轮110，该柔性销105以悬臂的方式在一端由仅具有一个端壁的敞开式承载架112的单个端壁支承。行星齿轮110与联接至输出轴(OUT)并且联接至共用环形齿轮113的太阳齿轮109啮合，该环形齿轮113直接联接至高扭矩阶(阶段1)的太阳齿轮106，并且由该太阳齿轮106驱动。但是，如在图3中最好见到的，斜齿轮是优选的，因为阶2中的行星齿轮110和太阳齿轮109的旋转速度快于阶1中的那些旋转速度，从而增加了产生齿轮噪音的潜在可能性。斜齿轮可以设计成安静地工作以减小整个齿轮箱的噪音水平。
与各个承载架108和112一道，柔性销的设计，连同承载架壁——柔性销从这些承载架壁中以悬臂的方式伸出以支承相关的行星齿轮104、110——确保了足够的柔性以改进行星齿轮104、110在响应施加的负载时的负载均衡，并且提供了一种轴向弯曲模式，该轴向弯曲模式在负载的全部范围内维持行星齿轮104、110、太阳齿轮106、109与环形齿轮103之间的最佳的齿轮啮合对准。
与前述传统的齿轮系统构型相比，本公开的传动系提供了数个优点。如在图1E中示出的传统的封闭式承载架行星系统包括在每个轴向端由行星承载架的相对壁支承的跨式安装的行星惰轮(销)，并且行星齿轮设置在沿该销的轴线的纵向中点处。相比之下，在本公开的传动系100中利用的顺从性的柔性销构型有利于柔性销105在圆周方向上弯曲，以便于整个齿轮上的负载的均衡。此外，不同于传统的封闭式承载架，其在可能使跨式安装的行星惰轮(销)失准的负载下经历相对壁之间的扭转的缠绕，本公开的顺从性的柔性销105将在所有的负载水平下以不引起沿齿轮面的失准的方式弯曲。这些特征增加了传动系统100的可靠性并且允许齿轮大小和质量的减小。
与前述传统的传动系构型相比，本公开的传动系100还实现了在相同的空间占用的情况下的更大的升压比。例如，当与在图1A中示出的利用单阶行星构型的传动系相比时，本公开的传动系100增加了第二阶的要求，但是减少了齿轮面失准的风险，提高了可靠性并且在占用空间相同的情况下获得了3倍高(30∶10)的升压比。
当本公开的传动系100与在图1B中示出的利用单阶构型的传动系相比时，本公开的传动系100增加了第二阶的要求，但是减少了齿轮面的失准，改进了行星齿轮间的负载分布，提高了可靠性，并且在占用空间相同的情况下获得了大约3.5倍高(30/8)的升压比。
当本公开的传动系100与在图1C中示出的复合行星系统相比时，可以看到本公开的传动系100利用了更多数量的齿轮，但是减少了齿轮面的失准并且改进了行星齿轮104、110之间的负载分布，提高了可靠性，并且在占用空间相同的情况下获得了大约2倍高(30∶14)的升压比。
类似地，当本公开的传动系100与在图1D中示出的在阵列的两个阶中都包含柔性销的分离-复合行星系统相比时，对于在高扭矩阶1中的环形齿轮的给定大小，包含有较大的太阳齿轮和直径较小的柔性销行星齿轮的敞开式承载架替代为阶1的包含有直径较大的柔性销行星齿轮104的两个阵列102的封闭式承载架，该直径较大的柔性销行星齿轮104与小直径太阳齿轮106配合以提高50％的高扭矩阶的升压比，即，从大约20∶1提高至30∶1，在相同的空间占用的情况下增加了1.5∶1。
利用本公开的传动系100，如在图2和图3中示出的，与占用相同容积的传统的传动系构型相比，风力涡轮机齿轮箱的升压比能够在功率非常密集的空间内增加1.5至3.5倍，从而允许使用直径较小的发电机以接收来自传动系100的输出。这种结合降低了上部塔的质量，并且提供了减小风力涡轮机支承结构的尺寸的潜在机会。如果通过在传动系100的前面或后面放置扭矩限制、扭矩传递装置来控制最大扭矩负载，那么能够进一步获得减小风力涡轮传动系统100的尺寸的潜在可能性。
在图4中示出了联接至直径较小的发电机200的传动系100的示例性构型。发电机200安装至输出轴OUT并且由抵靠在同心短轴204的外径上的轴承组件202承载，该同心短轴204从接地的承载架108的壁向外延伸。如在图4中示出的，轴承组件202包括围绕短轴204的外径以间接安装的方式安装的两排锥形辊，并且发电机的转子206联接至轴承组件的外圈。但是，应当认识到，轴承组件202不限于在图4中示出的具体构型，并且可以利用多种不同的构型，包括使用圆柱形或球形滚动元件。优选地，发电机的转子部件206经由诸如离合器或传动凸缘之类的扭矩限制联轴器208联接至输出轴OUT。
由于在上述的构型中可以形成多种变化而不偏离本公开的范围，所以其意图是，在上述的描述中包含的或者在附图中示出的所有内容应当理解为说明性的而非限制性的。

Claims (15)

1.一种行星齿轮系统，包括：
输入轴；
输出轴；
分离-复合行星齿轮系统，所述分离-复合行星系统包括高扭矩阶和低扭矩阶，所述分离-复合行星齿轮系统构造成通过所述高扭矩阶和所述低扭矩阶将扭矩从所述输入轴传递至所述输出轴；
其中，所述高扭矩阶构造为接地的封闭式承载架柔性销行星齿轮系统；并且
其中，所述低扭矩阶构造为敞开式承载架柔性销行星齿轮系统。
2.如权利要求1中所述的行星齿轮系统，其中，所述高扭矩阶和所述低扭矩阶以协作的方式构造成提供所述输入轴与所述输出轴之间的30∶1的升压比。
3.如权利要求1中所述的行星齿轮系统，其中，所述行星齿轮系统还构造成用于风力涡轮机的应用中，以使得在由与所述输入轴关联的环形齿轮的直径限定的径向空间内的升压比最大化。
4.如权利要求1中所述的行星齿轮系统，其中，所述高扭矩阶包括设置在具有相对端壁的封闭式承载架内的两个相邻的行星齿轮阵列，每个所述行星齿轮阵列都包括由从所述封闭式承载架的关联端壁以悬臂的方式伸出的柔性销支承的多个行星齿轮，所述行星齿轮中的每一个都与联接至所述输入轴并且联接至共用太阳齿轮的共用环形齿轮啮合，所述共用太阳齿轮联接至所述低扭矩阶的环形齿轮。
5.如权利要求4中所述的行星齿轮系统，其中，所述行星齿轮中的每一个都具有围绕关联柔性销的旋转轴线，并且，所述封闭式承载架内与所述相邻行星齿轮阵列的第一阵列的行星齿轮关联的所述旋转轴线从所述封闭式承载架内与所述相邻行星齿轮阵列的第二阵列的行星齿轮关联的所述旋转轴线围绕所述共用太阳齿轮的轴线以旋转的方式偏移，由此，所述第一相邻行星齿轮阵列的行星齿轮和所述第二相邻行星齿轮阵列的行星齿轮与所述共用太阳齿轮和所述共用环形齿轮上的不同的齿啮合。
6.如权利要求4中所述的行星齿轮系统，其中，每个所述行星齿轮阵列都包括三个等距离间隔开的行星齿轮。
7.如权利要求1中所述的行星齿轮系统，其中，所述低扭矩阶包括等距离间隔开的多个行星齿轮，每个所述行星齿轮都由从所述敞开式承载架的单个端壁以悬臂的方式伸出的关联柔性销支承，所述行星齿轮中的每一个都与联接至所述输出轴的共用太阳齿轮以及联接至所述高扭矩阶的共用环形齿轮啮合。
8.如权利要求1中所述的行星齿轮系统，其中，所述输入轴联接至风力涡轮机以接收驱动扭矩，并且，所述输出轴联接至发电机用于将所述驱动扭矩从所述风力涡轮机传送至所述发电机。
9.如权利要求1中所述的行星齿轮系统，其中，所述输出轴联接至发电机的转子，所述发电机的所述转子由安装在短轴的外径上的轴承组件支承，所述短轴从所述高扭矩阶的接地的封闭式承载架轴向地向外延伸。
10.如权利要求9中所述的行星齿轮系统，其中，所述发电机的所述转子经由扭矩限制联轴器联接至所述输出轴。
11.一种风力涡轮机行星齿轮系统，其用于在紧凑的空间容积内将驱动扭矩从风力涡轮机传递至发电机，包括：
输入轴，所述输入轴联接至第一环形齿轮，所述输入轴接收来自所述风力涡轮机的驱动扭矩；
输出轴，所述输出轴联接至太阳齿轮，所述输出轴将驱动扭矩传递至所述发电机；
高扭矩阶，所述高扭矩阶构造有接地的封闭式承载架行星齿轮配置以接收来自所述输入轴的所述环形齿轮的所述驱动扭矩并且容纳扭矩负载；
低扭矩阶，所述低扭矩阶构造有敞开式承载架行星齿轮配置以接收来自所述高扭矩阶的所述驱动扭矩并且将所述驱动扭矩传递至所述输出轴的所述太阳齿轮；并且
其中，所述高扭矩阶和所述低扭矩阶以协作的方式构造成提供所述输入轴与所述输出轴之间的选定的升压比。
12.如权利要求11中所述的风力涡轮机行星齿轮系统，其中，所述封闭式承载架行星齿轮配置包括两壁接地的封闭式行星承载架，所述两壁接地的封闭式行星承载架支承位于两相对端壁之间的一对行星齿轮阵列，所述行星齿轮阵列中的每一个都包括与所述第一环形齿轮以及共用太阳齿轮啮合的等距离间隔开的多个行星齿轮；并且
其中，所述行星齿轮阵列的所述行星齿轮中的每一个都由在一端从所述封闭式行星承载架的相邻壁以悬臂的方式伸出的柔性销以可旋转的方式承载。
13.如权利要求11中所述的风力涡轮机行星齿轮系统，其中，所述敞开式承载架行星齿轮配置包括单壁敞开式行星承载架，所述单壁敞开式行星承载架支承安装在悬臂式柔性销上的等距离间隔开的行星齿轮阵列，所述行星齿轮中的每一个都与所述太阳齿轮以及共用环形齿轮啮合，所述共用环形齿轮由所述高扭矩阶以可旋转的方式驱动。
14.如权利要求11中所述的风力涡轮机行星齿轮系统，其中，所述紧凑的空间容积由所述第一环形齿轮的外周限定。
15.如权利要求11中所述的风力涡轮机行星齿轮系统，其中，所述发电机的转子经由扭矩限制联轴器联接至所述输出轴，并且，所述转子由安装在短轴的外径上的轴承组件支承成围绕所述输出轴共轴地旋转运动，所述短轴从所述高扭矩阶的接地的封闭式承载架轴向地向外延伸，所述短轴围绕所述输出轴同心地设置。
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