CN102235324A - 用于风力涡轮机的齿轮箱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的齿轮箱，具体而言，设置齿轮箱装置，其适于将在第一转速(301)下的第一扭矩(302)转换成在第二转速(401)下的第二扭矩(402)。该齿轮箱装置包括适于输入第一扭矩(302)的空心齿轮箱输入轴(201)、至少部分地布置在空心齿轮箱输入轴(201)内且适于将第一转速(301)转换成第二转速(401)的传输单元，以及适于输出第二扭矩(402)的齿轮箱输出轴(202)。

Description

用于风力涡轮机的齿轮箱
技术领域
本公开大体涉及风力涡轮机的传动系(drive train)，并且具体而言涉及包含在风力涡轮机的传动系中的齿轮箱(gearbox)。此外，本公开大体涉及用于传递扭矩的方法。
背景技术
风力涡轮机作为环境安全且可靠的能源越来越重要。风力涡轮机典型地包括具有至少一个转子叶片和轮毂的转子以用于将来风能量(incoming wind energy)转换成旋转机械能。风力涡轮机的轮毂的旋转传递到连接到机械齿轮箱的输入轴上的主转子轴上。机械齿轮箱的输出轴连接到发电机上，发电机适于将来自机械齿轮箱的机械旋转能输出转换成电能。
发明内容
鉴于以上所述，设置了一种齿轮箱装置，其适于将在第一转速下的第一扭矩转换成在第二转速下的第二扭矩，该齿轮箱装置包括适于输入第一扭矩的空心齿轮箱输入轴、至少部分地布置在空心齿轮箱输入轴内且适于将第一转速转换成第二转速的传输单元(transmissionunit)，以及适于输出第二扭矩的齿轮箱输出轴。
根据另一方面，设置了一种风力涡轮机，其包括转子、发电机以及连接到转子上且适于将在第一转速下的第一扭矩转换成在第二转速下的第二扭矩的齿轮箱装置，该齿轮箱装置包括联接到转子上且适于输入第一扭矩的空心齿轮箱输入轴、布置在空心齿轮箱输入轴内且适于将第一转速转换成第二转速的传输单元，以及适于输出第二扭矩的齿轮箱输出轴。
根据又一方面，设置了一种齿轮箱装置，其适于将在低转速下的第一扭矩转换成在高转速下的第二扭矩，该齿轮箱装置包括具有内腔且适于输入第一扭矩的低速输入轴、适于将低转速转换成高转速且适于至少部分地安装在低速输入轴的内腔中的至少一个行星传动器，以及适于输出第二扭矩的高速输出轴。
另外的示例性实施例根据从属权利要求、描述以及附图。
附图说明
在说明书的其余部分中(包括参照附图)更具体地阐述了对本领域普通技术人员做出的完整且能够实施的公开内容，包括其最佳模式，其中：
图1显示了根据典型实施例的风力涡轮机的侧视图；
图2示出了包括机械齿轮箱的风力涡轮机的传动系的构件；
图3示出了根据典型实施例的风力涡轮机的传动系，其中，风力涡轮机的齿轮箱容纳在空心转子轴内；
图4是根据典型实施例的在齿轮箱中使用的行星传动器的截面图；
图5是根据典型实施例的单级行星传动器的纵截面图；
图6是根据另一个实施例的两级行星传动器的截面图；
图7是根据又一个典型实施例的三级行星传动器的截面图；以及
图8是示出了用于借助于行星传动器将在第一转速下的第一扭矩转换成在第二转速下的第二扭矩的方法的流程图。
部件列表
100  风力涡轮机
101  转子叶片
102  塔架(tower)
103  机器机舱(nacelle)
104  轮毂
105  风向
106  偏航角
107  竖直轴线
108  桨距角
109  转子叶片轴线
110  齿轮箱
111  偏航驱动系统(yaw drive system)
112  转子轴
113  发电机
114  齿轮箱输出轴
115  转子轴腔
200  行星传动器
201  空心齿轮箱输入轴
202  齿轮箱输出轴
203  行星齿轮
204  太阳齿轮
205  外环齿轮
206  行星齿轮支承件
207  中心齿轮箱轴线
208  行星架
301  输入转速
具体实施方式
现在将对多种示例性实施例作出详细参照，这些实施例的一个或多个实例在附图中有所说明。各个实例提供来作为阐述而不意图作为限制。例如，示出或描述为一个实施例的一部分的特征可用在其它实施例上，或者结合其它实施例来使用，以产生又一个实施例。意图的是本公开包括这种修改和变型。
下面将对若干个实施例进行阐述。在这种情况下，相同的结构特征由附图中的相同参考标号标示。附图中所示的结构未按比例描绘，而是仅用于更好地理解实施例。
图1是根据典型实施例的风力涡轮机100的说明性侧视图。
风力涡轮机包括塔架102，该塔架102典型地沿着竖直轴线107定向。风力涡轮机100的机器机舱103可旋转地安装在塔架102的顶部。可通过包含在机器机舱103中的偏航驱动系统111来使机器机舱103旋转，以便关于来风方向105引导风力涡轮机100的机器机舱103和整个传动系。
图1中示意性地示出了风力涡轮机100的传动系。传动系包括具有至少一个转子叶片101和轮毂104的转子。风力涡轮机的转子连接到转子轴112上，从而使得，基于来风105，转子旋转且基于来风105的速度提供机械旋转能。为了使转子轴112的旋转频率适于来风105的强度或速度，可调节单独转子叶片101的桨距角108。这种桨距角调节是使单独转子叶片101绕着其纵向轴线109旋转。
这里要注意，虽然显示了转子具有三个单独转子叶片101，但是可设置一个转子叶片或多个转子叶片来将风能转换成转子轴112的旋转能。
转子轴连接到齿轮箱110的输入轴上，该齿轮箱110以机械的方式将转子轴112的转速(低速侧)转变成在齿轮箱输出轴114处的旋转输出速度(高速侧)。齿轮箱输出轴114连接到发电机113上，以用于将旋转机械能转换成用于功率供应的电能。
根据典型实施例，将参照图3、5、6和7阐述包括至少一个行星传动器的机械齿轮箱可设计成使得其几乎不消耗安装空间，从而使得可减小齿轮箱110的总重量并且从而减小整个机器机舱103的总重量。偏航驱动系统111用于改变偏航角106，从而使得可关于风向105而调节风力涡轮机的传动系。
图2示出了具有输入轴和齿轮箱输出轴114的齿轮箱110，输入轴典型地为风力涡轮机的转子轴112。齿轮箱可设计成例如用于高速范围或用于中速范围，其中，速度范围与风力涡轮机的齿轮箱装置的齿轮箱输出轴的转速即转每分钟(rpm)相关。此外，与高速齿轮箱相比，中速齿轮箱的齿轮比将更低。典型地，齿轮箱将根据应用于风力涡轮机中的发电机概念来选择。例如，高速发电机典型地具有约1500rpm的额定速度，使得与这些发电机一起使用的高速齿轮箱典型地具有102的等级(order)的齿轮比。相反，中速发电机具有显著更低的速度，使得与这些中速发电机一起使用的中速齿轮箱典型地具有101的等级(即比高速齿轮箱低一个数量等级)的齿轮比。
输入轴112为转子轴或连接到风力涡轮机100(图1)的轮毂上，在轮毂处低转速盛行(prevail)。盛行的低转速典型地在0rpm(转每分钟)至30rpm的范围中。在齿轮箱110的输出侧处，提供更高的转速以用于驱动发电机113(图1)。典型地，齿轮箱110可适于在高速范围中运行或在中速范围中运行。这里要注意，用语“速度范围”涉及齿轮箱输出轴114的转速。在高速范围中运行的高速齿轮箱110的齿轮箱输出轴114的转速的范围典型地可为1200rpm至1800rpm，并且更典型地近似等于1650rpm。另一方面，在中速范围中运行的中速齿轮箱110的齿轮箱输出轴114的转速的范围典型地可为100rpm至800rpm，并且更典型地为200rpm至700rpm，并且甚至更典型地近似等于600rpm。如上所述，齿轮箱的齿轮比将根据发电机的速度而变化。
图2示出了由齿轮箱110提供的传输(transmission)，以使得输入转速301(低速侧，第一转速)可变换成输出转速401(高速侧，第二转速)。
反之亦然，在风力涡轮机100的转子处的输入扭矩302(高扭矩侧，第一扭矩)变换成输出扭矩402(在发电机113处的低扭矩侧，第二扭矩)。
这里要注意，在转子轴112和齿轮箱输出轴114处的扭矩302，402和转速301，401分别彼此成反比。这里要注意，箭头301，401和302，402分别指示了转速和扭矩的具体方向。
此外，这里要注意，除了风力涡轮机之外，根据典型实施例的齿轮箱还可用于其它系统中，例如其中输入转速高于输出转速的机械传动系统。在这种情况下，齿轮箱的输出和输入轴互换，即输入扭矩(在高转速下)施加在轴114处，而在低转速下的输出扭矩作为输出提供在轴112处。
图3是根据典型实施例的齿轮箱装置的侧面截面图。
如图3中所示，由输入扭矩302在旋转方向301上驱动的转子轴112具有内腔115，例如转子轴112是空心轴。空心轴的两个轴承(在沿着空心轴112的长度的两个位置处)由参考标号502指示。这些转子轴轴承502提供了风力涡轮机100(见图1)的整个转子的可旋转支承。
参考标号115指示了转子轴腔(内腔)。转子轴腔115容纳了齿轮箱110，齿轮箱110可提供为一个或多个级的行星传动器或带有螺旋齿轮(helical gear)级作为多级齿轮箱的最后的级。输出轴即齿轮箱110的齿轮箱输出轴114可直接连接到发电机113(图3中的虚线)上。
齿轮箱输出轴114为发电机113提供了输出转速401和输出扭矩402。因为齿轮箱110支承在转子轴112的转子轴腔115内，所以节省安装空间和重量是可行的。风力涡轮机100的整个转子可由两个转子轴轴承502可旋转地支承。
在随后的图4，5，6和7中，将对基于行星传动器的齿轮箱110进行更详细的描述。图4是行星传动器200的截面图。行星传动器包括由多个(在这种情况下为四个)行星齿轮203围绕的中心太阳齿轮204，行星齿轮203与中心太阳齿轮204啮合。
行星齿轮203可旋转地保持在行星架208处，该行星架208连接到行星齿轮支承件206(在图4中所示的实例中的四个位置处)。四个行星齿轮203还与外环齿轮205啮合，在风力涡轮机齿轮箱110的情况下，该外环齿轮205由固定的扭矩接收元件(stationary torque receivingelement)501(见下面的图5，6和7)固定。
根据另一个典型实施例，行星架208可由扭矩接收元件501固定，并且转子轴112可使外环齿轮205旋转。在此实施例中和在图4中所示的实施例中，转子轴112设置为齿轮箱110的输入轴，从而使得转子扭矩可分别传递到齿轮箱和齿轮箱110的输出轴114。
但是这里要注意，根据典型实施例的行星传动器可反过来操作，即输入和输出机构可彼此替换，虽然这未在图中示出。根据可与本文所述的其它实施例结合的这种实施例，轴112可设置为齿轮箱110的输出轴，从而使得输入扭矩可分别施加在齿轮箱轴114处，并且可传递到输出侧。在这种情况下，在齿轮箱输出处的输出转速低于施加在齿轮箱轴114处的输入转速。
此外，这里要注意，可通过转子来施加不会对转子的驱动扭矩起作用的横向和轴向力。根据又一个典型实施例，这些横向和轴向力由输入轴112承受(take up)，输入轴112由两个转子轴轴承502可旋转地支承，见图6和7。这些转子轴轴承502可高效地吸收通过输入轴112施加的横向和轴向力。
如下面将参照图5所描述的那样，转子轴112使行星齿轮支承件206旋转，其中，外环齿轮205不旋转。这导致与行星齿轮203啮合的太阳齿轮204旋转，从而使得在齿轮箱输出轴202处的输出转速大于施加在行星齿轮支承件206处的输入转速。
此外，虽然未在图5中示出，但是可行的是，在转子轴112使外环齿轮205旋转时行星齿轮支承件206不旋转(由扭矩接收元件501保持和固定)。这也导致与行星齿轮203啮合的太阳齿轮204旋转，从而使得在齿轮箱输出轴202处的输出转速大于施加在行星齿轮支承件206处的输入转速。
图5是行星传动器200的示意性侧面截面图，该行星传动器200分别至少部分地容纳在空心齿轮箱输入轴201或转子轴112(见上文)的转子轴腔115中。示意性地显示了行星齿轮支承件206与空心齿轮箱输入轴201连接。空心齿轮箱输入轴201典型地在低速侧处，即在低转速盛行的侧边处，空心齿轮箱输入轴201因此被称为低速输入轴，其中，齿轮箱输出轴可称为高速输出轴，其可连接到发电机上。本文在上面参照图4所描述的外环齿轮205借助于扭矩接收元件501来固定(不旋转)。
如果空心齿轮箱轴201旋转，则齿轮箱输出轴202旋转(在相同方向上)，其中，齿轮箱输出轴202的转速高于空心齿轮箱输入轴201的转速。
根据典型实施例，至少一个行星传动器200可用作使发电机113的转速(高速侧)适于风力涡轮机100的转子的转速(低速侧)的机构。旋转构件的轴线可沿着公共轴线定向或甚至可与中心齿轮箱轴线207重合。
如可从图5的示意图看到的那样，一个或多个行星传动器200可容纳在空心齿轮箱输入轴201的转子轴腔115内。因此，节省风力涡轮机100的机器机舱103的安装空间和重量是可行的。
行星齿轮203的数量不限于如本文在上面参照图4所示的四个行星齿轮，而是任何数量的行星齿轮203可用于行星传动器200内，只要有足够的空间可用。空心齿轮箱输入轴201可设置为风力涡轮机的转子轴112。在这种情况下，转子轴112具有较大的弯曲刚度。
因为行星传动器本身在设计上是紧凑的且包括公共的同轴轴线207，所以如果行星传动器200的构件安装在转子轴腔115内的话则可节省安装空间。图5示出了布置在转子轴腔115内的单级行星传动器。但是，将两级、三级以及多级行星传动器200接连地(successively)布置在空心齿轮箱输入轴201内是可行的。在这种情况下，各个行星传动器200的相应的外环齿轮205可连接到扭矩接收元件501上，该扭矩接收元件501弹性地支承在例如风力涡轮机100的机器机舱103的底板处。
图6是根据典型实施例的布置在风力涡轮机100的齿轮箱110内的两级行星传动器的纵截面图。转子轴112用作用于两级行星传动器的容纳件。如本文在上面参照图5所示出的那样，行星传动器503，504的两个级，即第一级行星传动器503和第二级行星传动器504的相应的外环齿轮205借助于扭矩接收元件501来固定，从而使得相应的外环齿轮205不旋转。
旋转部件包括行星齿轮支承件206(第一级)和第二级行星齿轮支承件603。
因此，第一级的与行星齿轮203啮合的太阳齿轮204被驱动，从而使得第一级行星传动器503的输出转速高于施加在第一级的行星齿轮支承件206处的输入转速。第二级行星传动器504的与第二级的第二级行星齿轮601啮合的第二级太阳齿轮602被驱动，从而使得第二级行星传动器504的输出转速大于施加在第二级行星齿轮支承件603处的输入转速。
图7是根据另一个典型实施例的布置在风力涡轮机100的齿轮箱110内的三级行星传动器的侧面截面图。转子轴112用作用于三级行星传动器的容纳件。行星传动器503、504和505的三个级，即第一级行星传动器503、第二级行星传动器504以及第三级行星传动器505的相应的外环齿轮205借助于扭矩接收元件501来固定，从而使得相应的外环齿轮205不旋转。旋转部件包括行星齿轮支承件206(第一级)、第二级行星齿轮支承件603以及第三级行星齿轮支承件703。
因此第一级的与行星齿轮203啮合的太阳齿轮204被驱动，从而使得第一级行星传动器503的输出转速大于施加在行星齿轮支承件206处的输入转速。第二级行星传动器504的与第二级的第二级行星齿轮601啮合的第二级太阳齿轮602被驱动，从而使得第二级行星传动器504的输出转速大于施加在第二级行星齿轮支承件603处的输入转速。此外，第三级行星传动器505的与第三级的第三级行星齿轮701啮合的第三级太阳齿轮702被驱动，从而使得第三级行星传动器505的输出转速大于施加在第三级行星齿轮支承件703处的输入转速。
这里要注意，虽然未在图6和7以及相关联的描述中详细叙述，但是单个第一级、第二级以及第三级行星传动器503、504和505的运行和构件彼此相似。
如可从图6中看到的那样，仅设置了两个转子轴轴承502(要注意，图6和7中的空心圆表示轴承，例如滚子轴承)，以便可旋转地保持转子轴112，并且根据典型实施例，还使转子轴112与风力涡轮机100的包括轮毂104和至少一个转子叶片101的转子保持在一起。
因此，形成风力涡轮机的齿轮箱110的第一级行星传动器503和第二级行星传动器504接收在转子轴112的内腔即转子轴腔115(见上文)内，该转子轴112在风力涡轮机的转子的第一转速下，即在输入转速301下旋转。
根据典型实施例的结合的传动系基于具有充分的弯曲刚度的大尺寸薄壁式空心转子轴112，其中，多级行星传动器容纳在转子轴112内。典型地，转子轴具有两个轴承。一方面，转子轴是风载荷承载设计元件，而另一方面，转子轴112用作行星架。
行星传动器的级可从转子侧装配到空心轴中，或者如果更适当的话，第一和可能地(eventually)另外行星传动器可从转子侧装配，而随后的行星传动器可从发电机侧装配。内部齿轮扭矩支承结构连接到外部扭矩臂上，例如位于发电机侧转子轴安装件之后的扭矩接收元件501。
此外，内齿轮结构和扭矩臂形成为单个结构元件是可行的。通过将整个多级行星传动器安装在内部中即安装在转子轴112的转子轴腔115中，可行的是，减小风力涡轮机100的传动系的长度和重量并且因此减小风力涡轮机100的机器机舱103的长度和重量。
这些优点导致对于机器机舱103的更低的生产成本和潜在地更低的装配成本。此外，可省略转子轴112和齿轮箱110之间的联接件。转子轴112用作对于两级行星传动器(图6)或三级行星传动器(图7)的固定罩壳。
图8是示出用于将在第一转速下的第一扭矩转换成在第二转速下的第二扭矩的方法的流程图。在步骤S1处，开始程序。然后程序前进到步骤S2，在步骤S2处，设置了空心齿轮箱低速轴。在步骤S3处，对空心齿轮箱低速轴施加第一扭矩。然后，程序前进到步骤S4，在步骤S4处，第一转速被转换成第二转速。此转换由布置在空心齿轮箱低速轴内的传输单元执行。
在随后的步骤S5中，第二扭矩(在第二转速下)通过齿轮箱高速轴传递。程序在步骤S6处结束。
除了风力涡轮机之外，根据典型实施例的齿轮箱还可用于其它系统中，例如其中输入转速高于输出转速的机械传动系统。在这种情况下，齿轮箱的输出和输入轴互换，即输入扭矩(在高转速下)在高速处施加，而在低转速下的输出扭矩在低速处提供为输出。
风力涡轮机100的齿轮箱110可典型地布置在风力涡轮机100的机器机舱103内，机器机舱可旋转地安装在风力涡轮机塔架102的顶部。因为机器机舱103关于来风方向105旋转，所以机器机舱103的重量和大小是风力涡轮机设计方面的问题。根据至少一个典型实施例，机器机舱103的这种重量和大小可通过使用空心齿轮箱输入轴201而减小，空心齿轮箱输入轴201的内腔115至少部分地容纳传输单元。
由容纳在机器机舱103内的齿轮箱110所消耗的安装空间可减少，从而使得可获得在轴向上缩短的传动系。此外，可减小传动系的整个重量。
使用根据至少一个典型实施例的齿轮箱装置，可减小风力涡轮机100的传动系的轴向伸展，因为传输单元的至少一部分可容纳在输入轴内。
与风力涡轮机100的齿轮箱110相关的另一个问题是装配成本。可减小这些成本，因为减小了构件的重量且减少了构件的数量。此外，可在风力涡轮机100的使用寿命期间更换齿轮箱110。因此减小了对于维护和传动系更换的成本。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践所描述的主题，包括实施和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。虽然在前述内容中已公开了各种具体实施例，但是本领域的技术人员将认识到，权利要求书的精神和范围允许同等有效的修改。特别地，上面所述的实施例的相互非排它性特征可彼此结合。可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括这种修改和本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种齿轮箱装置，其适于将在第一转速(301)下的第一扭矩(302)转换成在第二转速(401)下的第二扭矩(402)，所述齿轮箱装置包括：
空心齿轮箱输入轴(201)，其适于输入所述第一扭矩(302)；
传输单元，其至少部分地布置在所述空心齿轮箱输入轴(201)内，并且适于将所述第一转速(301)转换成所述第二转速(401)；以及，
齿轮箱输出轴(202)，其适于输出所述第二扭矩(402)。
2.根据权利要求1所述的齿轮箱装置，其特征在于，所述传输单元包括至少一个行星传动器(200)。
3.根据权利要求1或2所述的齿轮箱装置，其特征在于，所述传输单元包括接合到彼此中的至少两个传输级。
4.根据前述权利要求中任一项所述的齿轮箱装置，其特征在于，所述传输单元包括多级行星传动器(200)和/或螺旋传动器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的齿轮箱装置，其特征在于，所述行星传动器(200)包括：
外环齿轮(205)，其具有其向内指向的齿；
太阳齿轮(204)，其适于提供所述输出扭矩；以及，
行星架(208)，其具有至少一个行星齿轮(203)，所述至少一个行星齿轮(203)适于与所述外环齿轮(205)和所述太阳齿轮(204)啮合，其中
所述外环齿轮(205)和所述行星架(208)中的至少一个适于由所述输入扭矩(302)驱动。
6.根据权利要求5所述的齿轮箱装置，其特征在于，所述齿轮箱装置还包括适于接收施加在所述行星架(208)或所述外环齿轮(205)中的一个处的扭矩的固定的扭矩接收元件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的齿轮箱装置，其特征在于，设置了至少两个轴承(502)，以用于在沿着所述空心齿轮箱输入轴(201)的长度的至少两个轴向位置处支承所述空心齿轮箱输入轴(201)。
8.一种齿轮箱装置，其适于将在低转速下的第一扭矩(302)转换成在高转速下的第二扭矩(402)，所述齿轮箱装置包括：
低速输入轴(201)，其具有内腔，并且适于输入所述第一扭矩(302)；
至少一个行星传动器(200)，其适于将所述低转速转换成所述高转速，并且适于至少部分地安装到所述低速输入轴(201)的内腔中；以及，
高速输出轴(202)，其适于输出所述第二扭矩(402)。
9.根据权利要求8所述的齿轮箱装置，其特征在于，所述行星传动器(200)包括：
外环齿轮(205)，其具有向内指向的齿；
太阳齿轮(204)，其适于提供所述输出扭矩；以及，
行星架(208)，其具有至少一个行星齿轮(203)，并且适于由所述输入扭矩驱动，所述至少一个行星齿轮(203)适于与所述外环齿轮(205)和所述太阳齿轮(204)啮合。
10.根据权利要求8或9所述的齿轮箱装置，其特征在于，设置了至少两个轴承(502)，以用于在沿着所述低速输入轴(201)的长度的至少两个轴向位置处支承所述低速输入轴(201)。
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