CN102374135A - 齿轮箱支承系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及齿轮箱支承系统。提供了一种包括恒力支承机构(12)的旋转式机器(10)。该旋转式机器(10)包括转子(16)、联接到转子(16)上的输入轴(18)、联接到输入轴(18)上的齿轮箱(20)，以及联接到齿轮箱(20)上的至少一个悬臂式构件。该旋转式机器(10)进一步包括联接到齿轮箱(20)、该至少一个悬臂式构件中的至少一个上的恒力支承机构(12)。

Description

齿轮箱支承系统
技术领域
本发明大体涉及齿轮箱支承系统，并且特定而言，涉及用于通过确保下风向轴承载荷处于可接受的极限内来防止齿轮箱中的齿轮的失准的支承系统。
背景技术
在传统的风力涡轮机中，齿轮系包括由输入轴驱动的行星齿轮箱，输入轴由于作用在多个转子叶片上的风载荷而旋转。齿轮系用来驱动一般以悬臂的方式连接到齿轮箱上的发电机。转子一般对齿轮箱提供低速高转矩输入。齿轮箱对发电机提供高速低转矩输出。
齿轮箱和附连的悬臂式发电机可重达许多吨。齿轮箱和发电机的载荷导致在行星齿轮系上的载荷。这种载荷一般称为齿轮箱内齿轮载荷或简单地称为齿轮箱载荷。在风力涡轮机的运行期间，齿轮箱载荷在本质上可为动态的。齿轮箱载荷导致齿轮箱的竖向偏转，这又导致齿轮齿失准且因此导致减少的齿轮箱寿命。因此支承齿轮箱以减少齿轮箱的偏转是合乎需要的。
在传统上，齿轮箱由输入轴和转矩臂支承。转矩臂使用抑制动态载荷的相对软的弹性体交接部来将齿轮箱外壳连接到座板上。转矩臂可设置成使得臂的中心线通过上风向齿轮箱轴承。这是因为在更下风向提供转矩臂一般会增加齿轮箱内齿轮载荷。
具有这样的适当的齿轮箱支承机构是合乎需要的：该齿轮箱支承机构可在各种极端加载事件下并且还针对动态载荷来支承齿轮箱的悬臂式载荷。
发明内容
根据本文中公开的一个示例性实施例，提供了一种包括恒力支承机构的旋转式机器。该旋转式机器包括转子、联接到转子上的输入轴、联接到输入轴上的齿轮箱，以及联接到齿轮箱上的至少一个悬臂式构件。该旋转式机器进一步包括联接到齿轮箱、该至少一个悬臂式构件中的至少一个上的恒力支承机构。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的符号在全部图中表示相同的部件，其中：
图1是根据本文中公开的一个示例性实施例的联接到风力涡轮机的齿轮箱外壳上的恒力支承机构的图示；
图2是根据图1的实施例的恒力支承机构的图示；
图3是根据图1的实施例的作用在输入轴上的风载荷、由恒力支承机构、发电机和齿轮箱施加的力的图示；
图4是根据本文中公开的一个示例性实施例的联接到风力涡轮机的发电机上的恒力支承机构的图示；以及
图5是根据图4的实施例的作用在输入轴上的风载荷、由恒力支承机构、发电机和齿轮箱施加的力的图示。
特定实施方式
如下面详细地论述的那样，本发明的实施例提供了用于旋转式机器的齿轮箱支承系统。在一个实施例中，旋转式机器为风力涡轮机。但是本发明可以许多不同的形式体现，而不应当被看作限于本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例来使得本公开将为完整和完全的，并且将完整地将本发明的范围传达给本领域技术人员。在一个示例性实施例中，提供了用以支承齿轮箱的恒力支承机构。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的风力涡轮机10的示意图。风力涡轮机10包括恒力支承机构12、座板14、转子16、输入轴18、齿轮箱20(一般称为初级齿轮箱)和发电机22。转子16、输入轴18、齿轮箱20和发电机22支承在座板14上。转子16通过输入轴18联接到齿轮箱20上。输入轴18通过多个主轴承23来支承。齿轮箱20通过输出轴(未显示)联接到发电机22上。齿轮箱20典型地用来传递和提高通向发电机22的输出轴的速度。转子16响应于越过风力涡轮机10的风而旋转。转子16的旋转运动通过输入轴18、齿轮箱20和输出轴传递给发电机22。发电机22构造成产生功率。
根据本发明的一个实施例，齿轮箱20通过紧固件或任何其它适当的紧固手段来直接连接到发电机22上。根据本发明的其它实施例，次级齿轮箱25可部署在齿轮箱20和发电机22之间。次级齿轮箱25可用来进一步提高通向发电机22的输出轴的速度。将理解，风力涡轮机10可包括任何数量的齿轮箱和发电机。
根据本发明的一个示例性实施例，齿轮箱20包括具有设置在托架26内的太阳齿轮和多个行星齿轮的齿轮系24。托架26设置在外壳28的内部，并且联接到输入轴18上。典型地，根据需要，风力涡轮机10可部署各种类型的齿轮箱。将理解，本发明不受在风力涡轮机10中使用的齿轮箱20的类型限制。托架26由多个下风向齿轮箱轴承30和多个上风向齿轮箱轴承32支承。壳体28包括外表面29，外表面29包括上部31和下部33。
风力涡轮机10的构造是一个示例性实施例，而不应当以任何方式理解为限制本发明的范围。次级齿轮箱25和发电机22可称为联接到齿轮箱20上的悬臂式构件。悬臂式构件大体增设在齿轮箱20的下游(远离转子16的侧部)。将理解，其它悬臂式构件可或者直接地或者通过现有的悬臂式构件(次级齿轮箱25和发电机22)联接到齿轮箱20上。而且，即便本文中描述了风力涡轮机，但是下面论述的恒力支承机构12也适用于具有齿轮箱系统的其它应用。
发电机22和齿轮箱20的载荷是作用在齿轮系24上的齿轮箱载荷的主要贡献者。在变化的风载荷工况下，齿轮箱载荷在本质上可为动态的。结合图3进一步阐述了此现象。齿轮箱载荷导致齿轮箱20的竖向偏转。该偏转导致齿轮齿失准，这导致减少的齿轮箱寿命。下风向齿轮箱轴承30和上风向齿轮箱轴承32用来支承托架26。本文中应当注意，作用在下风向齿轮箱轴承30上的竖向载荷表示齿轮箱20的偏转和引起的齿轮齿失准。齿轮箱20的竖向偏转越大，则在下风向齿轮箱轴承30上的竖向载荷越大。通过使下风向齿轮箱轴承30载荷保持在特定极限内，可确保齿轮箱20的竖向偏转处于对应的特定极限内，以及因此防止齿轮的失准或使齿轮的失准处于可接受的极限内。
本文中描述的本发明的实施例在下面公开了这样的机构：该机构用以通过支承齿轮箱20和减少在下风向齿轮箱轴承上的载荷使得作用在下风向齿轮箱轴承30上的竖向载荷保持在特定极限内，来减少齿轮箱20的偏转。在示出的实施例中，恒力支承机构12逆着向下作用的齿轮箱载荷向上推外壳28，并且因此使作用在下风向齿轮箱轴承30和上风向齿轮箱轴承32上的载荷保持在特定极限内。在一个特定的示例性实施例中，齿轮箱20和发电机22的合成载荷为290000牛顿，并且使作用在下风向齿轮箱轴承30上的竖向载荷保持在158000牛顿内以便使竖向齿轮箱和引起的齿轮失准保持在可接受的极限内是合乎需要的。
图2详细地示出了根据本发明的一个示例性实施例的恒力机构12。在一个实施例中，恒力支承机构12为预先张紧的金属螺旋弹簧或用作螺旋弹簧的预先张紧的盘绕的金属部件。根据该实施例，恒力支承机构12包括缠绕在轴36(在图2中仅显示了轴36的中心线)的周围的第一部分34。轴36联接到座板14上。恒力支承机构12进一步包括第二部分38，第二部分38包括端部40。
参照图1和图2两者，恒力支承机构12的端部40联接到齿轮箱外壳28的紧邻下风向齿轮箱轴承30的下部上。恒力支承机构12构造成通过支承齿轮箱20和使作用在下风向齿轮箱轴承30上的竖向载荷保持在特定极限内来减少齿轮箱20的偏转。在示出的实施例中，恒力支承机构12逆着向下作用的齿轮箱载荷向上推外壳28，并且因而使作用在下风向齿轮箱轴承30和上风向齿轮箱轴承32上的载荷保持在特定极限内。在一个特定的示例性实施例中，齿轮箱20和发电机22的合成载荷为290000牛顿，并且将作用在下风向齿轮箱轴承30上的竖向载荷保持在158000牛顿内以便使齿轮箱的竖向偏转保持在可接受的极限内是合乎需要的。恒力支承机构12构造成逆着向下作用的齿轮箱载荷向上提供恒定的力。应当注意，任何额外的悬臂式构件可以悬臂的方式连接到齿轮箱20上。这样的额外的悬臂式构件也将助长在齿轮系24上的载荷，并且随后助长齿轮箱20中的轴承30、32上的载荷。将恒力支承机构12设计成逆着所有这种载荷来支承轴承30、32是显而易见的。
由于发电机22载荷W1和齿轮箱20载荷W2的原因，恒力支承机构12的端部40会压缩经过距离D，如图2中示出的那样。压缩的距离通常取决于弹簧的硬度、W1和W2的幅度，并且还取决于作用在转子16上的风载荷W3和M3。响应于该压缩，恒力支承机构12会对齿轮箱外壳28向上施加恒定的力R，即该力独立于距离D。该力会减小下风向齿轮箱轴承30载荷，使得齿轮箱20的偏转和引起的齿轮失准处于可接受的极限内。
图3是根据图1的实施例的作用在输入轴18上的风载荷、由恒力支承机构12、发电机22和齿轮箱20施加的力的图示。具有分力W3和力矩分量M3的风载荷导致输入轴18旋转角φ。主轴承23用作输入轴18的旋转支点。发电机22载荷(表示为W1)和齿轮箱20载荷(表示为W2)沿重力方向作用在输入轴18上。载荷W1和W2在本质上是恒定的。但是，改变的风载荷工况会导致由于输入轴18的旋转而产生的角φ(phi)的变化，如图3中所示出的那样。该变化导致动态的齿轮箱载荷。在示出的实施例中，恒力支承机构12位于齿轮箱20下面，并且在紧邻下风向齿轮箱轴承30的位置处联接到齿轮箱外壳28上。载荷W1和W2导致恒力支承机构12的端部40向下压缩。恒力支承机构12沿图3中示出的方向提供恒定的力R来抵抗端部40的任何向下的运动。力R会减小在下风向齿轮箱轴承30上的载荷，并且确保载荷处于预先确定的极限内。在一个特定实施例中，恒力支承机构12施加268000N的恒定的力。在该特定实施例中，在下风向齿轮箱轴承30上的载荷保持在158000牛顿内以确保齿轮箱20的竖向偏转和引起的齿轮失准处于可接受的极限内是合乎需要的。当在图3中示出的构造中使用施加268000牛顿的恒定的力的恒力支承机构12时，恒力支承机构12会将在下风向齿轮箱轴承30上的载荷从289651牛顿(在不具有恒力机构的情况下在下风向齿轮箱轴承30上的载荷)减小到699牛顿。
图4示出了本发明的另一个示例性实施例。如图中示出的那样，恒力支承机构12将发电机22联接到座板14上。恒力支承机构12的端部40联接到发电机22的下部上。在风力涡轮机10的运行期间，发电机载荷(由W1表示)和齿轮箱载荷(由W2表示)导致发电机22的向下运动，这又会向下压缩恒力支承机构12的端部40。恒力支承机构12向上提供恒定的力R来抵抗端部40的任何向下的运动。
图5是根据图4的实施例的作用在输入轴18上的风载荷、由恒力支承机构12、发电机22和齿轮箱20施加的力的图示。具有分力W3和力矩分量M3的风载荷导致输入轴18旋转角φ。风载荷可具有三维分力和三维力矩分量。主轴承23用作输入轴18的旋转支点。发电机22载荷(表示为W1)和齿轮箱20载荷(表示为W2)沿重力的方向作用在输入轴18上。在示出的实施例中，恒力机构12位于齿轮箱20的下面，并且联接到发电机22的下部上。恒力机构12响应于端部40的向下的运动而对发电机向上施加恒定的力。恒力支承机构12逆着发电机22的载荷W1和齿轮箱20的载荷W2支承下风向齿轮箱轴承30和上风向齿轮箱轴承32。载荷W1和W2在本质上是恒定的。但是，改变的风载荷工况导致由于输入轴18的旋转而产生的角φ(phi)的变化，如图3中示出的那样。该变化导致动态的齿轮箱载荷。应当注意，除了发电机22之外，任何额外的硬件可以悬臂的方式连接到齿轮箱20上。这样的额外的硬件也将助长齿轮箱载荷，并且随后助长齿轮箱20中的轴承30、32上的载荷。将恒力支承机构12设计成逆着所有这种载荷支承轴承30、32是显而易见的。
图4中的实施例的恒力支承机构12可设计成与图1中示出的实施例的恒力支承机构12相比提供不同幅度的力。
在某些其它示例性实施例中，系统可包括两个恒力机构12。在一个实施例，一个恒力支承机构12可将齿轮箱20联接到座板14上，而另一个恒力支承机构12可将发电机22联接到座板14上。
恒力支承机构12支承齿轮箱，并且确保下风向齿轮箱轴承30载荷不超过预先确定的极限，从而确保齿轮箱的偏转不超过极限。恒力支承机构12防止齿轮系24中的齿轮的失准。
虽然在本文中已经示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此应当理解，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这种修改和改变。

Claims (10)

1.一种旋转式机器(10)，包括：
转子(16)；
联接到所述转子(16)上的输入轴(18)；
包括联接到所述输入轴(18)上的齿轮系(24)的齿轮箱(20)；
联接到所述齿轮箱(20)上且设置在所述齿轮箱(20)的下风向的至少一个悬臂式构件；以及
联接到所述齿轮箱(20)、所述至少一个悬臂式构件中的至少一个上的恒力支承机构(12)。
2.根据权利要求1所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述齿轮箱(20)包括外壳(28)；其中，所述恒力支承机构(12)联接到所述齿轮箱(20)的所述外壳(28)上。
3.根据权利要求2所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述恒力支承机构(12)联接到所述齿轮箱(20)的所述外壳(28)的外表面(29)的下部(31)上。
4.根据权利要求1所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述齿轮箱(20)进一步包括用以支承所述齿轮箱(20)的一对下风向齿轮箱轴承(30)和一对上风向齿轮轴承(32)，其中，所述恒力支承机构(12)联接到紧邻所述下风向齿轮箱轴承(30)的位置上。
5.根据权利要求4所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述齿轮箱(20)进一步包括用以支承所述齿轮箱(20)的一对下风向齿轮箱轴承(30)和一对上风向齿轮轴承(32)，其中，所述恒力支承机构(12)构造成使所述下风向齿轮箱轴承(30)上的载荷保持在预先规定的极限内。
6.根据权利要求5所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述齿轮箱(20)包括初级齿轮箱。
7.根据权利要求6所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述至少一个悬臂式构件包括次级齿轮箱(25)。
8.根据权利要求7所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述次级齿轮箱(25)通过所述恒力支承机构(12)联接到座板(14)上。
9.根据权利要求1所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述至少一个悬臂式构件包括发电机(22)，其中，所述齿轮箱(20)构造成将所述转子(16)的旋转运动传递给所述发电机(22)，以产生功率。
10.根据权利要求9所述的旋转式机器(10)，其特征在于，所述发电机(22)通过所述恒力支承机构(12)联接到座板(14)上。
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