CN102459951A - 风力涡轮机用带挠性销的行星齿轮的阻尼 - Google Patents

Abstract

齿轮组件包括挠性销(13)，该挠性销(13)在一端处安装到行星架(9)上并由该行星架支撑。管状套筒(19)绕挠性销(13)同轴地延伸并在所述管状套筒(19)和所述挠性销(13)之间提供偏转空间(7)。所述挠性销(13)在操作载荷下移动、弯曲或偏转。阻尼元件至少部分地容纳在所述偏转空间(7)内并至少部分地环绕所述挠性销(13)。

Description

风力涡轮机用带挠性销的行星齿轮的阻尼

技术领域

本发明大体涉及齿轮系统，并且更具体地，涉及行星齿轮系统中的挠性销的阻尼。

背景技术

齿轮元件的悬臂支撑的具体形式包括与安装销同轴的套筒元件，所述安装销以套筒的外侧保持平行于系统轴线的方式偏转。这通常被称为“挠性销”。除平行偏转之外，这些装置具有设计的弹簧比率，以协助在多齿轮、功率分流系统包括行星系中均衡载荷。授予R.J.Hicks的美国专利3,303,713中所公开的发明在重型传动机构特别是当通过在周转构造中使用行星齿轮来增加功率密度时具有重要应用。

行星齿轮具有被压入行星齿轮组架的仅一个壁中的销。在销的自由端，环形套筒和轴承组件支撑齿轮，该齿轮在销的自由端上旋转。在载荷下，套筒和销中的反向弯曲力彼此抵消，使得在大范围扭矩内完全对准。这使得具有较高的扭矩容量的简单得多的齿轮设计成为可能。

除平行偏转之外，这些装置具有设计的弹簧比率，以协助在包括行星系统的多齿轮、功率分流系统中均衡载荷。增加的功率密度是通过在周转构造中使用三个或更多行星齿轮来实现的。这些系统通常使用正齿轮。正齿轮具有的形状是带有径向凸出的轮齿的圆柱，并且轮齿前缘平行于旋转轴线地对齐。这些齿轮装配在平行的轮轴上，因此它们能够正确地啮合。在斜齿轮中，轮齿的前缘不平行于旋转轴线，而是以一定角度设置，使得齿形是螺旋段。成角度的齿的接合比正齿轮齿的接合更平缓。这使得斜齿轮比正齿轮运行更平稳更安静。而且，斜齿轮的承载能力比正齿轮更高，因为轮齿载荷更均匀地分布在同时啮合的几个轮齿中，而在正齿轮中，单个轮齿在任何给定时间均承载大部分载荷。使用斜齿轮用于行星齿轮提供了更高的功率密度和更平稳的运转，但是斜齿轮在与切向载荷成90°的平面内产生倾覆力矩。上述挠性销还可以用于调节该倾覆力矩。

典型的行星齿轮组使用几根安装在行星架上的行星齿轮绕其旋转的实心刚性轴。行星齿轮组可以使用挠性销(具体地，斜齿轮用挠性销)代替实心刚性轴作为在系统中提供可控量的灵活性的装置。使行星齿轮齿保持对齐以及在多个行星齿轮中均匀地分布载荷，这是令人想要的。但是，将灵活性引入到系统中降低了其固有频率，这趋于加剧动态激励和共振的可能性，并且这反过来又增加了载荷。

为了解决现有系统中的动力学问题，增加挠性销的刚度以增大固有频率并超出工作范围，或使用控制系统来避免长期在接近潜在的共振条件下工作。在具有多种固有频率的复杂风力涡轮机齿轮箱中，这些现有选择变得不那么实际，特别是如果由于将灵活性(具体地，从挠性销)引入到系统而导致许多频率降低的情况。

因此，本发明的目的是通过将高阻尼度增加到系统中来提供动力学问题的解决办法。

发明内容

这个问题是通过包括在一端处安装在行星架上且由该行星架支撑的齿轮组件而解决的，其中管状套筒绕挠性销同轴地延伸并在所述管状套筒和所述挠性销之间提供偏转空间。所述挠性销在操作载荷下移动、弯曲或偏转。阻尼元件至少部分地容纳在所述偏转空间内并至少部分地环绕所述挠性销。

本发明在使用带有挠性销(挠性的销)的行星齿轮的齿轮箱中提供了相当大的阻尼。本发明使得在挠性销和环绕挠性销的套筒之间的空间中整合阻尼元件成为必要。本发明具有几个实施例：

1)诸如油的粘性流体容纳在挠性销和套筒之间的环或空间中，使得当挠性销移动时，粘性流体被迫围绕挠性销移动，所述挠性销带有或不带有用以对流动进行计量或将至少一部分粘性流体从一个贮存器分配或传送到另一个类似的贮存器或到减振器的孔口，或

2)弹性体环装配在挠性销上且接触套筒，使得当挠性销移动时，弹性体环压缩并提供阻尼和增加的刚度，或

3)诸如油的粘性流体完全容纳在销和套筒之间的腔室或壳式隔室中，使得当销移动时，流体被迫穿过可控的孔口或密封件。这是本发明的优选实施例。

就这一点而言，根据本发明的实施例，阻尼元件是布置在所述偏转空间内在所述挠性销和所述管状套筒之间的弹性体或摩擦弹簧，其中当挠性销偏转时，所述弹性体或摩擦弹簧压缩并提供阻尼以及增加的刚度。

根据替代实施例，阻尼元件是容纳在布置在偏转空间内在所述挠性销和所述管状套筒之间的至少一个腔室内的粘性流体，其中当挠性销移动、弯曲或偏转时，粘性流体被迫围绕所述挠性销(或在两个腔室之间)移动。

本发明的优势在于，通过增加阻尼，引入到系统中的任何潜在的激励能量被快速吸收，从而降低了动态载荷而且还防止了系统进入共振状态。

本发明的优势在于，它有助于防止齿轮箱过早失效且趋于降低动态驱动系叶片载荷。

本发明的优势在于，它有助于降低齿轮箱噪声。

本发明的优势还在于，它预先降低了驱动系中的动态载荷从而允许对机器进行更有效地设计且需要更少的材料来承受载荷，其结果是质量更低因此成本更低。

本发明的优势还在于，它最小化了非常昂贵的过早失效和机器可靠性降低的可能性。

本发明的优势进一步在于，它能够应用于重型传动机构，其中挠性销重量和成本降低再加上本发明能够用于斜齿轮以实现安静运转和进一步的重量和尺寸减小。

根据本发明的实施例，粘性流体完全被困在销和套筒之间的腔室中。阻尼是通过销在粘性流体内移动而实现的。

可替代地，分隔件设置在所述挠性销和所述套筒之间并将所述偏转空间划分成所述两个腔室，其中在所述两个腔室之间的所述分隔件在所述挠性销处提供孔口或缝隙，所述孔口或缝隙被构造成用以计量流量或将至少一部分粘性流体从一个腔室传送到另一个腔室。分隔件将在套筒的轴向长度上的偏转空间划分成两个近似半圆形的空间或腔室。在挠性销在操作载荷下移动、弯曲或偏转的情况下，粘性流体被在这两个腔室之间传送。

可替代地，两个腔室是由内壁、外壁以及挠性销和套筒之间的分隔壁所限定的在偏转空间内的壳式隔室，其中，所述分隔壁包括孔口，使得当挠性销移动时，粘性流体被迫穿过所述孔口从一个腔室到另一个腔室。

根据另一实施例，挠性销包括用以对至少一个容量供给粘性流体的通道。

根据进一步的实施例，轴承组件被压入行星齿轮。轴承组件可以是滚动元件轴承或流体膜轴承或可以包括圆锥滚子轴承。

附图说明

将参考附图详细地描述本发明，其中：

图1是示例性地实施本发明的风力涡轮机的齿轮传动机构的一部分的截面图；

图2A和2B是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的齿轮组件的图示，其中诸如油的粘性流体容纳在挠性销和套筒之间的环或空间中，该套筒可以包括用以在图1中所示的行星系统类型的齿轮传动机构的齿轮组件中提供阻尼的缝隙或孔口，其中，挠性销处于未偏转状态；

图3A和3B是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的齿轮组件的图示，其中诸如油的粘性流体容纳在挠性销和套筒之间的环或空间中，该套筒可以包括用以在图1中所示的齿轮传动机构中提供阻尼的缝隙或孔口，其中，挠性销处于偏转状态；

图4是控制缝隙大小以计量流量或两个腔室之间传送至少一部分粘性流体的详图；

图5A和5B是包括用以在图1中的齿轮传动机构中提供阻尼的弹性体环或摩擦弹簧的齿轮组件的图示，其中，挠性销处于未偏转状态(图5A)和偏转状态(图5B)；

图6A和6B是根据本发明的进一步的实施例的齿轮组件的图示，该齿轮组件包括用以在图1中的齿轮传动机构中提供阻尼的粘性流体贮存器，其中，挠性销处于未偏转状态；

图7A和7B是根据本发明的进一步的实施例的齿轮组件的图示，该齿轮组件包括用以在图1中的齿轮传动机构中提供阻尼的粘性流体贮存器，其中，挠性销处于偏转状态；以及

图8是允许流体在两个腔室或壳式隔室之间流动的孔口的详图。

具体实施方式

风力涡轮机是将风能转换成电能的旋转机器。转子叶片连接至齿轮传动机构或齿轮箱，其使叶片的缓慢旋转变成更适于驱动发电机的较快的旋转。齿轮箱使用周转传动装置(行星传动装置)来逐步加快转子叶片的旋转以驱动若干发电机。图1中示出了系统的基本部件。

就图1以及图2A和2B而言，风力涡轮机安装在塔架1的顶上。风动转子叶片4、5、6使转子毂8旋转，该转子毂使主轴10旋转。主轴10驱动包括周转齿轮单元的齿轮传动机构驱动系11。周转齿轮单元包括设置有多个弹性销或挠性销13的行星架9，所述多个弹性销或挠性销的一端安装到行星架9上并由行星架9支撑。管状套筒19安装在挠性销13的自由端2上并且阻尼元件容纳在挠性销13和管状套筒19之间。管状套筒19在挠性销13和管状套筒19之间具有空间7的情况下绕挠性销13同轴地延伸，其中空间7可以是环状空间7。挠性销13可以在挠性销13不接触套筒13的(内)表面的情况下在环状空间7内移动。空间7代表允许挠性销(挠性的销)13在操作载荷下移动和弯曲的偏转空间7。套筒19可以承载轴承和行星小齿轮或行星齿轮12，该行星小齿轮或行星齿轮与环状齿轮和太阳小齿轮接合。

周转齿轮单元的齿轮驱动发电机。周转齿轮单元或系统包括三个或更多周向地隔开的行星齿轮轴。周转齿轮系统进一步包括环齿轮、安装在行星齿轮轴上的多个行星齿轮、太阳齿轮、以及行星架9。行星架9保持三个或更多周边行星齿轮，未在附图中示出。周转齿轮单元的齿轮提供连接至通过转子轴10的旋转而驱动的发电机的输出端。

轴承组件被压入行星齿轮12中。轴承组件可以包括滚动元件轴承或流体膜轴承。在这个具体实施例中，如图中所示，使用了圆锥滚子轴承17、18。

在挠性销13的自由端2处，管状套筒19和轴承组件17、18支撑每个齿轮轴上的齿轮，如图1中所示。在载荷下，套筒19和挠性销13内的反向弯曲力彼此抵消，使得在大范围扭矩内完全对准。这使得简单得多的齿轮设计和增加的扭矩容量成为可能。

在第一实施例中，如图2-4中所示，诸如油的粘性流体通过挠性的销或挠性销13和套筒19之间的环25、26容纳在偏转空间7中，使得当挠性销13移动时，粘性流体被迫围绕挠性销13移动，所述挠性销带有或不带有用以产生孔口或缝隙23(图4)以计量流量或将至少一部分粘性流体从第一贮存器31传送到第二贮存器32或到减振器的分隔件。

图2A和图2B是其中挠性销处于未偏转状态的图示。粘性流体在第一贮存器31的腔室25和第二贮存器32的腔室26中。

参照图4，图4是控制缝隙尺寸以对流动进行计量或在两个腔室25、26(第一和第二贮存器31，32)之间传送至少一部分粘性流体的详图。两个腔室25、26之间的分隔件29在挠性销处提供了其尺寸用以计量流量或将至少一部分粘性流体从一个腔室传送到另一个腔室的孔口或缝隙23。分隔件29可以是用以在挠性销13处提供缝隙23的独立件或管状套筒19的一体部分(如图4中所示)，或可替代地，分隔件29可以是用以在管状套筒19处提供缝隙23的挠性销13的一体部分。

参照图3A和3B，图3A和3B是其中图2A和2B中所示出的挠性销13处于偏转状态的图示。当挠性销13移动时，粘性流体起到阻尼器的作用，粘性流体通过粘滞摩擦抵抗移动。产生的力沿与挠性销13的移动相反的方向作用，从而减慢移动并吸收能量。可以存在于两个腔室25、26之间的分隔件29形成缝隙23，可对缝隙23的大小进行控制以计量两个腔室25、26之间的流动。

就图2A和3A而言，挠性销13包括用以对偏转空间7供给粘性流体的通道14。通道14包括两段，其中第一段部分地布置在大约挠性销13的中心处而第二段沿偏转空间7的方向径向延伸以便对腔室25、26中的至少一个供给粘性流体。

虽然使用的齿轮箱油是VG 320合成齿轮油，但是齿轮箱油可以是任何油或粘性流体。齿轮箱油可以具有任何粘度等级或添加剂包或矿物油，它们将以同样的方式工作。

流体可以保持在密封的腔室内，或如果密封的腔室是有漏洞的腔室，可能需要重新装满油并将油不断地泵送至腔室内以维持压力并弥补泄漏。因为油很容易流出管状套筒19的大开口端，所以需要密封件20。活塞环或迷宫式密封件或诸如O型环的弹性体密封件允许挠性销13工作所必需的挠性销13和套筒19的移动，然而维持一定程度的密封以允许粘性流体或油填充腔室25、26。粘性流体或油以可控的量围绕活塞密封件泄漏是允许的。油还将穿过套筒19中的小孔漏出以将油喷到套筒外侧的轴承滚子18上。活塞环式密封件是紧密地装配(但允许移动)在挠性销13和套筒19两者上的凹槽中的钢环。活塞环式密封件内置于套筒19或挠性销13内，即，该活塞环式密封件通过对其一侧简单地进行机加工而在另一侧上具有匹配凹槽而集成到该部件上。

根据图5-6中所示的另一实施例，弹性体环34安装在挠性销13上且接触套筒19，使得当挠性销(按设计)移动时，弹性体环34压缩并提供阻尼以及增加的刚度。可替代地，可以使用摩擦弹簧并将其安装在挠性销13上。挠性销图示为处于未偏转状态(图5A)和偏转状态(图5B)。

根据图6-8中所示的进一步的实施例，诸如油的粘性流体通过内壁46和外壁48完全地容纳在挠性销13和套筒19之间的腔室40、42中，使得当挠性销13移动时，粘性流体被迫穿过容腔的壁中的可控孔口或密封件44。这是本发明的优选实施例。

参照图6A和6B，图6A和6B是带有用以在图1中的行星系统中提供阻尼的粘性流体贮存器的挠性销13的图示，其中挠性销13处于未偏转状态。图7A和7B示出了向上偏转的挠性销13和压缩的腔室40。

在这个实施例中，贮存器实际上是在挠性销13的一侧上的相对于另一腔室42的控制腔室40。然而，所述贮存器可以是完全独立的贮存器，但是那样会增加复杂性和成本。所述贮存器可以简单地就是围绕粘性流体移动的挠性销13或它可以在挠性销13或套筒19或独立分隔件上具有特征件以更好地隔离腔室(即，控制孔口/流动阻力以及从一个腔室到另一个腔室的阻尼)。需要活塞环式密封件来控制或限制轴向泄漏。其目的是维持粘性流体充满腔室，因此活塞环式密封件可以泄漏，但是它泄漏得越多，需要泵送入的流体也越多。

参照图8，图8是允许流体在两个腔室40和42之间流动的孔口44的详图。当挠性销13向上偏转时，腔室40中的粘性流体被压缩并被迫沿箭头方向流入腔室42。

就图5A、5B、6A、6B和7A中所示的实施例而言，挠性销13还可以包括通道以对偏转空间7和/或腔室40、42中的至少一个供给粘性流体。那个通道的形状可以类似于图2A、2B中所示的实施例的形状。

本领域的技术人员应当理解，尽管参考风流动力源或水流动力源来驱动发电机发电对本发明进行了描述，但是也可以利用其它动力源来向主轴传递扭矩。另外，还参考通过所公开的多级传动机构装置驱动的发电对本发明进行了描述。本领域的技术人员应当理解，任何旋转的一个装置或多个装置可以由传动机构驱动。动力源和由传动机构驱动的各自的适当的旋转装置包括但不限于(1)化石燃料，诸如柴油马达发电机组和燃气涡轮机；(2)核燃料，诸如核电厂用蒸汽涡轮机；(3)太阳能；(4)生物能源技术，诸如利用可再生植物材料、动物粪便和工业废物；(5)热能；(6)汽车能源，诸如电动汽车；(7)隧道掘进设备；(8)采矿设备；(9)微涡轮，诸如那些使用天然气、垃圾填埋场产生的气体或沼气的微涡轮；(10)船舶驱动装置；以及(11)其它低速驱动的重型设备，诸如旋转式水泥搅拌机和推土设备。同样地，发电机的角色可以由诸如马达的原动机代替，以产生减速齿轮箱以驱动需要高扭矩和慢速的机器。

虽然已参考本发明的优选实施例对本发明进行了具体的展示和描述，但本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可对本发明的形式和细节做出前述和其它修改。

本发明涉及包括其一端安装在管状套筒19内的挠性销13的齿轮组件，其中销在操作载荷下弯曲。阻尼元件至少部分地容纳在所述套筒19和所述销13之间的空间内并环绕所述销。

根据一个实施例，阻尼元件是容纳在销和套筒之间的粘性流体，使得当销偏转时，流体被迫围绕销移动，所述销带有或不带有用以计量从一个贮存器25到另一个类似的贮存器26的流动的孔口。

根据进一步的实施例，阻尼元件是装配在挠性销13上且接触套筒19的弹性体环34，使得当挠性销偏转时，弹性体环压缩并提供阻尼以及增加的刚度。

根据另一实施例，阻尼元件是容纳在销13和套筒19之间的腔室40、42内的粘性流体，使得当销移动时，液体被迫穿过孔口44从一个腔室40到另一个腔室42。

Claims (8)

1.一种齿轮组件，所述齿轮组件包括挠性销(13)，所述挠性销(13)在一端处安装至行星架(9)并由所述行星架(9)支撑，其中，

管状套筒(19)绕所述挠性销(13)同轴地延伸并提供所述管状套筒(19)和所述挠性销(13)之间的偏转空间(7)，

所述挠性销(13)在操作载荷下移动、弯曲或偏转，并且

阻尼元件至少部分地容纳在所述偏转空间(7)内并且至少部分地环绕所述挠性销(13)。

2.根据权利要求1所述的齿轮组件，其中，所述阻尼元件是布置在所述挠性销(13)和所述管状套筒(19)之间所述偏转空间(7)内的弹性体或摩擦弹簧，其中，当所述挠性销(13)偏转时，所述弹性体或摩擦弹簧压缩并提供阻尼以及增加的刚度。

3.根据权利要求1所述的齿轮组件，其中，所述阻尼元件是容纳在至少一个腔室(25，26；31，32；40，42)内的粘性流体，所述至少一个腔室(25，26；31，32；40，42)布置在所述挠性销(13)和所述管状套筒(19)之间所述偏转空间(7)内，其中，当所述挠性销(13)移动、弯曲或偏转时，迫使所述粘性流体围绕所述挠性销(13)移动。

4.根据权利要求3所述的齿轮组件，其中，分隔件(29)设置在所述挠性销(13)和所述套筒(19)之间并将所述偏转空间(7)划分成至少两个腔室(25，26)，其中，在所述两个腔室(25，26)之间的所述分隔件(29)提供所述挠性销(13)处的孔口或缝隙(23)，所述孔口或缝隙(23)构造成对流动进行计量或将至少一部分粘性流体从一个腔室传送到另一个腔室。

5.根据权利要求4所述的齿轮组件，其中，所述两个腔室(40，42)是由内壁(46)、外壁(48)和在所述挠性销(13)和所述套筒(19)之间所述偏转空间(7)内的分隔壁(50)所限定的壳式隔室，其中，所述分隔壁(50)包括孔口(44)，使得当所述挠性销(13)移动时，迫使所述粘性流体从一个腔室(40)穿过所述孔口(44)到达另一个腔室(42)。

6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的齿轮组件，其中，所述挠性销(13)包括通道(14)，用于对所述至少一个腔室(25，26；31，32；40，42)供给粘性流体。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的齿轮组件，其中，轴承组件(17，18)被压入所述行星齿轮(12)中。

8.根据权利要求7所述的齿轮组件，其中，所述轴承组件是滚动元件轴承或流体膜轴承，或者包括圆锥滚子轴承(17，18)。

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