CN107429671B - 包括行星齿轮系统的风轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括齿轮箱的风轮发电机，其中，所述齿轮箱包括行星齿轮系统，其中所述行星齿轮系统包括托架组件，其中所述托架组件包括支撑至少一个行星齿轮的托架，所述至少一个行星齿轮借助轴承能旋转地安装在轴上，其中所述轴固定在由所述托架限定的孔中。所述托架组件包括互锁装置以避免所述轴相对于所述孔的有角度移动。这提高了所述轴与所述托架的所述孔之间的联接的稳健性。

Description

包括行星齿轮系统的风轮机

技术领域

本发明涉及包括行星齿轮系统的风轮发电机，并且更特别地，涉及用于行星齿轮系统的托架组件，在此托架组件中，至少一个行星齿轮可旋转地安装至位于固定轴上的托架。

背景技术

风轮机通常包括具有被风驱动的大叶片的转子。叶片将风的动能转换成旋转机械能。此机械能通常驱动一个或者多个发电机以产生电力。因此，风轮机包括电力传输系统以将旋转机械能加工并转换成电能。

常常需要将风轮机转子的旋转速度增大至发电机所需的速度。这由位于风轮机转子与发电机之间的齿轮箱实现。因此，齿轮箱形成电力传输系统的一部分并且将来自风轮机转子的低速、高转矩输入转换成用于发电机的低转矩、高速输出。

齿轮箱通常包括一个或者多个行星齿轮系统，这些行星齿轮系统也被称作“周转”齿轮系统，并且这两个术语被认为是同义词。

如公知的，行星齿轮系统包括齿圈、太阳齿轮以及托架组件，此托架组件包括多个可旋转地安装至托架的行星齿轮。在行星齿轮系统的一个一般构造中，各个行星齿轮可旋转地安装至固定轴或者销，固定轴或者销自身被接纳在限定于托架中的孔中。轴承插设在行星齿轮与轴之间并且允许行星齿轮的顺畅旋转。重要的是，轴不在其孔中旋转，从而轴通常借助螺纹接合或者借助过盈配合固定在孔中。组装之前，可由轴与孔的差异热负载实现过盈配合。使用中经受高负载的行星齿轮系统中公知轴与孔之间的这两种类型的联接技术。例如，行星齿轮系统或者行星齿轮“组”常用在大型电站级风轮发电机的齿轮箱中，由于行星齿轮系统相对的紧致性以及对于由风轮发电机的转子产生的高转矩负载的适合性而特别作为多级齿轮箱中的第一级。

然而，高负载与由风轮发电机转矩并且由行星齿轮中观察到的振动特性引起的动态挠曲相结合可能造成与行星齿轮的轴与接纳这些轴的孔之间的联接有关的问题。例如，在借助螺栓固定在孔中的轴的情况下，螺栓容易遭受由高转矩负载与动态挠曲产生的剪力之害。这可能导致螺栓失效并且也导致对行星齿轮的继发性损害。另选地，在轴通过过盈配合接合在孔中的情况下，转矩负载可能导致轴在孔中有角度地移动，这可导致轴以及/或者孔的严重磨损或者摩擦磨蚀。

以此为背景设计了本发明。

发明内容

在一方面中，本发明的实施方式提供了一种包括齿轮箱的风轮发电机，其中，所述齿轮箱包括行星齿轮系统，其中所述行星齿轮系统包括托架组件，其中所述托架组件包括支撑至少一个行星齿轮的托架，所述至少一个行星齿轮借助轴承能旋转地安装在轴上，其中所述轴固定在由托架限定的孔中；并且其中托架组件包括互锁装置以防止轴相对于孔的有角度移动。

通过将轴互锁至托架的孔，防止轴在孔内有角度地移动从而避免过度磨损以及过早失效。

在一个实施方式中，互锁装置包括互锁元件，此互锁元件在分别由托架以及轴限定的相邻表面的一部分上延伸，并且其中，在一个实施方式中，所述互锁元件被接纳在互补成形的凹口中，该凹口由被托架以及轴限定的相邻表面的所述一部分限定。

在另一实施方式中，互锁元件可以安装至托架，其中互锁元件限定接合特征，此接合特征与由轴限定的互补特征互锁。互锁元件可以采取多种形式，但是在一个实施方式中，互锁元件在托架的一部分以及轴的一部分上延伸使得互锁元件将这两个部件有效锁定在一起以防止轴与孔之间的相对移动。互锁元件可以安装至托架，但是互锁元件也可以安装至轴。当安装至托架时，互锁元件的接合特征是其与轴重叠的重叠部分，其中轴的互补特征是限定在轴的端面中的凹口，此凹口匹配互锁元件的重叠部分。

互锁元件可以是有弹性的，使得互锁元件遵循托架与轴之间的阶梯式过渡。以此方式，互锁元件也抑制轴的轴向移动以及有角度移动。在此情况下，互锁元件可以具有弹性层，此弹性层遵循托架与轴之间的阶梯式过渡。

代替由单独的互锁元件提供的互锁装置，在另一实施方式中，互锁装置可以由轴的头部限定，此头部成形成与孔的互补成形部分互锁以防止轴相对于孔的有角度移动。尽管可以以多种方式设置互锁装置，但是在一个实施方式中，轴的头部成形成限定至少一个平坦部，并且其中孔的互补成形部分设置有平坦部以匹配轴的头部。尽管单个平坦部将足以起作用，但是头部可以限定另一形状，例如头部可以以多边形轮廓成形或者具有一个或者多个凸角以与由托架孔限定的互补的轮廓接合。

在一个实施方式中，轴的头部包括紧固点，头部在此紧固点处结合至托架以抑制轴相对于孔沿轴的纵轴线的移动。

附图说明

为了更充分地理解本发明，现在将参照附图仅以实施例的方式描述本发明，在附图中：

图1是包括托架组件的行星齿轮组的立体图；

图2是沿图1中的延伸穿过托架组件的线A-A的剖面图；

图3是图1中的托架组件的一部分的放大立体图，托架组件的此部分结合有根据本发明的一个实施方式的互锁装置；

图4是图3中的托架组件的视图，但是移除了互锁装置；

图5a是托架组件的一部分的放大立体图(类似于图3的立体图)，但是此图示出了根据另选实施方式的互锁装置；

图5b是沿图5a中的线B-B的放大剖面图；

图6是图1中的托架组件的一部分的放大立体图，但是此托架组件结合有根据另一实施方式的互锁装置；

图7是托架组件的一部分的放大立体图(类似于图6的立体图)，但是示出了根据另一另选实施方式的互锁装置；

图8a是图1中的托架组件的一部分的放大俯视图，此托架组件结合有根据另选实施方式的互锁装置；

图8b是来自图8a的托架组件的行星齿轮销的立体图；

图9示出了如从前面看到的大型现代化风轮机；以及

图10示出了如从侧面看到的风轮机机舱。

具体实施方式

现在将参照图9与图10阐明用于实施如本文中描述的行星齿轮系统的示例性风轮机。图9示出风轮机101；此风轮机包括塔架102以及定位在塔架102的顶端上的风轮机机舱103。包括三个风轮机叶片105的风轮机转子104通过低速轴6连接至机舱103，低速轴6延伸出机舱103前面。

图10示出了从侧面看到的风轮机机舱103的一个实施方式。现有技术中公知的传统风轮机101中的传动系通常包括借助低速轴6连接至齿轮箱107的转子104。在此实施方式中，转子104仅包括两个叶片105，这两个叶片借助摇摆机构108连接至低速轴6，但是在另一实施方式中，转子104可以包括另一数量的叶片105，例如三个叶片105，三个是现代风轮机101上最常用的叶片105的数量。在另一实施方式中，转子104也可以直接连接至齿轮箱107。

齿轮箱107然后借助高速轴110连接至发电机109。

由于机舱103中的有限空间并且为了使机舱103的重量最小化，最现代化的风轮机101中优选的齿轮箱107类型是周转齿轮箱，但是其他齿轮箱类型也是可行的，例如正齿轮箱、涡轮箱、斜齿轮箱或者不同变速器与齿轮箱107类型的组合中的一者或者多者。

参照图1，行星齿轮系统2包括托架组件4、齿圈6以及包括轴10的太阳齿轮8。如图1中是行星齿轮系统2的分解视图，太阳齿轮8被示成与托架组件4隔开。但是，实际上，太阳齿轮8将定位在托架组件4的中心中。

托架组件4包括托架12，此托架大体是环形形式并且此托架联接至输入轴14或者与输入轴14成一体。尽管未示出，但是输入轴14将连接至适当的驱动负载，并且类似地，太阳齿轮8的输出轴10将联接至适当的原动机。为了简化起见这里没示出所述负载与原动机两者。而且，注意，尽管术语“输入”与“输出”用于两个轴，但这仅是为了方便并且这不暗示相应轴的功能的限制。

托架组件4形成为大体中空体，此中空体限定支撑多个行星齿轮16的对置的板状结构。在图1中，行星齿轮系统2包括三个行星齿轮16，这是传统的，但是应注意，行星齿轮系统2也可以具有比三个行星齿轮多或者少的行星齿轮。本发明适用于所有这些构造。

针对这点应理解，为了此论述之目的简化了图1的行星齿轮系统2使得不必要的细节不模糊本发明的必要特征。而且，技术人员会理解，行星齿轮系统2被简化了，照此实际实施将包括针对具体应用的更多部件。

在本发明的上下文中，行星齿轮系统2构造用于高负载应用，例如作为风轮发电机的齿轮箱中的增速器齿轮。在此应用中，行星齿轮系统2是在使用中经受高负载以及振动的大、重型组件。照此，行星齿轮系统2的部件将由适当的材料制成。例如，托架12可以由单件铸件或者机制铁形成。用于行星齿轮以及太阳齿轮的材料可以是渗碳钢，并且用于齿圈的材料可以是合金钢。

返回至图1，但是也参照图2，托架组件4限定三个叉结构20，每个叉结构均支撑相应的行星齿轮16。托架组件4中的每个行星齿轮16是相同的，从而从现在起将特别参照图2做出对托架组件4中的一个行星齿轮16的介绍。

行星齿轮16可旋转地安装在轴或者销22上，轴或者销22叉结构20在两个臂24之间延伸穿过托架12。行星齿轮16借助轴承26安装在轴22上使得行星齿轮16能够在叉结构20中自由旋转。图2中概括地示出了轴承26，但是应理解，取决于使用中将施加至行星齿轮的负载的任一类型的轴承将是适当的。例如，可以使用钢球轴承座圈，但是在更高负载应用中圆柱形或者锥形辊轴承可能更合适。也可以使用多重轴承。

如能在图2中看到的，轴22通过过盈配合被接纳在限定于叉中的相应的孔30中。这通常是在托架12中不使用诸如螺栓之类的机械紧固件定位行星齿轮16的有效方式。还公知利用一个或者多个螺栓固定轴22，这将会将轴联接至固定至托架的外表面的安装板。为了完备，图2上的虚线中示出了一个这样的螺栓固定布置并且标记成“32”，并且另一个这样的螺栓固定布置被示成“35”，在螺栓固定布置中，轴22不一直延伸穿过左侧孔30，目前左侧孔30被孔盖35a封闭，并且螺栓固定布置中螺栓35a延伸穿过孔盖35b并且固定轴22。在任一固定方法中，重要的是，轴22不在孔30中有角度地移动。然而，在使用中观察到，尽管轴压配合或者栓接到孔中，但是与施加至行星齿轮系统2的振动结合的非常高的负载以及动态挠曲可能导致轴挠曲并且甚至在孔30中扭曲。在压配合的情况下，挠曲可能导致轴22的圆柱形外表面上的严重磨损或者摩擦磨蚀，这随着时间可能导致相关行星齿轮的过早失效。类似地，在轴22栓接到孔30中的情况下，挠曲可能使螺栓经受大的剪切负载。这可能导致螺栓失效，因而导致托架组件以及/或者齿圈的继发性失效。为了使轴22互锁至孔30以便防止轴相对于孔有角度地移动，本发明的实施方式要解决该问题。

现在将参照图1至图8描述本发明的具体实施方式。注意，在每个图中，托架组件的放大图中示出了这些实施方式，在这些放大图中轴22被示成被托架12的接纳轴22的区域环绕。应理解，图1与图2的行星齿轮系统2提供关于现在将描述的本发明的实施方式的背景，但是图1与图2中没具体示出这些实施方式。

首先参照图3与图4，托架12设置有互锁装置40，此互锁装置40防止轴22绕轴22的纵轴线L相对于孔30有角度地移动。

在此实施方式中，互锁装置40是互锁元件42，此互锁元件42是板状形式。互锁元件42是矩形的并且配合到互补形状的凹口44中，此凹口部分由轴22的端面46限定并且部分由托架12的环绕或者包围轴的表面45限定。因此凹口包括两部分：由轴22限定的第一凹口部44a；以及由托架12限定的第二凹口部44b。为了清楚地示出此方面，图4示出了从凹口44移除了锁定元件42的托架组件4。凹口44的深度与互锁元件42的厚度相匹配使得互锁元件42的上表面47基本与托架12的表面45平齐。互锁元件42借助诸如螺栓之类的适当紧固件48联接至托架12，紧固件48可被接纳在限定于凹口部44b中的相关螺纹孔48a中。另选地，互锁元件42可以固定至轴22。

互锁元件42借助互锁元件42的与第一凹口部44a重叠的区域的几何形状防止轴22的有角度移动。因此，互锁元件42的边缘是接合特征42a，此接合特征与凹口部44a的壁接合以将轴22锁定在对抗有角度移动的适当位置。

应理解，虽然互锁元件42在此实施方式中被示成具有矩形形状，但这不是必要的并且互锁元件42可以具有其他形式而通过使轴与托架相交仍起与轴22互锁以防止有角度移动的作用。例如，互锁元件42可以是椭圆形或者圆形形式，然而仍到达相同的技术效果。在一个实施方式中，互锁元件42可以构造成在轴的端面的切除部上延伸，此切除部成形为限定由弦线界定的圆弓形。

在图3与图4的实施方式中，轴22被压到孔30中从而轴的端面46与托架12的表面45基本平齐。然而，可能在组装过程中轴22安置到孔30中使得轴22的端面46稍微低于托架12的表面45的水平。因此，在此情况下，虽然互锁元件42将会防止轴22的有角度移动，但是可能发生一些轴向移动。

图5示出了另选的实施方式，此实施方式也将防止轴22相对于托架12沿纵轴线L的移动。此实施方式与图3以及图4的实施方式非常相似，从而将仅描述差异，并且相同的附图标记将用于指共同的零件。

这里，要注意，轴22定位在孔30中使得轴22的端面46稍微从托架12的周围表面45伸出。互锁元件42以与先前实施方式中相似的方式设置，但是这里互锁元件42是有弹性的，使得互锁元件42遵循轴22的端面46与托架12的表面45之间的阶梯式过渡49。可通过标示成50的弧线观察出弹性。在此实施方式中，互锁元件42配合到设置在轴22上的第一凹口部42以及设置在托架12上的第二凹口44中。

通过利用螺栓48将互锁元件42紧固至托架12而实现互锁元件42成形成互锁元件42遵循阶梯式过渡49。以此方式，互锁元件42有效预加载轴22以提供“主动锁定”来对抗轴22离开孔30的任何轴向移动。这与先前的实施方式形成对比，在此实施方式中，轴22的上表面46可能位于托架12的表面45的水平面的稍下方，从而之前可能发生的轴22的一些轴向移动被互锁元件42限制或者抑制。

在此情况下，用于互锁元件的适当的材料可以是弹簧钢，弹簧钢将为互锁元件42提供所需弹性但仍足够刚硬以将轴22主动锁定成对抗轴向移动。因此，有利地，图3、图4以及图5的互锁元件提供防止轴22相对于托架12的有角度移动以及轴向移动的双重功能。

参照图9，可通过提供具有邻近轴22的表面46安放的相对柔软的弹性层52的互锁元件42实现相似的效果。弹性层52可以例如是硅橡胶，或者可以是另一类型的聚合物。弹性层52可以结合至互锁元件42，或者弹性层52可以简单地放置在互锁元件下方并且在元件向下紧固到托架上时被保持在适当位置。因此，在此情况下，弹性层52遵循轴22与托架12之间的阶梯式过渡，并且互锁元件42不发生变形。

现在将关于图6以及图7描述另选的实施方式，在这些实施方式中，相同的附图标记用于指与先前的实施方式共同的零件。在这些实施方式中，托架组件也设置有互锁装置以避免轴22相对于孔30以及因此相对于托架12的有角度移动，但是在这些情况下通过轴22与托架12之间的协作而不是如先前的实施方式中那样通过使用单独的互锁元件提供互锁装置。

首先转至图6，在此实施方式中，轴22包括圆柱形本体或者“柄”部22a以及扩大的头部22b或者“凸缘”。头部22b的平面轮廓成形成与孔30的相应成形的上部或者“插槽”部30a互锁。

轴22的头部22b的平面轮廓大体是圆形的，但是互锁装置借助平坦部分60提供，此平坦部分与设置在孔30的插槽部30a中的相应的平坦部62匹配。因此，实际上，轴22键入至孔30以防止轴相对于孔30绕轴的纵轴线L的有角度移动。注意，在图6中，平坦部分60与头部22b的由虚线标示的其他圆形轮廓形成对比。

互锁装置在轴22的头部22b上形成单个平坦部分便于制造，因为仅相当小部分的材料需要从其他圆形凸缘上机加工掉。然而，轴22可以利用其他头部轮廓构造。例如，扩大的头部22b可以成形成限定多边形轮廓，并且插槽部30构造成限定匹配的形状。

转至图7，此实施方式类似于图6的实施方式，从而将仅描述差异，并且相同的附图标记将用于指共同的零件。在此实施方式中，轴22具有这样的结构，此结构除了防止轴22在孔30中有角度移动外还防止轴22在孔30中轴向移动。以与先前实施方式相同的方式，轴22包括圆柱形的柄部22a以及扩大的头部22b，此头部设置有平坦部分60，此平坦部分与孔30的插槽部30a的相应成形的特征接合。

但是，在此实施方式中，轴22的头部还包括固定点62，此固定点抑制轴沿轴的纵轴线L的移动。固定点62被示出成由头部22b的凸角形特征限定，此凸角形特征延伸超出柄部22a的圆形轮廓从而能固定至托架12。在此实施方式中，头部22b的凸角形特征实际上如互锁装置一样起作用从而不需要平坦部分60，但是，如图7中所示，凸角形特征与平坦部分两者可以都存在。固定点62包括通孔64，紧固件66穿过此通孔以经由孔68固定到托架12的下伏面上。为紧固件66提供垫圈或者垫片69以在较大的接触面积支承在轴22的上表面46上。注意，通孔64相比紧固件66具有较大的直径以便允许固定点62与孔68之间的不精确的对准。

已经提及了上述实施方式的一些变更。但是，技术人员会明白，可以在不脱离本发明的如权利要求限定的范围的情况下对具体实施方式做出其他变更与变型。

例如，在图3至图5的实施方式中，通过接合限定在轴的上表面46中的互补特征的互锁元件42提供互锁装置，从而避免轴在高负载条件下有角度移动。图8a与图8b示出了此理念的一种变型。这里，互锁元件42仍体现成这样的一部分，此部分固定至表面45或者托架12并且与轴22重叠以便与由轴22限定的相应的成形特征接合。然而，在此实施方式中，不是如图3以及图4中那样位于轴22中的简单的凹口44，而是如图8b中所示，该特征是在纵向方向上沿轴22的侧表面延伸的矩形轮廓的槽缝或者“键槽”70。互锁元件42因此作用成接合键槽70的键从而避免轴在孔30中的有角度移动。键槽也可以具有圆形轮廓，这可以减小键槽中的应力集中。

在图8b中，键槽70被示成沿轴22的整个长度延伸。但是，应理解，键槽不需要沿轴22的整个长度延伸并且可以仅沿轴的足以实现互锁元件42与键槽70之间的有角度互锁的一小部分延伸。

尽管互锁装置被描述成设置在轴22的一个端面上，但是注意，互锁装置可以设置在轴22的另一端面上或者实际上设置在轴的两个端面上。而且，有角度互锁装置可以定位在轴的一个端面处，而抑制轴的轴向移动的装置可以定位在轴的另一端面处。

在参照图6以及图7描述的实施方式中，扩大的头部22b被描述成与轴22的柄部22a成一体。然而，尽管设想此结构将提供制造轴22的最便利的手段，但是应注意，这是不必要的。照此，还设想扩大的头部22b可以制造成单独部分并且然后借助适当技术(例如利用诸如螺栓之类的机械紧固件)机械固定至柄部22a。

以上已经参照具体实施例例示了本发明。但是，应理解，本发明不限于以上描述的具体实施例，而可以在本发明的如权利要求中指定的范围内根据众多变型设计及变更。

Claims (19)

1.一种包括齿轮箱(107)的风轮发电机(101)，其中，所述齿轮箱包括行星齿轮系统(2)，其中所述行星齿轮系统包括托架组件(4)，其中所述托架组件(4)包括支撑至少一个行星齿轮(16)的托架(12)，所述至少一个行星齿轮(16)借助轴承(26)能旋转地安装在轴(22)上，其中所述轴(22)通过过盈配合或机械紧固件固定在由所述托架(12)限定的孔(30)中；并且其中所述托架组件(4)包括互锁装置(22a；42)以防止所述轴(22)相对于所述孔(30)的有角度移动。

2.根据权利要求1所述的风轮发电机，其中，所述互锁装置包括互锁元件(42)，此互锁元件在由所述托架(12)以及所述轴(22)限定的相邻表面(45；46)的一部分上延伸。

3.根据权利要求2所述的风轮发电机，其中，所述互锁元件(42)被接纳在互补成形的凹口(44)中，所述凹口(44)由被所述托架以及所述轴限定的所述相邻表面的所述一部分限定。

4.根据权利要求1所述的风轮发电机，其中，所述互锁装置包括与所述托架(12)相关联的互锁元件(42)；其中，所述互锁元件限定接合特征(42a)，此接合特征与由所述轴限定的互补特征(44a)互锁。

5.根据权利要求4所述的风轮发电机，其中，所述接合特征(42a)是所述互锁元件的与由所述轴(22)限定的端面(46)重叠的重叠部分；并且其中，所述轴的所述互补特征是限定在所述轴的所述端面(46)中的凹口(44)，此凹口匹配所述互锁元件的所述重叠部分。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的风轮发电机，其中，所述互锁元件(42)是有弹性的，使得所述互锁元件(42)遵循所述托架与所述轴之间的阶梯式过渡(49)。

7.根据权利要求6所述的风轮发电机，其中，所述互锁元件具有弹性层(52)，此弹性层遵循所述托架与所述轴之间的所述阶梯式过渡(49)。

8.根据权利要求4所述的风轮发电机，其中，所述互锁元件是键；并且其中，所述轴的所述互补特征是限定在所述轴中的键槽(70)。

9.根据权利要求1所述的风轮发电机，其中，所述互锁装置由所述轴(22)的头部(22a)限定，此头部成形成与所述孔(30)的互补成形部分(30a)互锁以防止所述轴相对于所述孔的有角度移动。

10.根据权利要求9所述的风轮发电机，其中，所述轴的所述头部(22a)成形成限定至少一个平坦部分(60)；并且其中，所述孔的所述互补成形部分(30a)设置有平坦部以匹配所述轴的所述头部。

11.根据权利要求9或10所述的风轮发电机，其中，所述轴的所述头部(22a)与所述轴的柄部(22b)成一体。

12.根据权利要求9所述的风轮发电机，该风轮发电机还包括装置以抑制所述轴相对于所述孔沿所述轴的纵轴线(L)的移动。

13.根据权利要求12所述的风轮发电机，其中，所述轴的所述头部(22a)包括紧固点，所述头部(22a)在此紧固点处结合至所述托架(12)以抑制所述轴相对于所述孔沿所述轴的所述纵轴线的移动。

14.根据权利要求13所述的风轮发电机，其中，所述紧固点是限定在所述头部(22a)中的孔隙(64)，机械紧固件(66)穿过此孔隙被接纳。

15.根据权利要求1所述的风轮发电机，其中，所述齿轮箱是包括至少两级的多级齿轮箱。

16.根据权利要求1所述的风轮发电机，其中，所述齿轮箱包括两级行星以及一级并联结构变速器。

17.根据权利要求1所述的风轮发电机，其中，所述行星齿轮系统由钢或者表面硬化的高合金铸铁制成。

18.根据权利要求1所述的风轮发电机，其中，输入轴(14)连接至所述风轮发电机的转子。

19.根据权利要求1所述的风轮发电机，其中，所述齿轮箱包括两级行星。

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