CN109707801A - 一种大功率高效齿轮传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种大功率高效齿轮传动装置，涉及燃气轮机发电设备领域，燃气轮机输出功率通过输入齿轮传入齿轮传动装置，并三等分传递至一级行星轮Ⅰ、一级行星轮Ⅱ、一级行星轮Ⅲ；三个行星轮为一级被动齿轮，其与二级主动齿轮二级行星轮Ⅰ、二级行星轮Ⅱ、二级行星轮Ⅲ为对应的同轴形式，每个行星齿轮在齿轮传动装置箱体内部为固定安装结构，均由输入侧支持轴承和输出侧支持轴承支承，共计六个支持轴承。三个行星齿轮将功率合并传递至输出齿轮，继而输出至发电机。同时将支持轴承数量控制在六个，并在一级齿轮副、二级齿轮副的径向外围和端面安装罩壳，提高燃气轮机通过齿轮传动装置向发电机传递输出功率的效率。

Description

一种大功率高效齿轮传动装置

技术领域：

本发明涉及燃气轮机发电设备领域，具体涉及一种大功率高效齿轮传动装置。

背景技术：

目前大功率齿轮传动装置广泛应用于燃气轮机发电机组中，机组的布置形式为燃气轮机-齿轮传动装置-发电机。随着全球控制碳化物、氮化物等气体排放，提高能源利用率的要求不断提出，发电机组中各设备运行的可靠性及效率变得至关重要。对于50MW级以上的燃气轮机发电机组，齿轮传动装置在高转速、高负荷的工况下运行。目前燃气轮机发电机组中的齿轮传动装置为单级平行轴结构，其目的是减少功率传递环节并提高传动效率。为保证齿轮接触、弯曲应力在材料力学性能许用值范围内，通常齿轮的节圆需要较大的结构尺寸，这样便会造成齿轮节圆线速度的增加，目前应用于50MW级以上的齿轮传动装置，其齿轮节圆线速度一般控制在150m/s-200m/s之间，运转状态相对极端，功率增大的同时其节圆线速度会进一步增加至200m/s以上继而超出其线速度许用值，但减小齿轮节圆直径亦会造成齿轮接触、弯曲应力的进一步增加并超出许用值范围。在单级平行轴齿轮传动结构中，每个齿轮转子上一般采用两个支持轴承（滑动轴承）支承，其输入的大功率对应的高线速度、高负荷的运行工况，使得支持轴承亦处于高比压、高线速度的运转状态，但50MW级以上的齿轮传动装置的支持轴承通常运行于比压接近3.5Mpa，轴颈线速度接近100m/s的极限状态下，对应的轴承油膜最高温度也接近其使用极限，一般在100℃左右。对于齿轮传动部件，在较高的节圆线速度下运行会造成较大的风阻功率损失；对于支持轴承部件，其支承的转子轴颈运行在较高的环境温度中将需要更多的滑油进行冷却，进一步增加齿轮传动装置的功耗。因此，需要设计一种大功率高效齿轮传动装置以适应燃气轮机发电机组的机械功率及功率密度的不断增加，并提高燃气轮机的功率传递效率。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种大功率高效齿轮传动装置，旨在保证用于50MW级以上燃气轮机发电机组的大功率齿轮传动装置的齿轮接触应力、弯曲应力、节圆线速度以及支持轴承的比压、轴颈线速度均处于许用值范围之内，同时降低了齿轮传动装置的功率损失，提高燃气轮机通过齿轮传动装置向发电机传递输出功率的效率。

本发明的一种大功率高效齿轮传动装置，是由外壳体、内罩体、输入齿轮、输出齿轮和行星齿轮构成，所述的内罩体固定于外壳体的内部，输入齿轮和输出齿轮均位于内罩体的内部；所述的外壳体是由输入侧箱体、中间箱体Ⅰ、中间箱体Ⅱ、中间箱体Ⅲ、输出侧箱体依次拼接而成的封闭箱体，输入侧箱体5上装有三个输入侧支持轴承、输出侧箱体上装有三个输出侧支持轴承、且输入侧支持轴承与输出侧支持轴承的位置两两相对，输入侧支持轴承和输出侧支持轴承的端头分别设有输入侧端盖和输出侧端盖，输入齿轮1的输入端由输入侧箱体伸出，输出齿轮的输出端由输出侧箱体伸出，输入齿轮分别与一级行星轮Ⅰ、一级行星轮Ⅱ和一级行星轮Ⅲ相啮合，输出齿轮分别与二级行星轮Ⅰ、二级行星轮Ⅱ、二级行星轮Ⅲ相啮合，一级行星轮Ⅰ和二级行星轮Ⅰ、一级行星轮Ⅱ和二级行星轮Ⅱ、一级行星轮Ⅲ和二级行星轮Ⅲ均为同轴结构并分别使用一组位置相对的输入侧支持轴承与输出侧支持轴承支承；所述的内罩体是由输入侧内部罩壳、一级齿轮罩壳、二级齿轮罩壳和输出侧内部罩壳依次拼接而成，输入侧内部罩壳和输出侧内部罩壳分别固定于输入侧箱体和输出侧箱体的内壁，一级齿轮罩壳位于一级行星轮Ⅰ、一级行星轮Ⅱ和一级行星轮Ⅲ的外侧，二级齿轮罩壳位于二级行星轮Ⅰ、二级行星轮Ⅱ、二级行星轮Ⅲ的外侧，在输入齿轮与一级行星轮Ⅰ、一级行星轮Ⅱ和一级行星轮Ⅲ啮合的啮出位置，和输出齿轮与二级行星轮Ⅰ、二级行星轮Ⅱ、二级行星轮Ⅲ啮合的啮出位置，均设有喷油管。

作为本发明的进一步改进，所述的内罩体的外壁设有降温油管。

本发明的大功率高效齿轮传动装置，通过采用功率三分支、一级和二级行星齿轮同轴双支持轴承支承、外壳体内布置内罩体等技术手段确保了用于50MW级以上燃气轮机发电机组的齿轮传动装置的齿轮接触应力、弯曲应力、节圆线速度以及支持轴承的比压、轴颈线速度均处于许用值范围之内；相比于单级平行轴齿轮传动结构，其齿轮节圆尺寸、轴颈尺寸（轴承内径尺寸）均有所降低；同时将支持轴承数量控制在六个，并在一级齿轮副、二级齿轮副的径向外围和端面安装罩壳，提高燃气轮机通过齿轮传动装置向发电机传递输出功率的效率。

附图说明：

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明一级齿轮副结构示意图；

图3是本发明二级齿轮副结构示意图。

图中：输入齿轮1、高速轴轴封2、输入侧端盖3、输入侧支持轴承4、输入侧箱体5、中间箱体Ⅰ6、中间箱体Ⅱ7、降温油管8、中间箱体Ⅲ9、输出侧箱体10、输出侧支持轴承11、输出侧端盖12、输出齿轮13、低速轴轴封14、输出侧内部罩壳15、二级齿轮罩壳16、一级齿轮罩壳17、输入侧内部罩壳18、一级行星轮Ⅱ19、喷油管20、一级行星轮Ⅰ21、二级行星轮Ⅲ22、一级行星轮Ⅲ23、二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的一种大功率高效齿轮传动装置，是由外壳体、内罩体、输入齿轮1、输出齿轮13和行星齿轮构成，所述的内罩体固定于外壳体的内部，输入齿轮1和输出齿轮13均位于内罩体的内部；所述的外壳体是由输入侧箱体5、中间箱体Ⅰ6、中间箱体Ⅱ7、中间箱体Ⅲ9、输出侧箱体10依次拼接而成的封闭箱体，输入侧箱体5上装有三个输入侧支持轴承4、输出侧箱体10上装有三个输出侧支持轴承11、且输入侧支持轴承4与输出侧支持轴承11的位置两两相对，所述的输入侧支持轴承4和输出侧支持轴承11的端头分别设有输入侧端盖3和输出侧端盖12；输入齿轮1的输入端由输入侧箱体5伸出，输出齿轮13的输出端由输出侧箱体10伸出，输入齿轮1分别与一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19和一级行星轮Ⅲ23相啮合，输出齿轮13分别与二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25、二级行星轮Ⅲ22相啮合，一级行星轮Ⅰ21和二级行星轮Ⅰ24、一级行星轮Ⅱ19和二级行星轮Ⅱ25、一级行星轮Ⅲ23和二级行星轮Ⅲ22均为同轴结构并分别使用一组位置相对的输入侧支持轴承4与输出侧支持轴承11支承；所述的内罩体是由输入侧内部罩壳18、一级齿轮罩壳17、二级齿轮罩壳16和输出侧内部罩壳15依次拼接而成，所述的内罩体的外壁设有降温油管8。输入侧内部罩壳18和输出侧内部罩壳15分别固定于输入侧箱体5和输出侧箱体10的内壁，一级齿轮罩壳17位于一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19和一级行星轮Ⅲ23的外侧，二级齿轮罩壳16位于二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25、二级行星轮Ⅲ22的外侧；在输入齿轮1与一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19和一级行星轮Ⅲ23啮合的啮出位置，和输出齿轮13与二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25、二级行星轮Ⅲ22啮合的啮出位置，均设有喷油管20。

本发明的一种大功率高效齿轮传动装置为二级减速齿轮传动形式，燃气轮机输出功率通过输入齿轮1传入齿轮传动装置，并三等分传递至一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19、一级行星轮Ⅲ23；三个行星轮为一级被动齿轮，其与二级主动齿轮二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25、二级行星轮Ⅲ22为对应的同轴形式，每个行星齿轮在齿轮传动装置箱体内部为固定安装结构，均由输入侧支持轴承4和输出侧支持轴承11支承，共计六个支持轴承。三个二级行星齿轮将功率合并传递至输出齿轮13，继而输出至发电机。

输入齿轮1和输出齿轮13均通过三个行星齿轮固定，无支持轴承支承。齿轮传动装置输入侧安装有高速轴轴封2（两半式结构），输出侧安装有低速轴轴封14（两半式结构）；每个行星齿轮的两个支持轴承的输入及输出侧箱体处安装有输入侧端盖3和输出侧端盖12。输入齿轮1与三个啮合的一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19、一级行星轮Ⅲ23组成一级齿轮传动结构，输出齿轮13与二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25、二级行星轮Ⅲ22组成二级齿轮传动结构。一级齿轮传动的径向外围安装有一级齿轮罩壳17，二级齿轮副的径向外围安装有二级齿轮罩壳16；一级齿轮罩壳17通过与输入侧内部罩壳18联接，并通过输入侧箱体5固定；二级齿轮罩壳16通过与输出侧内部罩壳15联接，并通过输出侧箱体10固定；同时一级齿轮罩壳17与二级齿轮16相联接。

内罩体外部安装有降温油管8，其结构为总管引入齿轮传动装置并分支两路油管分别布置于一级齿轮罩壳17和二级齿轮罩壳16的外部。箱体沿轴向为五段剖分式结构，输入侧箱体5与输出侧箱体10通过中间箱体Ⅰ6、中间箱体Ⅱ7、中间箱体Ⅲ9联接。在一级齿轮传动的三处齿轮啮合的啮出位置，和在二级齿轮传动的三处齿轮啮合的啮出位置，均设有喷油管20对啮合齿面进行润滑冷却。该齿轮传动装置通过功率三分支的路线传递进而降低了齿轮节圆直径、齿轮轴径以及轴承结构尺寸，确保了齿轮接触应力、弯曲应力、齿轮节圆线速度以及支持轴承的比压、轴颈线速度均在许用值范围内；齿轮及支持轴承的载荷、线速度的降低使得二者产生的功率损失有所减小；将支持轴承数量控制在六个，相应控制了轴颈在轴承中运转的功率损失；在一级齿轮副和二级齿轮副的径向外围和端面安装有罩壳结构，使齿轮搅动油气混合物的空间减小，并将齿轮的运转空间与支持轴承的高温区域隔离，使得齿轮传动的风阻功率损失大幅度降低；在内部罩壳外表面安装冷却管路，进而降低齿轮运转空间的温度，进一步减小齿轮传动装置的功率损失。

所述的行星齿轮的一级齿轮的几何参数完全一致，二级齿轮的几何参数亦完全一致，分别通过输入侧支持轴承4、输出侧支持轴承11支承并在齿轮传动装置中定位，三个行星齿轮在齿轮传动装置中沿周向120°等分布置。一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19、一级行星轮Ⅲ23将分别传递输入总功率的1/3。由于功率三分支的齿轮几何参数一致，一级齿轮传动的每对啮合齿面产生的径向啮合力、周向啮合力大小相同，将输入齿轮1的齿轮啮合受力按方向合成后，其啮合力对轴颈弯曲合力抵消为零，因此输入齿轮1可不通过支持轴承支承，仅需通过三个行星齿轮支承并实现在齿轮传动装置中定位。

一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19和一级行星轮Ⅲ23分别将1/3的输入总功率传递至二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25和二级行星轮Ⅲ22后合并至输出齿轮13继而输出至发电机。由于单级平行轴齿轮传动结构的仅有一对齿面啮合，因此需要较大的齿轮节圆尺寸降低齿轮啮合力进而保证许用齿轮接触应力、弯曲应力在材料力学性能许用值范围内，且对应增大了齿轮节圆线速度；本发明的输入齿轮1、输出齿轮13与行星齿轮之间同时有三对齿面啮合，且每对传递总功率的1/3，因此每个齿轮的节圆直径都相比于单级平行轴齿轮传动结构相应地减小；即使每对啮合轮齿的接触应力、弯曲应力接近材料力学性能许用值时，相比于单级平行轴齿轮传动结构的齿轮节圆线速度也极大地减小（经验证可降低30%左右）；相应地，齿轮啮合力的减小使得输入侧支持轴承4和输出侧支持轴承11的轴承比压随之减小，齿轮轴轴颈的减小使得输入侧支持轴承4和输出侧支持轴承11的轴颈线速度也随之减小，支持轴承的油膜最高温度随之减小，支持轴承的总功率损失随着运行温度降低而降低；综上所述，相比于单级平行轴齿轮传动结构，本发明的齿轮传动装置可适用于更大功率等级的燃气轮机发电机组运行；对于同一功率等级的燃气轮机发电机组，虽然本发明的齿轮传动装置的齿轮数量及轴承数量多于单级平行轴齿轮传动结构，但支持轴承作为主要功率损失来源，其数量控制在六个，且由于齿面载荷、节圆线速度、轴承比压以及轴颈线速度的降低使得本发明齿轮传动装置的功率损失相比单级平行轴齿轮传动结构有所降低。

结合图1、图2及图3，一级齿轮副沿径向外围安装有一级齿轮罩壳17，靠近输入侧安装有输入侧内部罩壳18；二级齿轮副沿径向外围安装有二级齿轮罩壳16,靠近输出侧安装有输出侧内部罩壳15；上述四部分内部罩壳将齿轮部件在齿轮传动装置中的运行空间缩小，并与支持轴承的高温运行空间隔离开来。一级齿轮罩壳17和二级齿轮罩壳16的安装可有效降低齿轮运转过程中产生的风阻功率损失，减小齿轮在运转过程中搅动高温油气混合物的空间，同时输入侧内部罩壳18和输出侧内部罩壳15的安装使得支持轴承在运行过程中产生的高温区域对齿轮运行空间的环境温度影响降低。在内部罩壳外表面安装有内部罩壳降温油管8，齿轮箱运转过程中，少量滑油将均匀地喷洒在一级齿轮罩壳17和二级齿轮罩壳16外表面，进而冷却两部分罩壳的表面温度，同时可有效地降低齿轮运行的环境温度，进一步降低了齿轮运转产生的风阻功率损失。喷油管20通过输入侧箱体5和输出侧箱体10引入齿轮传动装置用于一级齿轮副和二级齿轮副的润滑冷却。齿轮节圆线速度大于90m/s时，齿轮传动装置中在图示位置即齿轮啮出侧喷油润滑冷却；齿轮节圆线速度小于90m/s时，齿轮传动装置将更改至齿轮啮入侧喷油润滑冷却。一级齿轮罩壳17和二级齿轮罩壳16底部为敞开式结构用于滑油回流至齿轮传动装置底部，同时一级齿轮罩壳17和二级齿轮罩壳16距离齿面的距离也保证了齿轮滑油可以顺畅回流，不会在内部罩壳局部留存造成齿轮部件搅油现象的发生。

齿轮传动装置箱体在加工时需要将输入侧箱体5、中间箱体Ⅰ6、中间箱体Ⅱ7、中间箱体Ⅲ9、输出侧箱体10组合后镗孔加工保证一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19、一级行星轮Ⅲ23、二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25、二级行星轮Ⅲ22及输入侧支持轴承4、输出侧支持轴承11的安装孔在输入侧、输出侧的同轴度；并保证输入齿轮1、输出齿轮13及高速轴轴封2、低速轴轴封14的安装孔在输入侧、输出侧的同轴度；并同时保证上述四孔的平行度形位公差要求。齿轮传动装置装配时，按输入侧至输出侧的装配顺序，具体流程如下：（1）将输入侧箱体5在安装台架上定位后，插装装入三个输入侧支持轴承4，并将输入侧内部罩壳18固定在输入侧箱体5之上；（2）组合装入一级行星轮Ⅰ21、一级行星轮Ⅱ19、一级行星轮Ⅲ23、输入齿轮1，当齿轮为单斜齿结构时需采用专用工装固定整体安装，为直齿结构时可依次插装，并安装高速轴轴封2；（3）将输入端一侧的喷油管20从输入侧箱体5外部引入至齿轮传动装置，并联接输入侧内部罩壳18、一级齿轮罩壳17及二级齿轮罩壳16；（4）安装降温油管8，并联接输入侧箱体5、中间箱体Ⅰ6及中间箱体Ⅱ7，降温油管8通过箱体上预留接口引出齿轮传动装置；（5）联接输出侧内部罩壳15至二级齿轮罩壳16；（6）将输出侧箱体10在安装台架上定位，插装装入三个输出侧支持轴承11，并沿输出至输入侧轴向平推使二级行星轮Ⅰ24、二级行星轮Ⅱ25、二级行星轮Ⅲ22插装入输出侧支持轴承11，并安装低速轴轴封14至输出侧箱体10，通过输出侧箱体10上的预留接口在齿轮传动装置外部联接固定输出侧内部罩壳15；（7）将输出端一侧的喷油管20从输出侧箱体5外部引入至齿轮传动装置；（8）上述各部件联接紧凑后，将中间箱体Ⅲ9与中间箱体Ⅱ7和输出侧箱体10联接，并安装三个输入侧端盖3以及三个输出侧端盖12至齿轮传动装置箱体；（9）齿轮传动装置在机组安装对中时，须将高速轴轴封2、低速轴轴封14替换为相同结构小间隙工装，两工装与输入齿轮1、输出齿轮13的径向间隙不大于0.05mm，对中完成后替换安装两轴封。至此，完成整个大功率高效齿轮传动装置的装配工作。

Claims (2)

1.一种大功率高效齿轮传动装置，是由外壳体、内罩体、输入齿轮（1）、输出齿轮（13）和行星齿轮构成，其特征在于所述的内罩体固定于外壳体的内部，输入齿轮（1）和输出齿轮（13）均位于内罩体的内部；所述的外壳体是由输入侧箱体（5）、中间箱体Ⅰ（6）、中间箱体Ⅱ（7）、中间箱体Ⅲ（9）、输出侧箱体（10）依次拼接而成的封闭箱体，输入侧箱体（5）上装有三个输入侧支持轴承（4）、输出侧箱体（10）上装有三个输出侧支持轴承（11）、且输入侧支持轴承（4）与输出侧支持轴承（11）的位置两两相对，输入侧支持轴承4和输出侧支持轴承11的端头分别设有输入侧端盖3和输出侧端盖12，输入齿轮（1）的输入端由输入侧箱体（5）伸出，输出齿轮（13）的输出端由输出侧箱体（10）伸出，输入齿轮（1）分别与一级行星轮Ⅰ（21）、一级行星轮Ⅱ（19）和一级行星轮Ⅲ（23）相啮合，输出齿轮（13）分别与二级行星轮Ⅰ（24）、二级行星轮Ⅱ（25）、二级行星轮Ⅲ（22）相啮合，一级行星轮Ⅰ（21）和二级行星轮Ⅰ（24）、一级行星轮Ⅱ（19）和二级行星轮Ⅱ（25）、一级行星轮Ⅲ（23）和二级行星轮Ⅲ（22）均为同轴结构并分别使用一组位置相对的输入侧支持轴承（4）与输出侧支持轴承（11）支承；所述的内罩体是由输入侧内部罩壳（18）、一级齿轮罩壳（17）、二级齿轮罩壳（16）和输出侧内部罩壳（15）依次拼接而成，输入侧内部罩壳（18）和输出侧内部罩壳（15）分别固定于输入侧箱体（5）和输出侧箱体（10）的内壁，一级齿轮罩壳（17）位于一级行星轮Ⅰ（21）、一级行星轮Ⅱ（19）和一级行星轮Ⅲ（23）的外侧，二级齿轮罩壳（16）位于二级行星轮Ⅰ（24）、二级行星轮Ⅱ（25）、二级行星轮Ⅲ（22）的外侧，在输入齿轮（1）与一级行星轮Ⅰ（21）、一级行星轮Ⅱ（19）和一级行星轮Ⅲ（23）啮合的啮出位置，和输出齿轮（13）与二级行星轮Ⅰ（24）、二级行星轮Ⅱ（25）、二级行星轮Ⅲ（22）啮合的啮出位置，均设有喷油管（20）。

2.如权利要求1所述的一种大功率高效齿轮传动装置，其特征在于所述内罩体的外壁设有降温油管（8）。