CN110425091A - 一种风电主传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的一种风电主传动系统，它包括一级行星轮系（1）和二级行星轮系（2）；所述一级行星轮系（1）包括一级齿圈（1.1），二级行星轮系（2）包括二级齿圈（2.1）；所述一级齿圈（1.1）的左端设有法兰与风轮系统连接，所述一级齿圈（1.1）的右侧设置一级右花键法兰（1.4），所述二级齿圈（2.1）通过左侧设置花键与一级齿圈（1.1）相连接。本发明大大缩小风电传动链的整体尺寸，功率密度高，结构紧凑，重量轻，成本低，各级组件独立可拆分，维修更换方便，维修成本低。

Description

一种风电主传动系统
技术领域
本发明涉及机械传动技术领域，尤其涉及风电主传动系统，用于风电非直驱传动系统。
背景技术
常见的非直驱风电传动系统是由齿轮箱、主轴、主轴轴承、轴承座、锁紧盘以及联轴器等部件组成，风轮是通过主轴实现与齿轮箱的连接，主轴通过一个或两个主轴轴承和轴承座支撑在机舱底板，主轴主要功能是支撑整个风轮，承受风机的弯矩；齿轮箱的主要功能是实现风轮与发电机间传速匹配，并将风轮捕获的能量传递给发电机。该种传动链整体尺寸长，宽度宽，重量重。
传统传动链中齿轮箱的结构通常采用一级行星齿轮+二级平行齿轮结构或二级行星齿轮+一级平行齿轮结构，齿轮箱低速级齿轮需要承受了风轮所有的转矩，负载大，同时需要实现较大传动比。在同等转矩输入情况下，齿轮的弯矩应力和接触赫兹应力大；而齿轮材料的许用承载能力是一定的，所以为了保持齿轮的接触和弯曲安全裕度，传统传动链中的低速级齿圈直径较大，整体重量重。
齿轮箱作为一个相对整体的部件，在行星级出现失效时，需要对齿轮箱进行整体更换维修，涉及的空中吊装更换成本高，且拆卸非常困难，需要额外借助大型起吊设备和工装，现场维修工程量大，更换难度高，维修成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种风电主传动系统，将主轴和齿轮箱一体化设计，大大缩小传动链整体尺寸，功率密度高，重量轻，成本低；传动系统各级传动组件能相对独立，可轻松实现风机机舱内拆分；拆分后的部件重量轻，维修更换方便，维修成本低。
本发明的目的是这样实现的：
（1）本发明一级齿圈在轮毂侧延伸法兰并通过螺栓/销子实现其与轮毂连接，一级齿圈通过 2个轴承直接支撑在机舱壳体上，一级齿圈承接主轴的功能，挑起整个风轮，风轮直接带动一级齿圈旋转，省去了主轴、轴承座及锁紧盘等大尺寸部件，大大缩减了整个传动链的长度和宽度，也减轻整个传动系统的重量，降低成本，在目前公路运输限高限宽的尺寸下实现更大整机功率。
（2）本发明的一级齿圈左右两侧分别设置左法兰和花键法兰，左法兰和花键法兰通过止口与齿圈配合，提供径向支撑，提高一级齿圈的刚性，减少齿圈受到风轮弯矩的带来的变形，提高/改善了一级行星级中的行星轮间均载；同时也改善了支撑齿圈轴承受力，使支撑一级齿圈轴承的内部滚动体载荷分布更均匀。左法兰和花键法兰内部设置相关孔，用于安装一级行星架轴承，支撑一级行星架。一级行星架和一级齿圈通过左法兰和花键法兰形成一个封闭的整体，刚性高，大大降低了一级行星级内部齿轮啮合受外部载荷的变化的影响。
（3）本发明的一级齿圈通过花键法兰与二级齿圈的花键连接，因此风轮旋转过程驱动一级齿圈的同时也同步驱动二级齿圈旋转，二级齿圈带动二级行星轮转动，二级行星轮带动二级太阳轮旋转，二级太阳轮通过花键与一级行星架连接，通过一级行星级的啮合运动将一级齿圈和二级太阳轮的输入功率最终整体通过一级太阳轮输出给三级行星架；一级和二级齿圈共同承受来自风轮的转矩，大幅度降低了单级齿轮负载；同等输入扭矩的情况下，尺寸可以做得更小，整体重量更轻。
（4）本发明的二级齿圈内表面设置2角接触球滚道表面，二级行星架上固定2个接触球轴承内圈，通过轴承的预紧，使二级齿圈旋转中心与二级行星架同心，消除和减少二级齿圈重力对二级行星轮系的啮合不均的影响，大大改善二级行星轮系的行星轮间均载；二级行星架通过法兰与主机架连接，大幅度提高主机架的刚性和强度。
（5）本发明的一级齿圈和二级齿圈通过花键盘连接，花键具备的角向、径向和轴向补充功能系统结构变形带来的一级行星架轴系与二级行星架轴系的不对中，来隔离风轮载荷波动造成对二级啮合平稳性的影响，同时可以降低机加工误差的影响。
（6）本发明的三级行星轮系相对独立且可拆分，单级失效后能轻松分解，拆除更换，且不需要额外借助大型的起吊设备和工装，大大减少风电传动系统天上维修更换的工程量，能轻松实现对失效各级行星轮系的独立更换，大大降低了维修更换的成本和由于维修更换带来整机停机的电量损失。
（7）本发明的机舱系统采用圆柱式机舱系统，由2个圆柱体按照一定夹角纵横交汇组成，该种机舱结构形式简单，可大幅度减少机舱系统的零部件，节省零部件的加工和风机机舱系统的装配时间，另外与轮毂对接的机舱圆柱体内设置了多个支撑位置，支撑主轴和行星架，大幅度提高整个机舱系统的刚性和强度，且承担了齿轮箱的壳体功能，大大降低了整个机舱的重量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的一级行星轮系的剖面示意图。
图3为本发明的二级行星轮系的剖面示意图。
图4为本发明的三级行星轮系的剖面示意图。
图5为本发明的机舱系统的结构示意图。
图6为本发明的机舱圆柱体的剖视图。
其中：
一级行星轮系1、一级齿圈1.1、一级左法兰1.2、一级行星架组件1.3、一级右花键法兰1.4、一级太阳轮1.5、二级行星轮系2、二级齿圈2.1、二级齿圈左轴承2.2、二级行星架组件2.3、二级太阳轮2.4、二级齿圈右轴承2.5、三级行星轮系3、三级行星架组件3.1、三级法兰3.2、三级齿圈3.3、发电机安装法兰3.4、三级太阳轮3.5、机舱系统4、机舱圆柱体4.1、下圆柱体4.2、发电机5。
具体实施方式
实施例1：
参见图1-6，本发明涉及的一种风电主传动系统，它包括一级行星轮系1、二级行星轮系2、三级行星轮系3、机舱系统4和发电机5。
所述一级行星轮系1包括一级齿圈1.1、一级左法兰1.2、一级行星架组件1.3、一级右花键法兰1.4和一级太阳轮1.5；所述二级行星轮系2包括二级齿圈2.1、二级齿圈左轴承2.2、二级行星架组件2.3、二级太阳轮2.4和二级齿圈右轴承2.5；所述三级行星轮系3包括三级行星架组件3.1、三级法兰3.2、三级齿圈3.3、发电机安装法兰3.4和三级太阳轮3.5。所述一级行星架组件1.3、二级行星架组件2.3和三级行星架组件3.1均包括行星架、行星轮、行星轮轴承以及行星销轴。
所述一级齿圈1.1的左端与风轮系统连接，所述一级齿圈1.1的左侧设置一级左法兰1.2，所述一级齿圈1.1的右侧设置一级右花键法兰1.4，两法兰通过止口与齿圈配合，给一级齿圈1.1提供内部支撑，减少一级齿圈1.1变形；所述一级左法兰1.2和一级右花键法兰1.4上设有安装孔，在安装孔内安装一级行星架轴承，一级行星架轴承支撑一级行星架组件1.3，一级行星架组件1.3通过2个轴承支撑在一级左法兰1.1和一级右花键法兰1.2上，一级行星架组件 1.3和一级齿圈1.1通过一级左法兰1.2和一级右花键法兰1.4，一级行星架轴承形成一个相对封闭的整体，刚性好，内部齿轮啮合受外界载荷变化影响小。
所述二级齿圈2.1左侧设置有花键，通过和一级右花键法兰1.2的花键配合实现与一级齿圈1.1相连接，所述二级齿圈2.1与二级行星架组件2.3中的二级行星轮相啮合，二级行星轮同时与二级太阳轮2.4相啮合；所述二级太阳轮2.4通过花键与一级行星架1.3连接，通过一级行星架1.3的啮合运动将一级齿圈1.1和二级太阳轮2.5的扭矩最终整体通过一级太阳轮1.5输出给三级行星轮系3。二级齿圈2.1通过二级齿圈左轴承2.2和二级齿圈右轴承2.5设置在二级行星架2.3上；
所述二级齿圈2.1内表面通过机加工行成2角接触球滚道表面，二级行星架上固定2个接触球轴承内圈，通过轴承的预紧，使得二级齿圈2.1的旋转中心与二级行星架2.3中心始终同心，消除和减少二级齿圈2.1的重力对与二级行星轮系2的啮合的不均影响；
所述三级齿圈3.3通过三级法兰3.2固定在二级行星架2.3上，发电机是通过安装法兰3.4固定在三级齿圈3.3上，所述三级行星架3.1的左侧通过轴承支撑二级行星架2.3上，右侧通过轴承支持在发电机安装法兰3.4上；所述三级行星架3.1与一级太阳轮1.5连接，通过一级太阳轮1.5带动三级行星架3.1旋转，三级行星架3.1通过3级行星齿轮间的啮合驱动三级太阳轮3.5，三级太阳轮3.5通过联轴器与发电机5的输入轴连接，最终驱动发电机旋转，切割磁力线对外输出电能。
一级齿圈1.1通过2个轴承支撑在机舱系统4内，二级行星架2.3的右侧通过法兰直接和机舱系统4连接。
所述机舱系统4包括圆柱式机舱壳体4.1和下圆柱体4.2，所述下圆柱体4.2的一端与圆柱式机舱壳体4.1的侧壁交汇连通，所述圆柱式机舱壳体4.1和下圆柱体4.2的截面呈T字型结构；所述圆柱式机舱壳体4.1与风机的轮毂对接，所述圆柱式机舱壳体4.1内部设置了3个支撑架，支撑主轴和行星架，大幅度提高整个机舱系统的刚性和强度，且承担了齿轮箱的壳体功能，降低了整个机舱的重量，所述下圆柱体4.2主要与风机的偏航系统，塔筒等零部件连接。
工作原理：
一级行星轮系整体利用一级齿圈的外壳通过2个轴承支撑在圆柱式机舱壳体内，一级齿圈直接挑起整个风轮，省去了主轴；一级行星轮系中的一级齿圈左侧通过法兰与风轮系统连接，一级齿圈利用一级右花键法兰通过花键连接副与二级行星轮系的二级齿圈连接，风轮驱动一级齿圈的时候也驱动二级齿圈旋转。风轮系统捕获风能后旋转，带动一级二级齿圈同时旋转，一级二级齿圈共同分担风轮的捕获风能。二级齿圈通过二级行星轮系内齿轮啮合运动带动二级太阳轮旋转，并将二级齿圈分担的来自风轮的能量传递给二级太阳轮，二级太阳轮与一级行星架连接；二级太阳轮带动一级行星架旋转；并将二级齿圈分担的风轮的能量传递给一级行星架。一级齿圈和一级行星架同时旋转，按照一级行星轮系内部齿轮啮合运动关系带动一级太阳轮旋转；并将一级齿圈分担风轮捕获的能量和二级太阳轮的能量（来自与二级齿圈分担部分）传递给一级太阳轮，一级太阳穿过中空的二级太阳轮与三级行星架连接，驱动三级行星架旋转，三级行星架通过3级行星齿轮的啮合运动旋转驱动三级太阳轮，三级太阳轮与发电机输入轴连接，驱动发电机旋转，切割磁力线对外输出电能，实现风能转变成电能。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风电主传动系统，其特征在于：它包括一级行星轮系（1）和二级行星轮系（2）；所述一级行星轮系（1）包括一级齿圈（1.1）；二级行星轮系（2）包括二级齿圈（2.1）；所述一级齿圈（1.1）的左端通过法兰与功率输入系统连接，所述一级齿圈（1.1）的右侧设置一级右花键法兰（1.4），所述二级齿圈（2.1）通过左侧设置花键与一级齿圈（1.1）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种风电主传动系统，其特征在于：所述一级行星轮系（1）还包括一级行星架组件（1.3）和一级太阳轮（1.5），所述一级齿圈（1.1）的左侧设置一级左法兰（1.2），一级行星架组件（1.3）通过轴承支撑在一级左法兰（1.1）和一级右花键法兰（1.2）上，一级行星架组件（1.3）被二级太阳轮（2.4）驱动旋转。
3.根据权利要求1所述的一种风电主传动系统，其特征在于：所述二级行星轮系（2）还包括二级行星架组件（2.3）和二级太阳轮（2.4），所述二级齿圈（2.1）与二级行星架（2.3）相啮合，所述二级行星架组件（2.3）通过二级行星轮与二级太阳轮（2.4）相啮合，二级齿圈（2.1）通过二级齿圈左轴承（2.2）和二级齿圈右轴承（2.5）设置在二级行星架（2.3）上；所述二级太阳轮（2.4）通过花键与一级行星架（1.3）连接。
4.根据权利要求1所述的一种风电主传动系统，其特征在于：它还包含三级行星轮系（3），三级行星轮系（3）包括三级行星架组件（3.1）、三级齿圈（3.3）和三级太阳轮（3.5），所述三级齿圈（3.3）和发电机安装法兰（3.4）固定在二级行星架（2.3）上。
5.根据权利要求4所述的一种风电主传动系统，其特征在于：所述三级行星架（3.1）的左侧通过轴承支撑在二级行星架（2.3）上，右侧通过轴承支持在发电机安装法兰（3.4）上；所述三级行星架（3.1）与一级太阳轮（1.5）连接，三级行星架（3.1）旋转驱动三级太阳轮（3.5），三级太阳轮（3.5）与发电机（5）连接。
6.根据权利要求2所述的一种风电主传动系统，其特征在于：所述一级左法兰（1.2）和一级右花键法兰（1.4）上设有安装孔并通过安装孔设置一级行星架轴承，一级行星架轴承支撑一级行星架（1.3）；一级行星架（1.3）和一级齿圈（1.1）通过一级左法兰（1.2）和一级右花键法兰（1.4）形成一个封闭的整体。
7.根据权利要求1所述的一种风电主传动系统，其特征在于：一级齿圈（1.1）通过轴承支撑在机舱系统（4）内，二级行星轮系（2）通过法兰和机舱系统（4）连接。
8.根据权利要求7所述的一种风电主传动系统，其特征在于：所述机舱系统（4）包括机舱壳体（4.1）和下壳体（4.2），所述下壳体（4.2）的一端与机舱壳体（4.1）的侧壁连通。
9.根据权利要求8所述的一种风电主传动系统，其特征在于：所述机舱壳体（4.1）内部设置了多个支撑架。
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