CN113586669A - 一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，它包括一级行星轮系、二级行星轮系、支撑主结构、发电机和主轴；所述主轴的左侧与输入系统连接，右侧与一级行星架连接，所述一级行星架通过浮动花键套与二级齿圈浮动连接，所述二级齿圈设置在二级行星架上，主轴旋转时同时驱动一级行星架和二级齿圈，一级行星架带动一级行星轮旋转，二级齿圈带动二级行星轮旋转，实现功率分流。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

一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统
技术领域
本发明涉及机械传动技术领域，尤其涉及集成式功率分流可拆分风电主传动系统，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，特别是易损坏的齿圈结构失效时，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，提供一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，简化齿圈结构，降低工艺和制造难度，节省行星架轴承，降低生产成本。
本发明的目的是这样实现的：它包括一级行星轮系、二级行星轮系、支撑主结构、发电机和主轴，所述一级行星轮系包括一级齿圈、一级行星架和一级太阳轮，所述二级行星轮系包括二级齿圈、二级行星架和二级太阳轮；所述主轴的左侧与输入系统连接，右侧与一级行星架连接，所述一级行星架通过浮动花键套与二级齿圈浮动连接，所述二级齿圈设置在二级行星架上，主轴旋转时同时驱动一级行星架和二级齿圈，一级行星架带动一级行星轮旋转，二级齿圈带动二级行星轮旋转，实现功率分流。
进一步地，所述一级齿圈通过第一转接套与二级太阳轮连接，所述二级齿圈带动二级太阳轮旋转，二级太阳轮通过第一转接套带动一级齿圈旋转，一级齿圈和一级行星架的旋转共同驱动一级太阳轮旋转。
进一步地，所述一级太阳轮可直接驱动发电机。
进一步地，它还可包括三级行星轮系，所述三级行星轮系包括三级行星架、三级太阳轮和三级齿圈；所述主轴的内部设有支撑法兰，所述支撑法兰与三级行星架连接，主轴驱动一级行星架和二级齿圈的同时驱动三级行星架，实现功率三分流。
进一步地，所述三级齿圈的右侧通过第二转接套与一级太阳轮连接，由此一级太阳轮带动三级齿圈旋转，三级行星架和三级齿圈的旋转共同驱动三级太阳轮旋转。
进一步地，它还包括三级行星轮系，所述三级行星轮系包括三级行星架、三级太阳轮和三级齿圈；所述三级行星轮系通过三级行星架轴承支撑在二级行星架的右侧，三级齿圈通过三级齿圈法兰固定在二级行星架上；三级行星架与一级太阳轮连接。
进一步地，所述三级太阳轮与发电机连接。
进一步地，所述三级太阳轮驱动四级齿轮传动，四级传动可以是行星传动也可以是平行级传动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明将主轴与齿轮箱一体化设计，主轴通过两个主轴轴承支撑在外部的支撑主结构上，主轴左侧通过法兰连接输入系统：轮毂系统或风轮系统，在轮毂侧延伸法兰并通过螺栓/销子实现其与轮毂连接，支撑起左侧的输入系统，主轴的右侧与一级行星级组件中的一级行星架通过螺栓或销子连接，因此风轮直接带动第一级行星架旋转；同时，一级行星架的外部设置有花键法兰，其花键法兰通过浮动花键套与二级齿圈连接，因此一级行星架驱动一级行星轮旋转，同时通过浮动花键套带动二级齿圈旋转；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，二级太阳轮通过第一转接套与一级齿圈连接，通过一级行星轮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输出给一级太阳轮，一级太阳轮可以直接驱动发电机，也可以驱动三级传动；一级行星架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的负载，同等输入扭矩的情况下，行星级齿圈的尺寸可以做得更小，简化了齿圈的结构，降低了工艺难度和生产成本，整体重量更轻；一级齿圈失效后只需更换单独的齿圈，无需再更换整个风轮传动链，降低了维护成本；同时省去了锁紧盘、端盖、扭力臂等大尺寸部件，整体重量更轻，也大大缩减了整个传动链的长度和宽度，进一步减轻整个传动系统的重量，降低了运输成本，在目前公路运输限高限宽的尺寸下实现更大的整机功率。
（2）本发明的主轴内中间还可设置一个支撑法兰，三级行星轮组件通过三级行星架主轴的支撑法兰与固定连接，一级太阳轮通过第二转接套与三级齿圈连接，因此主轴旋转时带动一级行星架旋转，一级行星架驱动一级行星轮旋转，一级行星轮带动一级太阳轮旋转，一级太阳轮带动三级齿圈旋转，三级齿圈带动三级行星架旋转，由此三级行星架和二级齿圈共同旋转，实现功率三分流；三级太阳轮可以直接驱动发电机或四级齿轮传动，四级传动可以是行星传动也可以是平行级传动。
（3）主轴与一级行星架连接，或同时与一级行星架和三级行星架连接，减少行星架的支撑轴承，省去了多个行星架轴承；大幅度降低整个传动链的成本。
（4）本发明的二级行星级组件中的二级行星架通过连接件（螺栓或销）与支撑主结构连接在一起，二级齿圈通过4点接触球轴承副支撑在二级行星架上，二级齿圈外部设置有花键。
（5）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。
（6）本发明的一级行星架和二级齿圈通过浮动花键套连接，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，来隔离风轮弯矩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。
（7）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支撑主结构连接，大幅度提高主结构的刚性和强度。
（8）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。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图。
图2为实施例1的一级行星轮系的剖面示意图。
图3为实施例1的二级行星轮系的剖面示意图。
图4为实施例1的三级行星轮系的剖面示意图。
图5为本发明的实施例2的结构示意图。
图6为实施例2的一级行星轮系的剖面示意图。
图7为实施例2的二级行星轮系的剖面示意图。
图8为实施例2的三级行星轮系的剖面示意图。
其中：
一级行星轮系1、一级齿圈1.1、一级行星架1.2、一级太阳轮1.3、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3.1、三级太阳轮3.2、三级齿圈3.3、支撑主结构4、发电机5、主轴6、支撑法兰6.1、前主轴轴承7、后主轴轴承8、浮动花键套9、第一转接套10、第二转接套11、三级齿圈法兰12、发电机法兰13、三级行星架轴承14。
具体实施方式
实施例1：
参见图1-4，本发明涉及的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，它包括一级行星轮系1、二级行星轮系2、三级行星轮系3、支撑主结构4、发电机5和主轴6，所述一级行星轮系1、二级行星轮系2、三级行星轮系3、发电机5以及主轴6的一部分均设置在支撑主结构4内。
所述一级行星轮系1包括一级齿圈1.1、一级行星架组件和一级太阳轮1.3，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、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、三级太阳轮3.2和三级齿圈3.3；所述一级行星架组件包括一级行星架1.2、一级行星轮、行星轮轴承以及行星销轴，所述二级行星架组件包括二级行星架2.3、二级行星轮、行星轮轴承以及行星销轴，所述三级行星架组件包括三级行星架3.1、三级行星轮、行星轮轴承以及行星销轴。
所述主轴6的左侧通过延伸法兰与输入系统连接，其右侧与一级行星架1.2连接，所述主轴6通过前主轴轴承7和后主轴轴承8设置在支撑主结构4内，所述主轴6伸出支撑主结构4的位置两侧设有前主轴轴承7，所述主轴6靠近一级行星轮系1的一端两侧设有后主轴轴承8。
所述一级行星架1.2上设有花键法兰，二级齿圈2.1上设有花键，所述一级行星架1.2通过浮动花键套9与二级齿圈2.1浮动连接，所述二级齿圈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，由此主轴6旋转时同时驱动一级行星架1.2和二级齿圈2.1，一级行星架1.2带动一级行星轮旋转，二级齿圈2.1带动二级行星轮旋转，实现功率两分流。
所述一级齿圈1.1的右侧设有法兰连接第一转接套10，所述一级齿圈1.1通过第一转接套10与二级太阳轮2.4连接，所述二级齿圈2.1通过行星轮系啮合运动带动二级太阳轮2.4旋转，二级太阳轮2.4通过第一转接套10带动一级齿圈1.1旋转，一级齿圈1.1和一级行星架1.2的旋转通过一级行星轮系1的啮合共同驱动一级太阳轮1.3旋转。
所述主轴6内部设有支撑法兰6.1，所述支撑法兰6.1与三级行星架3.1连接，主轴6驱动一级行星架1.2和二级齿圈2.1的同时驱动三级行星架3.1，实现功率三分流。
所述三级齿圈3.3的右侧设有法兰连接第二转接套11，所述三级齿圈3.3的右侧通过第二转接套11与一级太阳轮1.3连接，由此一级太阳轮1.3带动三级齿圈3.3旋转，三级行星架3.1和三级齿圈3.3的旋转通过三级行星轮系3的啮合共同驱动三级太阳轮3.2旋转，所述三级太阳轮3.2与发电机5连接。
所述支撑主结构4包括圆柱式机舱壳体和下圆柱体，所述下圆柱体的一端与圆柱式机舱壳体的侧壁交汇连通，所述圆柱式机舱壳体和下圆柱体的截面呈T字型结构；所述圆柱式机舱壳体与风机的轮毂对接，所述圆柱式机舱壳体内部设置了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，所述下圆柱体主要与风机的偏航系统，塔筒等零部件连接。
工作原理：
本发明的主轴通过两个轴承支撑在支撑主结构上，主轴左侧通过法兰与输入系统（风轮系统）连接，主轴直接支撑起整个输入系统（风轮系统）；主轴右侧通过法兰与第一级行星架连接；第一级行星架上设置花键法兰，通过花键浮动套与二级行星轮系的二级齿圈连接；输入系统（风轮系统）驱动一级行星架的时候也驱动二级齿圈旋转。风轮系统捕获风能后旋转，带动一级行星架和二级齿圈同时旋转，一级行星架和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输入系统（风轮系统）的能量传递给二级太阳轮，二级太阳轮与一级齿圈连接；二级太阳轮带动一级齿圈旋转；并将二级齿圈分担的风轮的能量传递给一级齿圈。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，一级太阳轮与三级齿圈连接，驱动三级齿圈旋转，三级行星架和三级齿圈通过三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。
实施例2：
参见图5，本实施例2涉及的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，与实施例1的不同之处在于三级行星轮系3，所述三级行星轮系3通过三级行星架轴承14支撑在二级行星架2.3的右侧，三级齿圈3.3通过三级齿圈法兰12固定在二级行星架2.3上；三级行星架3.1与一级太阳轮1.3连接，三级太阳轮3.2与发电机5的输入轴连接；
所述发电机5的壳体通过发电机法兰13与三级齿圈3.3连接；一级太阳轮1.3旋转带动三级行星架3.1旋转，通过行星齿轮的啮合运行带动太阳轮；三级太阳轮3.2带动发电机5发电。
三级太阳轮3.2的右侧可连接平行齿轮传动，通过平行级进一步提升传动比，平行级的高速轴再与发电机轴连接。
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 (8)

1.一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，其特征在于：它包括一级行星轮系（1）、二级行星轮系（2）、支撑主结构（4）、发电机（5）和主轴（6），所述一级行星轮系（1）包括一级齿圈（1.1）、一级行星架（1.2）和一级太阳轮（1.3），所述二级行星轮系（2）包括二级齿圈（2.1）、二级行星架（2.3）和二级太阳轮（2.4）；所述主轴（6）的左侧与输入系统连接，右侧与一级行星架（1.2）连接，所述一级行星架（1.2）通过浮动花键套（9）与二级齿圈（2.1）浮动连接，所述二级齿圈（2.1）设置在二级行星架（2.3）上，主轴（6）旋转时同时驱动一级行星架（1.2）和二级齿圈（2.1），一级行星架（1.2）带动一级行星轮旋转，二级齿圈（2.1）带动二级行星轮旋转，实现功率分流。
2.根据权利要求1所述的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，其特征在于：所述一级齿圈（1.1）通过第一转接套（10）与二级太阳轮（2.4）连接，所述二级齿圈（2.1）带动二级太阳轮（2.4）旋转，二级太阳轮（2.4）通过第一转接套（10）带动一级齿圈（1.1）旋转，一级齿圈（1.1）和一级行星架（1.2）的旋转共同驱动一级太阳轮（1.3）旋转。
3.根据权利要求2所述的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，其特征在于：所述一级太阳轮（1.3）直接驱动发电机（5）。
4.根据权利要求1所述的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，其特征在于：它还包括三级行星轮系（3），所述三级行星轮系（3）包括三级行星架（3.1）、三级太阳轮（3.2）和三级齿圈（3.3）；所述主轴（6）内部设有支撑法兰（6.1），所述支撑法兰（6.1）与三级行星架（3.1）连接，主轴（6）驱动一级行星架（1.2）和二级齿圈（2.1）的同时驱动三级行星架（3.1），实现功率进一步分流。
5.根据权利要求4所述的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，其特征在于：所述三级齿圈（3.3）的右侧通过第二转接套（11）与一级太阳轮（1.3）连接，由此一级太阳轮（1.3）带动三级齿圈（3.3）旋转，三级行星架（3.1）和三级齿圈（3.3）的旋转共同驱动三级太阳轮（3.2）旋转。
6.根据权利要求1所述的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，其特征在于：它还包括三级行星轮系（3），所述三级行星轮系（3）包括三级行星架（3.1）、三级太阳轮（3.2）和三级齿圈（3.3）；所述三级行星轮系（3）通过三级行星架轴承（14）支撑在二级行星架（2.3）的右侧，三级齿圈（3.3）通过三级齿圈法兰（12）固定在二级行星架（2.3）上；三级行星架（3.1）与一级太阳轮（1.3）连接。
7.根据权利要求4或6所述的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，其特征在于：所述三级太阳轮（3.2）与发电机（5）连接。
8.根据权利要求4或6所述的一种集成式功率分流可拆分风电主传动系统，其特征在于：所述三级太阳轮（3.2）驱动四级齿轮传动，四级传动可以是行星传动也可以是平行级传动。
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