JP2004506845A - 風力タービンのための駆動組立体 - Google Patents

Abstract

風力タービンのための駆動組立体はロータハブ（１４）と、タービンナセル（１５）の如き支持構造体と、サンギヤ（２８）、遊星ギヤ（２５）、回転しない状態で支持構造体に固定されたリングギヤ（２４）及び遊星キャリヤ（２８）を含む遊星形式のギヤトランスミッションユニット（１１）と、リングギヤ及び支持構造体に関してロータハブ（１４）及び遊星キャリヤ（２８）を回転可能に支持する主軸受（２３）とを有し、駆動組立体が風力タービンのロータハブにより発生される力と反応する力の伝達のための２つの実質上独立した力伝達経路を有し、そのうちの第１の力伝達経路がロータハブ（１４）から主軸受（２３）を介して支持構造体（１５）に作用して、主として張り出し負荷力と曲げモーメント力とを伝達し、第２の力伝達経路がロータハブ（１４）から遊星キャリヤ（２８）を介して作用して、主として回転力を伝達する。

Description

【０００１】
本発明は駆動組立体及び風力タービンのためのギヤトランスミッションユニットに関する。
【０００２】
適当な箇所の不足及び民間操業のコストのため、特に沖合の箇所についての大型の風力タービンに対しての要求が続いている。同時に、機械及びその構成部品の寸法及び重量の減少の要求がますます重要になっている。典型的には、風力タービンのロータはトルク及びロータの速度を電気発電機の所要のトルク及び速度に変換するギヤトランスミッションユニットの低速シャフトを駆動する。
【０００３】
風力タービン内での構成部品の一体化は重量を減少させ、駆動組立体を一層小型にする方法であるが、駆動組立体の設計及び実行が種々の構成部品上の外的及び内的負荷の相互干渉を回避することは重要である。一体化された駆動組立体の構造が経済的に及び信頼をもって有効な潤滑を達成できることも重要である。
【０００４】
本発明は構成部品の有利な一体化を可能にする、風力タービンのための改善された駆動組立体及び改善されたギヤトランスミッションユニットを提供することを求める。
【０００５】
本発明の１つの態様によれば、風力タービンの駆動組立体はロータハブと、タービンナセルの如き支持構造体と、サンギヤ、遊星ギヤ、回転しない状態で支持構造体に固定されたリングギヤ及び遊星キャリヤを含む遊星形式のギヤトランスミッションユニットと、リングギヤ及び支持構造体に関してロータハブ及び遊星キャリヤを回転可能に支持する主軸受とを有し、駆動組立体は風力タービンのロータハブにより発生される力と反応する力の伝達のための２つの実質上独立した力伝達経路を有し、そのうちの第１の力伝達経路はロータハブから主軸受を介して支持構造体に作用して、主として張り出し（オーバーハング）負荷力と曲げモーメント力とを伝達し、第２の力伝達経路はロータハブから遊星キャリヤを介して作用して、主として回転力を伝達する。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、ロータハブから発電機へ力を伝達するために風力タービンに使用されるギヤトランスミッションユニットはサンギヤ、遊星ギヤ、タービンナセルの如き支持構造体に回転しない状態で固定されるようになったリングギヤ及び遊星キャリヤを含む遊星形式のギヤトランスミッションユニットと、遊星キャリヤを回転可能に支持し、リングギヤ及び支持構造体に関してロータハブを回転可能に支持するようになった主軸受とを有し、ギヤトランスミッションユニットは風力タービンのロータハブにより発生される力と反応する力の伝達のための２つの実質上独立した力伝達経路を有し、そのうちの第１の力伝達経路は主軸受を介して支持構造体に作用して、主として張り出し負荷力と曲げモーメント力とを伝達し、第２の力伝達経路は遊星キャリヤを介して作用して、主として回転力を伝達する。
【０００７】
従って、本発明は、ロータからの張り出し負荷力及び曲げモーメントがギヤユニットのトルク伝達用低速部分ではなく静止部分に直接接続される軸受により受け取られることを教示する。
【０００８】
好ましくは、遊星キャリヤの回転軸線に平行な軸方向において考えたとき、主軸受はギヤトランスミッションユニットの少なくともリングギヤの軸方向位置に軸方向で実質上整合する位置に存在する。
【０００９】
好ましくは、サンギヤ、遊星ギヤ及びリングギヤは主軸受をも含む（回転力の回転軸線に垂直な）横断面内に存在する。
他の好ましい特徴は、主軸受がリングギヤの歯付き表面の直径よりも大きな直径の内側リング軸受表面を有し、リングギヤの歯付き表面の内方のすべての半径方向位置で、第２の力伝達経路が第１の力伝達経路から実質上独立していることである。
【００１０】
第２の力伝達経路は、捩りに対して硬直であるが、回転力がそのまわりに作用する軸線に平行な軸方向において比較的追従性のある半径方向に延びるトルク伝達部材を含み、もって、曲げ力の結果によるハブの運動がトルク伝達部材の撓みにより少なくとも部分的に受け入れられることが更に好ましい。それにより、トルク伝達部材はギヤトランスミッションユニットを、ギヤトランスミッションユニットの主回転軸線に対しロータハブが受ける曲げ撓みの起こり得る損傷効果から隔離する。
【００１１】
従って、本発明は、その更に別の面において、風力タービンのための主ロータ軸受及びギヤトランスミッションユニットが一体構造となった駆動組立体を提供する。風力タービンのロータハブは好ましくは主軸受の外側リングに接続される。軸受の内側リングは好ましくは遊星ギヤステージのリングギヤにより支持され、そのギヤに直接装着できるか又はリングギヤを支持構造体に接続するフランジに直接装着できる。代わりの構成においては、リングギヤは主軸受の回転可能な軸受構成部品のための軸受表面を提供することができる。
【００１２】
リンングギヤは主軸受のための軸方向及び半径方向の位置を提供できる。リングギヤは主軸受の内側軸受リングの軸方向位置のための肩部を画定するために段付きプロフィールの半径方向外側表面を有することができる。内側軸受リングは肩部と支持構造体との間で軸方向において固定することができる。
【００１３】
リングギヤは補強リングを具備することができ、補強リングはリングギヤの歯付き表面を越えて軸方向又は半径方向に延びることができる。補強リングは主軸受の軸方向位置を提供できる。
【００１４】
主軸受は二重テーパ軸受からなることができ、二重テーパ軸受は単一の外側軸受リングを有することができる。ロータハブは単一の外側軸受リングに関して剛直に固定することができる。二重テーパ軸受はＯ形状に配列されたローラを有することができ、一方の一連のローラは、対の他方の一連のローラから離れる方向において直径が増大する。
【００１５】
更に別の面において、本発明はロータと、発電機と、本発明に従う形式の駆動組立体とを有する風力タービンを提供する。
ギヤトランスミッションユニット、例えばそのハウジングは、電気発電機を支持するように配置することができる。
【００１６】
ここで、本発明の実施の形態を、添付の概略的な図面を参照して、単なる例示として説明する。
風力タービン１０（図１参照）はロータブレード１２及びロータハブ１４からのトルクを電気発電機１３へ伝達するように作用するギヤトランスミッションユニット１１を有し、ギヤトランスミッションユニットは外転ギヤユニットを有する。ギヤトランスミッションユニット及び発電機はナセル１５内に収容され、これに支持される。
【００１７】
ここで、図２、３を参照してギヤトランスミッションユニット１１を一層詳細に説明する。ギヤトランスミッションユニット１１は４つの遊星ギヤ２５、サンギヤ２７、遊星キャリヤ２８及びナセル構造体１５に関して回転しない状態で装着されたリングギヤ２４を備えた外転ギヤユニットを有する。
【００１８】
サンギヤは別のギヤユニットに接続されるか又は発電機１３のロータに直接接続された出力シャフト（図示せず）に接続される。
リングギヤ２４の半径方向外側表面２９は主軸受２３の内側リング３０のための位置及び支持を提供する。
【００１９】
主軸受の外側リング３１はこれに固定されたロータハブ１４を有し、ロータハブとリング３１との間には、遊星キャリヤ２８の外側領域２２が介在する。
遊星キャリヤ２８は４つの遊星ギヤ２５を回転可能に支持する軸受３２を位置決めするために円周方向で等間隔に離間した４つの軸受支持スタッド２６を有する。遊星キャリヤ２８は環状領域３３を有し、この領域は軸受スタッド２６の半径方向位置と外側領域２２との間を半径方向に延び、Ｙ軸線のまわりでの円周方向において比較的硬直になっていて、領域２２と軸受スタッド２６との間でトルクを伝達するようになっているが、Ｘ、Ｚ軸線のまわりでは比較的可撓性を有するように設計される。
【００２０】
上述の構成においては、ロータブレード１２の作用の下にロータハブ１４上に作用するトルクはその外側領域２２において軸受２３の外側リング３１に回転可能に装着された遊星キャリヤ２８を介して遊星ギヤ２５へ伝達される。この構成においてロータハブにより発生されるＹ方向での曲げモーメント及び軸方向力は軸受２３に直接伝達される。遊星キャリヤ２８の環状部分３３の可撓性はこれらの力を遊星ギヤから実質上隔離する補助を行う。
【００２１】
図４は変形例４０を示し、この変形例では、遊星キャリヤ４１は遊星ボギー板４３を支持する３つの一体で円周方向に等間隔で離間したスタッド４２を具備する。遊星ボギー板４３は板４３上の角度位置をそれぞれ自己調整するように配置された３つの円周方向に等間隔で離間したシャフト４４のための支持を提供する。各シャフト４４は板４３の両側で一対の軸受４５、４６のための支持を提供し、これらの軸受のまわりで、一対の遊星ギヤ４７、４８の各々がリングギヤ４９と係合するように回転可能に装着される。
【００２２】
図５に示す更なる変形例５０においては、遊星キャリヤ５６はかご型のデザインである。この構成においては、３つの遊星軸受支持シャフト５１の各々の軸方向一端５２は主軸受５４の外側リングにより支持されるように半径方向外方へ延びる遊星キャリヤの部分５３により支持され、一方、他端５５はシャフト５１間で円周方向に介在する位置に設けられた３つの円周方向に等間隔で離間した支持体５８に担持された補助の駆動板５７により支持される。板５７は中央の開口５９を具備し、出力シャフト６０がサンギヤ６１からこの開口へ延びる。
【００２３】
図６は図２、３の構成の更なる変形例を示す。この構成においては、遊星キャリヤは図５に関して説明した構成と実質上同様に構成される。しかし、リングギヤ６３は、ギヤの外周辺の一部が補強支持リング６４により取り巻かれている点で、異なる。補強リングは例えば鍛造圧延により外側リング６３と一体的に形成されるか又は例えばその上に焼嵌めすることによりそのリングに恒久的に固定される。ナセル構造体１５から軸方向に離れた位置で設けられた支持リングの存在は、主軸受６６の内側リングの軸方向位置のための当接表面６５を提供する。主軸受６６は図７に一層詳細に示す二重テーパ形式の軸受とすることができる。主軸受は２つのテーパリング６７からなる割り型構造の内側リングを有する。軸受は二重テーパ形の単一の外側リング６８を付加的に有する。
【００２４】
図２、３の構成の更なる変形例を図８に示す。この構成８０においては、主ロータ軸受８１の内側リングは、リングギヤ８２に直接装着されていないか又はリングギヤにより支持されていない点で、上述の構成とよい対照をなす。その代わり、軸受８１の内側リングはナセル構造体１５に固定されたフランジ組立体８３により支持される。図９の構成９０においては、軸受の内側リングは位置９１でナセル構造体１５に実質上直接接続される。
【００２５】
図８、９の構成は主軸受の内側リングがナセル構造体１５に関して回転しない状態で固定されることを示すが、主軸受の外側リングはナセル構造体に固定することができ、ロータハブ及び遊星キャリヤは軸受の内側リングにより回転可能に支持されることができることを理解すべきである。
【００２６】
上述の構成においては、サンギヤ、遊星ギヤ及びリングギヤはすべて、遊星キャリヤの回転軸線に平行な軸方向において考えたとき、互いに実質上整合する。本発明の説明した実施の形態に共通の更なる特徴は、主軸受が内側リング軸受表面を有し、その直径がリングギヤの歯付き表面の直径よりも大きいことである。主軸受へのロータハブの実質上直接の取り付けのため、リングギヤの歯付き表面の内方のすべての半径方向位置において、回転軸線Ｙのまわりでの回転によって生じる力以外の曲げ力及び他の力をナセル支持構造体へ伝達する力伝達経路とは実質上独立のトルク伝達経路が提供される。
【００２７】
風力タービンに使用されるような本発明の駆動組立体及びギヤトランスミッションユニットから生じる利点は、風力タービンのロータブレードにより発生される張り出し負荷が遊星駆動構成部品及び遊星ギヤステージのギヤ噛合接触に対して最小の効果しか与えないことである。これは、今まで知られている構成に比べて、ギヤトランスミッションユニットの増大したパワー定格（ｒａｔｉｎｇ）又は一定のパワー定格に対する寸法の減少を可能にする。また、遊星のギヤ噛合において発生する力が主軸受内の軸受ローラにわたる負荷分布に対して最小の効果しか与えず、従って、主軸受の負荷能力を増大させるか又は一定の負荷能力に対する軸受の寸法の減少を可能にすることを認識すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の駆動組立体を有する風力タービンの立面図である。
【図２】本発明に係るギヤトランスミッションユニットの断面図である。
【図３】図２の一部を一層詳細に示す図である。
【図４】図２、３の構造の変形例を示す図である。
【図５】図２、３の構造の変形例を示す図である。
【図６】図２、３の構造の変形例を示す図である。
【図７】図６の一部を一層詳細に示す図である。
【図８】図２、３の構造の更なる変形例を示す図である。
【図９】図２、３の構造の更なる変形例を示す図である。

Claims (26)

1. 風力タービンのための駆動組立体において、
   ロータハブと、タービンナセルの如き支持構造体と、サンギヤ、遊星ギヤ、回転しない状態で上記支持構造体に固定されたリングギヤ及び遊星キャリヤを含む遊星形式のギヤトランスミッションユニットと、上記リングギヤ及び当該支持構造体に関して上記ロータハブ及び上記遊星キャリヤを回転可能に支持する主軸受とを有し、上記駆動組立体が上記風力タービンの当該ロータハブにより発生される力と反応する力の伝達のための２つの実質上独立した力伝達経路を有し、そのうちの第１の力伝達経路が該ロータハブから上記主軸受を介して該支持構造体に作用して、主として張り出し負荷力と曲げモーメント力とを伝達し、第２の力伝達経路が該ロータハブから当該遊星キャリヤを介して作用して、主として回転力を伝達することを特徴とする駆動組立体。
2. 上記遊星キャリヤの回転軸線に平行な軸方向において考えたとき、上記リングギヤが上記主軸受と軸方向で実質上整合することを特徴とする請求項１に記載の駆動組立体。
3. 上記主軸受が上記リングギヤの歯付き表面の直径よりも大きな直径の内側リング軸受表面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動組立体。
4. 上記サンギヤ、上記遊星ギヤ及び上記リングギヤが上記主軸受を含む横断面内に位置することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動組立体。
5. 上記リングギヤの歯付き表面の内方のすべての半径方向位置において、上記第２の力伝達経路が上記第１の力伝達経路とは実質上独立していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の駆動組立体。
6. 上記第２の力伝達経路が、捩りに対して硬直であるが、回転力がそのまわりで作用する軸線に平行な軸方向において比較的追従性のある半径方向に延びるトルク伝達部材を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の駆動組立体。
7. 上記主軸受の外側リングが上記風力タービンの上記ロータハブに接続されるか又は接続されるようになっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の駆動組立体。
8. 上記主軸受及び上記ギヤトランスミッションユニットが一体構造のものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の駆動組立体。
9. 上記リングギヤが上記主軸受の回転可能な軸受構成部品のための軸受表面を提供することを特徴とする請求項８に記載の駆動組立体。
10. 上記主軸受の内側リングが上記リングギヤにより支持されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の駆動組立体。
11. 上記リングギヤが上記主軸受のための軸方向及び半径方向の位置を提供することを特徴とする請求項１０に記載の駆動組立体。
12. 上記リングギヤが上記主軸受の内側軸受リングの軸方向の位置のための肩部を画定するために段付きプロフィールの半径方向外側表面を有することを特徴とする請求項１１に記載の駆動組立体。
13. 上記内側軸受リングが上記肩部と上記支持構造体との間で軸方向において固定されることを特徴とする請求項１１に記載の駆動組立体。
14. 上記リングギヤが補強リングを具備することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の駆動組立体。
15. 上記補強リングが上記リングギヤの歯付き表面を越えて軸方向及び／又は半径方向に延びることを特徴とする請求項１４に記載の駆動組立体。
16. 上記補強リングが上記主軸受の軸方向の位置を提供することを特徴とする請求項１２又は１３に係る請求項１４又は１５に記載の駆動組立体。
17. 上記主軸受が上記リングギヤを上記支持構造体に接続するフランジに装着されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の駆動組立体。
18. 上記主軸受が二重テーパ軸受からなることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の駆動組立体。
19. 上記二重テーパ軸受が単一の外側軸受リングを有することを特徴とする請求項１８に記載の駆動組立体。
20. 上記ロータハブが上記単一の外側軸受リングに関して剛直に固定されることを特徴とする請求項１９に記載の駆動組立体。
21. 上記二重テーパ軸受がＯ形状に配列されたローラを有し、一方の一連の上記ローラが、対の他方の一連の上記ローラから離れる方向において直径が増大することを特徴とする請求項１８ないし２０のいずれかに記載の駆動組立体。
22. 上記ギヤトランスミッションユニットが電気発電機を支持するようになっていることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載の駆動組立体。
23. 実質上上述したような、請求項１に係る風力タービンのための駆動組立体。
24. 風力タービンにおいて、
    ロータと、電気発電機と、請求項１ないし２３のいずれかに記載の駆動組立体とを有することを特徴とする風力タービン。
25. ロータハブから発電機へ力を伝達するために風力タービンに使用されるギヤトランスミッションユニットにおいて、
    サンギヤ、遊星ギヤ、タービンナセルの如き支持構造体に回転しない状態で固定されるようになったリングギヤ及び遊星キャリヤを含む遊星形式のギヤトランスミッションユニットと、上記遊星キャリヤを回転可能に支持し、上記リングギヤ及び上記支持構造体に関して上記ロータハブを回転可能に支持するようになった主軸受とを有し、上記ギヤトランスミッションユニットが上記風力タービンの当該ロータハブにより発生される力と反応する力の伝達のための２つの実質上独立した力伝達経路を有し、そのうちの第１の力伝達経路が上記主軸受を介して当該支持構造体に作用して、主として張り出し負荷力と曲げモーメント力とを伝達し、第２の力伝達経路が当該遊星キャリヤを介して作用して、主として回転力を伝達することを特徴とするギヤトランスミッションユニット。
26. 実質上上述したような、請求項２５に係るギヤトランスミッションユニット。

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