JP2015513048A - トランスミッション - Google Patents

Abstract

本発明は、風力タービンのタワーの最上部の、タービンと発電機との間のハウジング内に組み付けられたトランスミッションであって、トランスミッションはギアボックスを具備し、ギアボックス内に、主ギアシャフトに組み付けられた主ギアと、主ギアのギア歯のセットと係合したピニオンと、を具備したトランスミッションに関する。ピニオンはピニオンシャフトに組み付けられており、ピニオンシャフトはギアボックスに組み付けられた油圧ポンプに連結されており、油圧モータは前記発電機を駆動する。本発明によれば、主ギアシャフトとロータシャフトとは、一体となって共通シャフトを形成し、主ギアベアリングは共通シャフトとギアボックスとの間に組み付けられ、少なくとも２つのテンションバーはギアボックスの回転を防止し、且つギアボックスの直線方向における自由な移動を可能にしている。

Description

本発明は請求項１の前段の通りのトランスミッションに関する。そのような装置は、特許文献１から公知である。この公報は、風力エネルギによって回転されるドライブシャフトに接続可能な入力ギアトレイン、ならびに入力ギアトレインと発電機との間に介挿された複数の油圧回路を備えた風力タービン駆動システムを記述している。公報はギアボックスの一部の入力ギアトレインを機能的に記述している。

公知のギアボックスはギアのためのベアリングを支持しており、ハウジングはギアボックスを支持している。ブレードの長さのような寸法が増加する場合、ロータベアリングおよび主ギアの寸法も増加し、ブレードの回転速度は減少する。寸法の増加のために、ある程度離れて配置された２つのベアリングを備えたロータシャフトの支持に関する従来の解決策は、様々な構成部品およびハウジング内の様々な位置における温度差による望ましくない寸法変化を防止するために、ベアリングの基礎に関する複雑な解決策を導くため、もはや所望されていない。

国際公開第２０１１／０１１６８２号パンフレット

公知のデザインにおける複雑な解決策を回避するために、単独のベアリングがロータシャフトを支持している。しかしながら、公知のデザインにおいては、高負荷に帰結する所望の寸法および／または変形の寸法偏差はギアボックス内に依然として発生し、このことはギアボックスの構造において好ましくない危険を導いている。

これらの危険を減少または回避するために、ギアボックスは請求項１の通りである。このように、重力を除いてギアボックスに負荷される力は、主ギアシャフトとロータシャフトとの間のトルクに限定される。主ギアの位置に対する主ギアシャフトの使用によるギアボックスの位置の固定は、その変形、振動、または任意のハウジングもしくはロータの好ましくない他の動作を回避し、主ベアリングはピニオンと主ギアとの歯の係合に影響を与え、ギアへの追加の荷重を回避する。主ギアとピニオンとの間の力はギアボックス内に残存し、ピニオンへのトルクは油圧に伝達されて、これ以上トルクまたは力を残存させない。テンションバーは、ギアボックスへのあらゆる線形の力に帰結することなく、主ギアへのトルクをハウジング内に戻すように導く。このことは、ギアの機能に影響を与えるであろうギアボックス内の任意の変形を回避する。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項２の通りである。このように、主ギアはかなり高いトルクを伝達することが可能であり、同時にギア歯の第１セットにかかる歯の力はギア歯の第２セットにかかる力と等しいが、反対向きであり、結果としてのトルクのみが残存し、且つ主ギアを支持しているベアリングには結果的に荷重がかからない。歯の力は主ギアをピニオン間に維持し、これらの力はギアボックス内のピニオンベアリングを介して互いに対抗作用し、ピニオンベアリングは互いに近接して配置されて、変形が無視される。このことは、主ギアとピニオンとの間の相互作用の精度を改善する。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項３の通りである。このように、ピニオンの数は増加され、ピニオンと主ギアとの間の力は主ギアの周囲に均等に分散されて、主ギアにかかる力は残存しない。ピニオンは主ギアの周囲に均等に離間されたピニオン力を負荷し、これらの力はギアボックスの曲げ力に帰結することなく、主ギアおよびギアボックスの曲げまたは変形は回避される。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項４の通りである。このように、ギアボックスの中央には開口部が形成され、保守作業者はロータにアクセス可能であり、これによってポンプは中央にあってもよく、空間の要求を減少している。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項５の通りである。このように、オイルシールが各外周の表面を覆っており、表面を取り囲んだバネ要素はシールの適切な機能を保障している。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項６の通りである。このように、大径の主ギアはギア本体を形成したブッシュの内側と外側とにギア歯を備えている。主ギアは、ピニオンに対して回転軸の方向においてギアボックス内において移動可能である。主ギアの内側および外側の歯数は異なっていてもよく、ポンプは異なった回転速度を有し得る。ポンプがギアボックスの大きい周にある場合、ポンプおよびピニオンの数は例えば６または８に増加することが可能である。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項７の通りである。このように、主ギアおよびピニオンは、主ギアおよびピニオンの回転軸の両方向において正確に配置されなければならない。したがって、ギアは効率的な方法において高荷重を伝達し、ポンプはギアボックス内に置かれることが可能であり、これによってハウジングの寸法を減少させている。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項８の通りである。このように、ピニオンとピニオンとの間の主ギアの位置自体は、煩雑な設定を行うことなくピニオン軸の軸方向に移動することが可能である。ポンプはギアボックス内に置かれることが可能であり、これによってハウジングの寸法を減少させている。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項９の通りである。このように、ピニオンのギア歯はより長く主ギアと係合しており、伝達される荷重はより大きく、且つギアはより滑らかに動作する。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項１０の通りである。このように、ポンプはアクセス容易であり、ハウジングの寸法はロータベアリングの最大寸法に制限されることが可能である。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項１１の通りである。このように、ポンプはより高い回転速度を獲得し、ポンプはより小さい一拍の吐出量を有することが可能であり、したがってより小型化され、一方で同一の容量を獲得している。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項１２の通りである。このように、ポンプから油圧モータへと流れるオイルの不規則性は緩和され、発電機の回転を乱さない。

実施形態によれば、トランスミッションは請求項１３の通りである。このように、少なくとも１つのピニオンは反対向きに主ギアに荷重を負荷し、これはすべてのピニオンと主ギアとの間の荷重の原因となる。このことは、ロータが停止し且つ後方に振動し得る場合において、歯面の衝突を防止し、且つこれらの衝突が歯面の損傷を導くことを防止している。歯は予備張力が存在した状態となり、歯面の衝突の繰り返しの結果として損傷することが回避されている。

これ以降、本発明は図を使用していくつかの実施形態の補助とともに明確にされる。

風力タービンの側面を示した図である。 風力タービンのブレードと発電機との間のトランスミッションの第１実施形態の概略を示した図である。 風力タービンのブレードと発電機との間のトランスミッションの第２実施形態の概略を示した図である。 風力タービンのブレードと発電機との間のトランスミッションの第３実施形態の概略を示した図である。 ブレードと発電機との間のトランスミッションの油圧系統の概略図である。 ギアボックスを備えたハウジングの実施形態の概略的な断面を示した図である。

図１はタワー１に組み付けられたナセル３を示している。ハブ６はナセル３内に組み付けられ、ハブ６はブレードシャフト４の周りに回転可能である。ブレード５はハブ６に取り付けられている。ナセル３はヨーシャフト２の周りに回転可能であり、ブレードシャフト４は主の風向に向けられることが可能である。風から発電するために、装置のサイズは経済効率に関して最も重要であると考えられ、長いブレードを備えた大きい風力タービンは効率的な発電のために最も適切である。空気を介して移動する場合に、ブレード５の先端の最大速度の自然の限界のために、タービンの回転速度はブレード長さの増大に伴って低下する。３０〜８０ｍの長さのブレードを備えた風力タービンに関しては、ハブ６の回転速度は毎分１０〜２５回転の間に制限される。

発電機１６は発電のためにナセル３内に配置されている（図２および図３参照）。発電機１６はブレード５によって発生した動力を電気に変換することに適しており、毎分１５００回転の最大回転速度で回転するため、発電機１６の寸法は制限されている。ある場合においては、発電機１６は毎分３０００回転の最大回転速度に関して適している。このことは、発電機１６とハブ６との間のトランスミッションが６０〜１５０の間のトランスミッション比を有することを意味している。

図２は、発電機１６とハブ６との間のトランスミッションの実施形態を概略的に示している。ハブの内部には、ブレード５のピッチ角を調節するためのブレード調節装置が設けられている。ハブ６は、ベアリング８に支持された第１シャフト９に連結されている。ベアリング８はギアボックス１７内に組み付けられている。円筒ギア１０は第１シャフト９に組み付けられている。ギアボックス１７の内部には、ベアリング１１に支持された５つのピニオン１２が設けられている。ピニオン１２はギア１０と係合し、ギア１０はピニオン１２の５〜１０倍の数の歯を備えている。図示された実施形態においては、ハブ６とギア１０とは共通のシャフト９を備えている。別の実施形態においては、ハブ６とギア１０とは整列された別々のシャフトを備えており、それらはカップリングによって連結されていてもよい。

ポンプ１３は各ピニオン１２に連結されており、ライン１４はポンプ１３を油圧モータ１５に連結している。油圧モータ１５は発電機１６を駆動する。油圧モータ１５の一拍の吐出量は２．５ｄｍ３となり得るポンプ１３の一拍の吐出量よりも小さく、油圧モータの一拍の吐出量は例えば１ｄｍ３である。このように、５つのポンプ１３と油圧モータ１５との間の回転速度のトランスミッション比は１２．５である。

図３は、図２による実施形態と同等の実施形態を示しており、ピニオン１２のシャフトはクラウンギア１８のシャフトに直交している。ピニオン１２のシャフトはギアボックス１９の中心に向けられており、ポンプはギアボックス１９の周囲の内側に配置されている。図示された実施形態においては、クラウンギア１８はシャフト２０を備え、クラウンギア１８は一方向ベアリングを備えている。さらなる実施形態においては、クラウンギア１８のベアリングは、クラウンギア１８およびハブ６の歯の直径に匹敵した直径を有し、ギアボックス１９はリング形状であり、これによってポンプ１３はリングの内側に配置されている。

図４は、図２または図３の実施形態と同等の第３実施形態を示している。図４の実施形態においては、クラウンギア１８はベアリング８によって支持されたリング形状の中空シャフト２０であり、ベアリング８はハブ６の中空シャフトのためのベアリングとしても寄与している。ギアボックス１９は中空リングのような形状である。ピニオン１２の回転軸はシャフト２０の回転軸と角度をなしており、図示された実施形態においては、ポンプ１３はギアボックス１９の内側に配置されている。

図５は、ポンプ１３と油圧モータ１５との間の接続を示した、簡略化された油圧系統図である。１つのポンプはポンプ／モータ２２として設計されている。高圧ライン２１は油圧モータ１５の高圧側、ポンプ１３、および高圧アキュムレータ３０を接続している。低圧ライン２７は油圧モータ１５の低圧側、ポンプ１３、および低圧アキュムレータ２９を接続している。バルブ２３および２５を介して、ポンプ／モータ２２の第１流入口は低圧ライン２７または高圧ライン２１のいずれかに接続され得る。バルブ２４および２６を介して、ポンプ／モータ２２の第２流入口は低圧ライン２７または高圧ライン２１のいずれかに接続され得る。バルブ２８は油圧モータ１５を通じてオイルの流れを遮断する。

制御システム（図示略）はバルブ２３、２４、２５、２６、および２８を制御している。通常使用の間、バルブ２３、２４、２５、および２６は、ポンプ／モータ２２が標準のポンプとして作動するように設定される。風が凪いでいる場合においては、バルブ２８は油圧モータ１５の回転を遮断し、一方で高圧アキュムレータ３０と低圧アキュムレータ２９との間の圧力差は残存している。バルブ２３、２４、２５、および２６は、ポンプ／モータ２２がモータとして作動され、且つピニオン１２とギア１０またはクラウンギア１８との間の歯の力を生じるように設定される。このように、ギアの間の歯のあそびは抑制され、このことはまた、ギア側面の衝突が存在しないことを意味している。このことはギア側面の耐久性を向上させている。

実施形態は、ブレードのための水平回転軸を備えた風力タービンを示している。垂直回転軸を備えた風力タービンも公知である。図に示されたような実施形態は、ブレードの低回転速度を発電機の高回転速度に伝達するために形成され、且つ使用されることが可能である。

実施形態は、ブレードの回転軸と発電機のシャフトとの間のトランスミッションが固定値を有することを示している。１つ以上のポンプを、ポンプと油圧モータとの間のオイル流れから隔離することは、トランスミッション比を変化させることに通じ、この比を発生した状況により良好に適合させることが明確である。発電機１６とグリッド接続部３２との間のコンバータ３１は、発電機１６によって発生したＡＣ電流の周波数をグリッド接続部３２の所望の周波数に変換する。

図６は、ギアボックス１７の径方向に対向した側において、ポンプ１３の２つのセットを備えたギアボックス１７を備えたナセル３の実施形態の概略的な断面を示している。図６においては、ギアボックス１７の上半分は２つのピニオン１２の回転軸を通じた第１断面を示している。図６においては、ギアボックス１７の下半分はポンプ１３の図とともに、第１断面に直交した第２断面を示している。

タワー１の最上部は上部フランジ３３を備えている。上部フランジ３３の上にはハウジング３５を支持したヨーベアリング３４が設けられ、これによってハウジング３５はヨー軸２の周りに回転可能である。ハウジング３５はナセル３の構造部分であり、略水平なロータ回転軸５４を備えたロータベアリング３６を支持している。ハウジング３５は補強フランジ５０と、ロータベアリング３６が荷重下において変形に対して十分な抵抗を有することを保障した他の補強と、を備えている。

ロータベアリング３６はシール（図示略）を備え、ベアリングの適切な潤滑を保障しており、ロータベアリング３６の外周の周りにはカバー（図示略）が設けられ、ロータベアリング３６の保護および周囲環境に対するシールを確実にしている。ハウジングカバー５１はハウジング３５に取り付けられて空間を形成し、その内部に発電機１６が配置されている。空間は床と桁とを備え、冷却器および／またはオイルタンク、オイルクーラー、ならびに設備の機能に関する他の機器を備えている。様々な構成要素を制御するための制御システム５２も収容している。

ロータベアリング３６はハブシャフト３８および主ギアシャフト４１を支持しており、連結プレート３７はロータベアリング３６を主ギアシャフト４１に固定している。第１クラウンギア４２と第２クラウンギア４５とは、主ギアシャフト４１に対してボルト留めされている。ハブシャフト３８とともに、連結プレート３７、主ギアシャフト４１、第１クラウンギア４２、および第２クラウンギア４５は、ロータベアリング３６によって支持された共通のシャフトを一体となって形成している。他の実施形態においては、組み立ての容易のためまたは他の理由のために、共通シャフトを形成した部品はさらなる部品に再分割されるか、異なったように再分割されるか、または部品が異なった方法において組み立てられる。

主ギアベアリング４３はギアボックスハウジング４６および共通シャフトを支持しており、この実施形態においては、特に第１クラウンギア４２は主ギアベアリング４３を支持している。主ギアベアリング４３はクラウンギア４２および４３の軸方向動作を可能にするために適しており、これらのギアは軸方向においてそれら自身を位置決めすることが可能である。テンションバー５５はギアボックスハウジング４６およびブラケット５７に組み付けられたバネ５６に締結されており、ブラケット５７はハウジング３５の内側に対して締結され、テンションバー５５の軸５４の周りの回転を防止し、それにともなったギアボックスハウジング４６の回転を防止している。

ギアボックスハウジング４６と第２クラウンギアとの間にはシール４４が設けられており、ギアボックスハウジング４６と主ギアシャフト４１との間にはシール４０が設けられている。シール４０および４４は、シール面が内径側であり、且つシール４０および４４が、潤滑油がギアボックス１７の外側に流れることを防止するオイルシールとされ得るように組み付けられている。

図６は、第１クラウンギア４２に係合されたピニオン１２と、第２クラウンギア４５に係合されたピニオン１２と、を示している。ピニオンシャフト４９は、ピニオン１２をポンプ１３と接続している。ポンプ１３はギアボックスハウジング４６に連結されたポンプハウジングを備え、ポンプハウジングはピニオンシャフトベアリング４９を支持している。オイルライン４７は、ポンプ１３と油圧モータ１５とを接続している。油圧モータ１５は、ナセル３内のフレームにサポート５３とともに組み付けられた発電機１６に連結されている。

図６の実施形態は、ギアボックス１７の中央部に組み付けられた４つのポンプ１３を備えた２つのクラウンギア４２および４５を示しており、これによってポンプ１３の回転軸はロータによって駆動されるクラウンギア４２および４５の回転軸に直交している。これ以前に示されたように、クラウンギアの代わりに、円錐ギアまたは内側歯と外側歯とを備えた円筒ホイールが使用可能であり、ロータによって駆動されるホイールとピニオンとの間の角度は０°〜９０°の間で任意の数値をとり得る。ロータによって駆動されるギアが１セットのみのギア歯を備えている場合において、主ギアベアリング４３は軸方向力を吸収することに適している。

図示された線図においては、タンク、冷却システム、高圧安全弁、低圧アキュムレータ内に低圧を生じさせるための予備負荷システム、警告および安全システム、ならびに油圧システムのための他の保護は、必要に応じて組み込み可能であるが、図示されていない。ベアリングおよびギアのための潤滑システムも図示されていないが、それらは必要に応じて組み込まれる。

１ ・・・タワー
２ ・・・ヨーシャフト
３ ・・・ナセル
４ ・・・ブレードシャフト
５ ・・・ブレード
６ ・・・ハブ
８，１１ ・・・ベアリング
９ ・・・第１シャフト
１０ ・・・円筒ギア
１２ ・・・ピニオン
１３ ・・・ポンプ
１４ ・・・ライン
１５ ・・・油圧モータ
１６ ・・・発電機
１７，１９ ・・・ギアボックス
１８ ・・・クラウンギア
２０ ・・・シャフト
２１ ・・・高圧ライン
２２ ・・・ポンプ／モータ
２３，２４，２５，２６，２８ ・・・バルブ
２７ ・・・低圧ライン
２９ ・・・低圧アキュムレータ
３０ ・・・高圧アキュムレータ
３１ ・・・コンバータ
３２ ・・・グリッド接続部
３３ ・・・上部フランジ
３４ ・・・ヨーベアリング
３５ ・・・ハウジング
３６ ・・・ロータベアリグ
３７ ・・・連結プレート
３８ ・・・ハブシャフト
４０，４４ ・・・シール
４１ ・・・主ギアシャフト
４２ ・・・第１クラウンギア
４３ ・・・主ギアベアリング
４５ ・・・第２クラウンギア
４６ ・・・ギアボックスハウジング
４９ ・・・ピニオンシャフト
５１ ・・・ハウジングカバー
５２ ・・・制御システム
５５ ・・・テンションバー

Claims (13)

1. 風力タービンのタワーの最上部の、タービンと発電機との間のハウジング内に組み付けられたトランスミッションであって、
   該トランスミッションはギアボックスを具備し、該ギアボックス内に、主ギアシャフトに組み付けられた主ギアと、該主ギアのギア歯のセットと係合したピニオンと、を具備し、
   前記タービンは風力タービンのためのロータブレードを備えたタービンロータと、前記ハウジング内に組み付けられたロータベアリングに支持されたロータシャフトと、を具備し、
   前記ピニオンはピニオンシャフトに組み付けられており、ピニオンシャフトベアリングは前記ギアボックス内において前記ピニオンシャフトを支持しており、前記ピニオンシャフトは前記ギアボックスに組み付けられた油圧ポンプに連結されており、
   油圧モータは前記発電機を駆動し、高圧ラインおよび低圧ラインは前記油圧モータと前記油圧ポンプとを接続したトランスミッションにおいて、
   前記主ギアシャフトおよび前記ロータシャフトは、一体となって共通シャフトを形成し、主ギアシャフトベアリングは前記共通シャフトと前記ギアボックスとの間に組み付けられ、前記ギアボックスの周囲に均等に離間された少なくとも２つのテンションバーは、前記ギアボックスを前記ハウジングに連結しており、前記テンションバーは前記ギアボックスの回転を防止し、且つ前記ギアボックスの直線方向における自由な移動を可能にしていることを特徴とするトランスミッション。
2. 前記主ギアは、前記主ギアシャフトに接続されたギア本体の対向した側に２セットのギア歯を備え、該ギア歯の各セットは同じ寸法を有するピニオンと協働し、２つの前記ピニオンは前記ギア本体の互いに対向した側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
3. 前記ギア歯の１セットまたは各セットは、前記ギア歯のセットの周囲に均等に離間された２つ以上のピニオンと係合していることを特徴とする請求項１または２に記載のトランスミッション。
4. 前記主ギア、主ギアシャフト、およびギアボックスはリング形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のトランスミッション。
5. 第１シールは前記ギアボックス内に組み付けられており、第２シールは前記主ギアシャフトに組み付けられていることを特徴とする請求項４に記載のトランスミッション。
6. 前記主ギアは外周のギア歯のセットと内周のギア歯のセットとを備えた円筒ギアであり、前記主ギアおよびピニオンの回転軸は平行であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のトランスミッション。
7. 前記主ギアは前記ギア本体の両側に円錐歯を備え、前記ピニオンは円錐ギアであり、前記ピニオンの回転軸は前記主ギアの回転軸と角度を形成しているか、または直交していることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のトランスミッション。
8. 前記主ギアのギア歯の各セットは前記ギア本体の一側においてクラウンギアを形成し、前記ピニオンは円筒ギアであり、前記ピニオンの回転軸は前記主ギアの回転軸に直交しているか、または角度を形成し得ることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のトランスミッション。
9. 前記ピニオンは螺旋歯を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のトランスミッション。
10. 前記ポンプはリング形状の前記ギアボックスによって取り囲まれていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のトランスミッション。
11. 前記主ギアの歯のセットの歯数は、前記ピニオンの歯数の少なくとも５倍、場合によっては少なくとも１０倍であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のトランスミッション。
12. 高圧アキュムレータは高圧ラインに接続され、低圧アキュムレータは低圧ラインに接続され得ることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のトランスミッション。
13. バルブが、少なくとも１つのポンプのポートの前記高圧ラインへの接続および前記低圧ラインへの接続を切り替えることが可能であり、このポンプに接続された前記ピニオンは前記主ギアに反力を負荷することを特徴とする請求項１２に記載のトランスミッション。

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