NO345863B1

NO345863B1 - Gear unit for use in wind turbines

Info

Publication number: NO345863B1
Application number: NO20200220A
Authority: NO
Inventors: Per Olav Haughom
Original assignee: Wind Spider As
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-09-13
Also published as: WO2021167468A1; NO20200220A1

Description

GIR TIL BRUK I VINDTURBINER GEAR FOR USE IN WIND TURBINES

Foreliggende oppfinnelse angår et gir, spesielt til bruk i vindturbiner. Nærmere bestemt dreier det seg om et gir for å fordele et inngående dreiemoment fra én aksling jevnt på to utgående akslinger. The present invention relates to a gear, particularly for use in wind turbines. More precisely, it is a gear to distribute an input torque from one shaft evenly on two output shafts.

Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention

I vindturbiner er det avgjørende å kunne motta og overføre store dreiemomenter og samtidig kunne avlede ekstreme spissbelastninger på grunn av uryddig lastbilde og store massetreghets momenter i vindpropellen. En kjent måte å redusere et dreiemoment på, er bruk av såkalt planetgir. In wind turbines, it is crucial to be able to receive and transmit large torques and at the same time to be able to divert extreme peak loads due to disordered loads and large moments of mass inertia in the wind propeller. A known way of reducing a torque is the use of so-called planetary gears.

En slik løsning beskrives i Patentskriftet NO20130213, hvor det er montert to planetgir i serie. Ved å montere planetgirene i serie kan et dreiemoment og en oppgiring av rotasjonshastigheten fra en inngående rotoraksel for navet og til en utgående aksel til en generator som er plassert i søylen til vindturbinen skje i en to-gang. Such a solution is described in Patent Document NO20130213, where two planetary gears are mounted in series. By mounting the planetary gears in series, a torque and a gearing of the rotational speed from an input rotor shaft for the hub and to an output shaft of a generator located in the column of the wind turbine can occur in a two-step.

Et problem med løsningen som beskrives heri, er at spissbelastningene ikke blir avledet, og drivlinjen må derfor dimensjoneres for å kunne oppta nevnte spissbelastninger, noe som gir en unødig kraftig drivlinje ved ordinære belastninger, og som tilfører drivlinjen vekt og kostander. A problem with the solution described here is that the peak loads are not diverted, and the driveline must therefore be dimensioned to be able to accommodate said peak loads, which results in an unnecessarily powerful driveline under ordinary loads, and which adds weight and costs to the driveline.

Det søkes derfor etter løsninger som gjør det mulig å ta opp spissbelastningene i en vindturbin på en enklere og rimeligere måte enn hva som er kjent i dag. There is therefore a search for solutions that make it possible to take up the peak loads in a wind turbine in a simpler and more affordable way than what is known today.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk. The purpose of the invention is to remedy or to reduce at least one of the disadvantages of known technology, or at least to provide a useful alternative to known technology.

Generell beskrivelse av oppfinnelsen General description of the invention

Oppfinnelsen er definert av det selvstendige patentkravet. De uselvstendige kravene definerer fordelaktige utførelser av oppfinnelsen. The invention is defined by the independent patent claim. The independent claims define advantageous embodiments of the invention.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkravene. The purpose is achieved by the features indicated in the description below and in the subsequent patent claims.

Det nevnte forhold illustreres i det etterfølgende ved henvisning til et utførelseseksempel for et gir til vindturbiner. Referansen til gir for vindturbiner begrenser på ingen måte søknadens omfang for bruk i andre sammenhenger. The aforementioned relationship is illustrated in the following by reference to an embodiment example for a gear for wind turbines. The reference to gears for wind turbines in no way limits the scope of the application for use in other contexts.

Et gir som er koplet mellom en vindpropell og for eksempel en generator, befinner seg vanligvis en elevert gondol på toppen av en søyle. A gear that is connected between a wind turbine and, for example, a generator, is usually located in an elevated nacelle on top of a column.

Giret er nødvendig for å transformere opp vindturbinens relativt lave turtall til turtall som er hensiktsmessig for en generator. The gear is necessary to transform the wind turbine's relatively low speed to a speed suitable for a generator.

Girets dimensjoner og vekt kan være betydelige og det er innlysende at reduksjon av girets vekt og dimensjoner vil ha stor betydning for kostnader og utførelse til bærekonstruksjoner. The dimensions and weight of the gear can be significant and it is obvious that reducing the weight and dimensions of the gear will have a major impact on the costs and performance of the support structures.

Det er tilveiebrakt et gir koblet til en aksling opplagret i lagerbukker og forbundet til et nav med fester for tilkobling av vindturbinblader. Giret har en inngående aksel koblet til en planetbærer og to parallelle planetgir med planethjul, ringdrev og med solhjul forbundet til utgående akslinger koblet til vinkeltannhjul i inngrep med et vinkeltannhjul opplagret i akslinger mot husdeler med forbindelse til en utgående flens. A gear is provided connected to a shaft stored in bearing trays and connected to a hub with mounts for connecting wind turbine blades. The gear has an input shaft connected to a planet carrier and two parallel planetary gears with planet wheels, ring drives and with sun wheels connected to output shafts connected to bevel gears in engagement with an bevel gear stored in shafts against housing parts with connection to an output flange.

Mer spesifikt er det tilveiebrakt en giranordning der en inngående drivaksel i en planetgiranordning er koblet sammen til en felles planetbærer for to parallelle planetgir slik at planethjulene har lik diameter og er i inngrep med felles stillestående ringdrev. Derved fordeles et inngående moment på to planetdrev More specifically, a gear device is provided where an input drive shaft in a planetary gear device is connected to a common planet carrier for two parallel planetary gears so that the planet wheels have the same diameter and are in engagement with a common stationary ring drive. Thereby, an input torque is distributed between two planetary drives

Solhjulene er koblet til hver sin utgående aksel konsentrisk opplagret om en inngående aksel. Akslingene fra hvert solhjul kobles sammen til en felles utgående aksel gjennom en differensial, slik at belastningen på solhjulene fordeles jevnt. Med differensial menes i dette tilfellet en anordning som ved hjelp av tannhjul fordeler belastning mellom to konsentriske aksler slik at utgående turtall og moment kommer ut på kun en aksel. The sun gears are each connected to an output shaft concentrically supported on an input shaft. The shafts from each sun wheel are connected to a common output shaft through a differential, so that the load on the sun wheels is distributed evenly. By differential in this case is meant a device which, by means of gears, distributes the load between two concentric axles so that the output speed and torque are output on only one axle.

For å begrense store spissmoment belastninger fra vindturbinen er ringdrevet opplagret slik at det kan roter en begrenset vinkel og koblet til moment åk med tilhørende momentarmer koblet til kraftabsorbere i form av hydrauliske sylindere eller fjærer. In order to limit large peak torque loads from the wind turbine, the ring drive is stored so that it can rotate a limited angle and connected to a torque yoke with associated torque arms connected to force absorbers in the form of hydraulic cylinders or springs.

Det tilveiebrakte giret med to parallelle planetgir hvor utgående aksler fra planetgirene blir koblet sammen med en kardangløsning, gir ifølge oppfinnelsen en vesentlig økt kapasitet på dreiemomentoverføring i forhold til dimensjoner og antall tannhjul. The provided gear with two parallel planetary gears where output shafts from the planetary gears are connected with a gimbal solution, according to the invention, provides a significantly increased capacity for torque transmission in relation to dimensions and number of gears.

Akslingen er opplaget med glidelagerelementer mot opplagringselementer forbundet til lagerbukker med en kuleflate. Opplagring i kuleflater er nødvendig for å unngå skjevbelastning på lagerflatene ved lastpåkjenning og deformasjoner av akslingen om en senterakse for akslingen. The shaft is supported by sliding bearing elements against bearing elements connected to bearing brackets with a ball surface. Storage in ball surfaces is necessary to avoid biased loading on the bearing surfaces during loading and deformations of the shaft about a central axis of the shaft.

Figurer av oppfinnelsen Figures of the invention

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: In what follows, an example of a preferred embodiment is described which is illustrated in the accompanying drawings, where:

Fig.1 viser et giroppsett med aksling og lager samt innfesting av vindturbinblader; Fig.1 shows a gear set-up with axles and bearings as well as fastening of wind turbine blades;

Fig.2 viser giret sett ovenfra; Fig.2 shows the gear seen from above;

Fig.3 viser giret sett fra siden; Fig.3 shows the gear seen from the side;

Fig.4 viser snitt C-C gjennom giret og en tilhørende differensial; Fig.4 shows section C-C through the gear and an associated differential;

Fig.5 viser snitt F-F gjennom giret; Fig.5 shows section F-F through the gear;

Fig.6 viser «eksplodert» oppsett av girkomponenter; Fig.6 shows an "exploded" layout of gear components;

Fig.7 viser differensialen; Fig.7 shows the differential;

Fig.8 viser et snitt A-A gjennom differensialen; Fig.8 shows a section A-A through the differential;

Fig.9 viser et «eksplodert» oppsett av differensialkomponenter; Fig.9 shows an "exploded" layout of differential components;

Fig.10 viser hovedaksel med lagerbukker; Fig.10 shows the main shaft with bearing brackets;

Fig.11 viser et snitt gjennom lager for hovedaksel; og Fig.11 shows a section through a bearing for the main shaft; and

Fig.12 viser en detalj av opplagringen. Fig.12 shows a detail of the storage.

På figurene angir 1 et gir som er koblet sammen med en differensial 2 som har en utgående akselflens 14. Giret 1 hviler på fundamenter 12 og er koblet sammen med en aksling 6 opplagret i lagerbukker 4 og 5 og forbundet med et nav 7 hvortil det er anordnet fester 3 for vindturbinblader. Giret 1 har en sentral inngående hovedaksel 8 med rotasjon om en senterlinje 18 og med en flensforbindelse 25 til akslingen 6. Hovedakslingen 8 er fast forbundet til en planetbærer 26 gjennom en forbindelse 29. Planetbæreren 26 er opplagret med lagre 46 i et hus 11 som igjen er skrudd sammen med bolter 17 og sylindriske skiver 15. To ringdrev 27 er opplagret mot sylindriske skiver 15 gjennom en lagerforing 28 og knyttet sammen til momentåk 10, slik at overlast på dreiemoment 36 overføres til kraftabsorberere 9 festet til girfundamenter 12. In the figures, 1 indicates a gear which is connected to a differential 2 which has an output shaft flange 14. The gear 1 rests on foundations 12 and is connected to a shaft 6 stored in bearings 4 and 5 and connected to a hub 7 to which it is arranged fasteners 3 for wind turbine blades. The gear 1 has a central input main shaft 8 with rotation about a center line 18 and with a flange connection 25 to the shaft 6. The main shaft 8 is firmly connected to a planet carrier 26 through a connection 29. The planet carrier 26 is stored with bearings 46 in a housing 11 which again are screwed together with bolts 17 and cylindrical washers 15. Two ring drives 27 are supported against cylindrical washers 15 through a bearing liner 28 and connected to a torque yoke 10, so that torque overload 36 is transferred to force absorbers 9 attached to gear foundations 12.

En flerhet planethjul 30 er opplagret i planetbæreren 26 med akslinger 31 og har fortanningsinngrep mot ringdrevene 27 og to solhjul 32, 33 som igjen er forbundet til hver sin utgående aksel 34 og 35 konsentrisk opplagret på akslingen 8. Inngående dreiemoment 36 som kommer inn gjennom flensforbindelsen 25 og til akslingen 8 føres videre til planetbæreren 26 og fordeles likt på parallelle planethjul 30 som overfører halve dreiemomentet til hver av de utgående akslingene 34, 35. Med denne løsningen har et inngående stort dreiemoment 36 blitt fordelt på to parallelle planetgir, noe som muliggjør overføring av store dreiemomenter. A plurality of planet wheels 30 are stored in the planet carrier 26 with shafts 31 and have toothing engagement with the ring drives 27 and two sun gears 32, 33 which are in turn connected to each of the output shafts 34 and 35 concentrically supported on the shaft 8. Input torque 36 which comes in through the flange connection 25 and to the shaft 8 is carried on to the planet carrier 26 and distributed equally on parallel planet wheels 30 which transmit half the torque to each of the output shafts 34, 35. With this solution, a large input torque 36 has been distributed to two parallel planetary gears, which enables transmission of large torques.

For å samle og fordele dreiemomentet jevnt fra de utgående akslingene 34, 35 er det anordnet en differensial 2 bestående av to tannhjul 37, 38 hvor tannhjulet 37 er koblet til den utgående akslingen 34 med en spline forbindelse 39 og tannhjulet 38 er koblet til akslingen 35 med en splineforbindelse 40. En flerhet tannhjul 41 er opplagret i akslinger 21 som igjen er opplagret i to husdeler 19, 20 som er skrudd sammen med bolter 45. Utgående dreiemoment blir overført gjennom akslingene 21 til husdelene 19,20 og videre til en utgående flens 14. In order to collect and distribute the torque evenly from the output shafts 34, 35, a differential 2 consisting of two gears 37, 38 is arranged where the gear 37 is connected to the output shaft 34 with a spline connection 39 and the gear 38 is connected to the shaft 35 with a spline connection 40. A plurality of gears 41 are stored in shafts 21 which are in turn stored in two housing parts 19, 20 which are screwed together with bolts 45. Output torque is transmitted through the shafts 21 to the housing parts 19,20 and on to an output flange 14.

Akslingen 6 er opplagret i glidelagerelementer 53 som igjen hviler på opplagringselementer 52 med kuleformet flate 60 mot lagerruller 4 og 5. The shaft 6 is supported in sliding bearing elements 53 which in turn rest on bearing elements 52 with spherical surface 60 against bearing rollers 4 and 5.

Opplagring i kuleflater 60 er nødvendig for å unngå skjevbelastning på lagerflatene ved lastpåkjenning og deformasjoner av akslingen 6 om en senterakse 18 for akslingen 6. Storage in ball surfaces 60 is necessary to avoid biased loading on the bearing surfaces during loading and deformations of the shaft 6 about a central axis 18 for the shaft 6.

Det bør bemerkes at alle de ovennevnte utførelsesformene illustrerer oppfinnelsen, men begrenser den ikke, og fagpersoner på området vil kunne utforme mange alternative utførelsesformer uten å avvike fra omfanget av de vedlagte kravene. I kravene skal referansenumre i parentes ikke sees som begrensende. It should be noted that all of the above embodiments illustrate the invention, but do not limit it, and those skilled in the art will be able to devise many alternative embodiments without departing from the scope of the appended claims. In the requirements, reference numbers in parentheses should not be seen as limiting.

Bruken av verbet "å omfatte" og dets ulike former ekskluderer ikke tilstedeværelsen av elementer eller trinn som ikke er nevnt i kravene. De ubestemte artiklene "en", "ei" eller "et" foran et element ekskluderer ikke tilstedeværelsen av flere slike elementer. The use of the verb "to comprise" and its various forms does not exclude the presence of elements or steps not mentioned in the claims. The indefinite articles "an", "ei" or "et" before an element do not exclude the presence of several such elements.

Det faktumet at enkelte trekk er anført i innbyrdes forskjellige avhengige krav, indikerer ikke at en kombinasjon av disse trekkene ikke med fordel kan brukes. The fact that certain features are listed in different mutually dependent claims does not indicate that a combination of these features cannot be advantageously used.

Claims

Patent claims

1. Gear (1) connected to a shaft (6) stored in bearing trays (4, 5) and connected to a hub (7) with fasteners (3) for connecting wind turbine blades,

characterized in that the gear (1) has an input shaft (8) connected to a planet carrier (26) and two parallel planetary gears with planet wheels (30), ring gear (27) and sun wheels (32, 33) connected to output shafts (35, 34) connected to bevel gears (37, 38) in engagement with an bevel gear (41) supported in shafts (21) against the housing parts (19, 20) with connection to an output flange (14).

2. Provides according to patent claim 1,

characterized by the fact that the ring drive (27) is connected to a torque yoke (10) and further to force absorbers (9) with fasteners for foundations (12).

3. Gear as described in patent claims 1 and 2,

characterized by the fact that the shaft (6) is supported by sliding bearing elements (53) against bearing elements (52) connected to bearing brackets (4, 55) with a ball surface (60).