CN101377186A - 集成的中速齿轮传动系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成的中速齿轮传动系，提供用于风轮机(100)的传动系。该风轮机包括连接到风轮机叶片(130)的低速轴(210，310)和连接到发电机(275)的高速轴(270)。该传动系还包括主要支撑至少低速轴的重量的轴承(215，315)。组合行星齿轮级连接到低速轴和高速轴，并且包括转动托架(240，340)、非转动的环形齿轮(225)、多个行星齿轮(260)和转动的中心齿轮(265)。该中心齿轮连接到高速轴。

Description

集成的中速齿轮传动系
技术领域
[0001]此处所描述的设备通常涉及一种用于风轮机的驱动的传动系。该设备特别涉及一种用于设有非转动的环形齿轮的风轮机的集成中速齿轮传动系。
背景技术
[0002]近来，风轮机作为对环境安全的、以及相对便宜的替代能源，已经受到越来越多的重视。风轮机不释放温室气体(GHG)，因此不会对全球变暖造成影响。随着对风力发电越来越多的关注，已经付出相当多的努力来开发稳定高效的风轮机。
[0003]风通常被认定为一种由于太阳对空气的不均匀加热、地球表面的不规则性、地球转动所导致的太阳能形式。风的流动模式被地形、水体和植被改动。术语风能或风力描述了风用于转动轴并接着产生机械能或电能的过程。
[0004]通常，风轮机用于将风的动能转换成机械能。该机械能可用于特定任务(例如研磨谷物或者抽水)或者发电机可将这种机械能(即轴的转动)转换成电能。风轮机通常包括将空气运动转换成机械运动(例如转动)的空气动力学机械装置(例如叶片)，接着利用发电机将所述机械运动转换成电能。从发电机输出的容量与风速的三次方成正比。当风速加倍时，风力发电机的输出量几乎增大八倍。
[0005]市场上可购买的风轮机的大部分都采用齿轮传动系将涡轮叶片连接到发电机。风转动涡轮叶片，叶片转动低速轴，其输入到设有高速输出轴的齿轮箱。该高速输出轴连接到发电机并发电。该齿轮传动系致力于增大机械运动的速度。
[0006]现存功率大于1MW的风轮机的齿轮传动系的大部分都采用3个齿轮级来实现从大约1:70到大约1:110的齿轮比。所述齿轮级通常包括简单的行星或周转第一级、其后紧随两个平行的偏移级(球齿+小齿轮)或者第二简单的行星级、其后紧随一个平行的齿轮级。该高速齿轮实现了比齿轮箱明显小且造价低的发电机。发电机的相对高速促使发电机具有长度大于宽度的展弦比，带有径向通风冷却。齿轮箱的高速输出轴通常不与齿轮箱的低速输入轴共轴。为此，发电机与齿轮箱分开安装，由此需要另外的联接器、支撑框架和发电机框架块。
[0007]随着经济高效的永磁(PM)同步发电机的出现，3级齿轮箱和单独安装的高速发电机就***质量、尺寸、成本以及效率而言不再是最优结构。例如，与大多数发电机不同，齿轮箱通常是现存风轮机的不稳定以及无效性的主要源头。而言，高速齿轮级常常产生由风轮机发出的难易接受的声学噪音。
[0008]因此风力行业特别期望一种齿轮传动系的更优结构，从而提供增大的稳定性和有效性、减小的成本、减小的质量和尺寸以及增大的效率。
发明内容
[0009]提供了一种用于风轮机的传动系。风轮机包括连接到风轮机叶片的低速轴和连接到发电机的高速轴。该传动系还包括主要支撑至少低速轴的重量的轴承。组合行星齿轮级连接到低速轴和高速轴，并且包括转动托架、非转动的环形齿轮、多个行星齿轮和转动的中心齿轮。该中心齿轮连接到高速轴。
[0010]此外，根据本发明的另外方面，提供了设有连接到到风轮机叶片的低速轴和连接到发电机的高速轴的风轮机传动系。该传动系包括主要支撑至少所述低速轴重量的轴承。主轴承装置包括至少两个沿低速轴轴向隔开的分开的轴承。组合行星齿轮级连接到低速轴和高速轴。该组合齿轮级包括转动托架、非转动的环形齿轮、多个行星齿轮和转动的中心齿轮。该中心齿轮连接到高速轴。
附图说明
[0011]图1是示例性风轮机的透视图。
[0012]图2是可在图1的风轮机内使用的传动系的一个实施例的局部切开透视图。
[0013]图3是可在图1的风轮机内使用的传动系的另一实施例的局部切开透视图。
具体实施方式
[0014]常规购买到的水平轴风轮机(HAWT)100在图1中示出。该风轮机100可包括常常有钢铁制造的管状塔架110。塔架110可通过将多个塔段相互叠置而直立。塔架110支撑机舱120、叶片130和毂140的重量。塔架还可以是框格(或桁架)类型，管状塔架可替换的由混凝土形成。机舱120通常容纳传动系(例如齿轮箱、轴、联接器、发电机等)以及主框架(还称为底座)和偏航驱动装置。诸如电子控制装置的其它产品也可容纳在机舱120内。通常，机舱120具有由诸如玻璃纤维或石墨合复合材料的轻质材料构造的外壳。机舱外壳的主要功能是保护内部装置免受自然环境(例如雨、冰雹、雪等)的影响。
[0015]叶片130连接到毂140，毂可容纳螺距控制机构，从而控制每个叶片的螺距角。通常，在大多数购买的风轮机中采用三个叶片，然而，也可采用一个、两个或四个或更多叶片。通过转动低速轴，叶片将风的动能转换为机械能。叶片可由玻璃纤维或石墨复合材料、玻璃纤维增强塑料或木材/环氧层或其它适合的材料制造。低速轴通常经由螺栓法兰联接器连接到毂140。
[0016]通常，在大于1MW的风轮机中，低速轴将以取决于风速的不同速度转动，从零到最大的稳定状态速度，该稳定状态速度通常是涡轮的额定速度，由此涡轮产生额定功率。在涡轮额定功率下的额定转速是额定功率、叶片长度、风等级等的函数，并且通常从1.5MW涡轮的大约18到大约22PRM变化到2.5MW涡轮的大约14到大约16.5RPM。低速轴的额定转速还可高于或低于这些范围变化。
[0017]发电机用于将轴的转动转换成电能。齿轮箱通常用于增大通向发电机的输入轴的转速。所述齿轮箱设有作为其输入的低速轴，输出轴是高速轴，根据本发明的方面，该高速轴可直接供给发电机。
[0018]通过本发明所体现的传动系的局部剖视图在图2中示出。该传动系是组合行星类型，也称为组合周转类型。
[0019]毂140(在图2中未示出)固定到毂法兰安装装置210。叶片130、毂140和毂法兰安装装置210全部一起转动，低速轴的常规速度按照上述指示变化。毂法兰安装装置210或者直接或者通过低速轴连接到主轴承215上。在一些实施例中，低速轴包括不多于毂法兰安装装置210、主轴承215安装面、和与托架240的连接。毂法兰安装装置210还可直接连接到托架240。
[0020]毂法兰安装装置210还可与主轴承215成整体，由此主轴承起到了安装毂的作用，即毂通过螺栓连接到主轴承内部环(经由内部环上的螺栓孔或者双头螺栓)而直接安装到主轴承上(例如单个大直径主轴承)。同样，主轴承内部环还通过相似或者共同的螺栓连接直接与托架相连。在这些实施例中的一部分中，主轴承内部环实际上变成低速轴。
[0021]在本发明的一方面，主轴承215可以是单独的、大直径双锥形滚子轴承。主轴承215接着刚性连接到机舱主框架220。在本发明的另一方面，低速轴可以由两个单独的滚子轴承支撑。轴承可以是球轴承、球形、圆柱形、锥形滚子轴承或者双锥形滚子轴承类型。
[0022]主框架220可以以常规方式通过一套偏航轴承(图中未示)和偏航驱动装置(图中未示)连接到风轮机塔架110。由风所产生的、施加在转子叶片130和毂140上的负载(即力矩和力)从毂法兰安装装置210通过主轴承215并接着通过主框架220传递到塔架110，最终传递到地面。
[0023]大直径环形齿轮225可在主轴承安装板230附近经由柔性或弹性安装装置235固定到主框架上。柔性安装装置235阻止环形齿轮225的转动，但是容许环形齿轮225在横向和周向上轻微转动。柔性安装装置235将由风在叶片130上产生的有用力矩与导致主框架220变形的不合要求的风负载(即力和力矩)分开。
[0024]托架240固定到毂法兰安装装置210上，托架240和毂法兰安装装置210以与毂140相同的速度转动。托架240容纳有三个小齿轮245和小齿轮轴承250。轴承250可以是滚子或球类型的轴承。每个小齿轮245都安装到驱动行星齿轮260的小齿轮轴255上。根据本发明的一方面，行星齿轮260具有比小齿轮245大的直径。在替换实施例中，一到六个或更多小齿轮以及行星齿轮260可容纳在托架240内。
[0025]行星齿轮260与中心齿轮265啮合。中心齿轮265连接并驱动直接供给到发电机275的输出轴270。输出轴270可称为高速轴，并且以高于毂法兰安装装置210的rpm速度转动。在风轮机100的常规操作过程中，毂法兰安装装置210可以在从零到涡轮的额定速度(例如2.5MW的涡轮从大约14到大约16.5RPM)范围内转动。根据本发明的方面，齿轮箱将该速度增大一个大约8到30的系数，这与具有在大约1:8到大约1:30之间的齿速比的齿轮箱相对应。对于2.5MW的涡轮，例如，输出轴(即高速轴)可以以在大约100到大约500rpm范围内的额定速度转动。根据本发明的附加方面，输出轴270还可具有高于或低于该范围的速度。
[0026]总的齿速比是环形齿轮225/小齿轮245的齿速比与行星齿轮260/中心齿轮265的齿速比的乘积，由于托架240的转动，再加上1。固定环形齿轮和转动托架的组合对该组合周转/行星齿轮箱的齿速比增加1。这是一个重要特征，它使得小型发电机的使用成为可能，这导致由塔架110支撑的总体重量的减少。
[0027]设计成由以上百的rpm速度转动的发电机输入轴操作的永磁(PM)同步发电机275可与本发明的齿轮箱一起使用。通过将发电机275与前述齿轮整体安装来获得紧凑轻便的传动系。齿轮箱的高速输出轴可直接供给到发电机。根据本发明的一些实施例，齿轮箱的输出轴270可以花键配合(图中未示)到发电机的转子上。该花键配合容许齿轮箱传递力矩，但是还容许在周向和径向的一些***。还容许中心齿轮265在行星齿轮260内“浮动”。
[0028]与带有三级齿轮箱的常规齿轮传动系相比，除去第三高速齿轮级的组合行星齿轮可提供1％或者更高增大的效率以及对应的风轮机的年度能源产值。而且，完全消除了与高度齿轮级相关的声学噪音。
[0029]图3显示了本发明的另一实施例。图2中单独的、大直径双锥形滚子轴承215已经被两个单独并轴向隔开的主轴承315替换。主轴承315可以是滚子轴承、球轴承、圆柱形或单独锥形或者双锥形的滚子轴承的组合。共同的结构是位于向前位置(靠近毂140)的双锥形滚子轴承和位于向后位置(远离毂140)的圆柱形滚子轴承。低速轴310经由毂法兰安装装置210连接到风轮机100的毂140和叶片130。相应的，低速轴310通过风轮机叶片130驱动。在替换实施例中(图中未示)，后部轴承整体设置在齿轮箱内部。
[0030]低速轴310通过扭矩传递联接器320选择性连接到托架340上。联接器320优选由局部柔性或弹性的材料形成，并且设计成吸收低速轴310与托架340之间的一些偏离(例如径向和轴向运动)。以这种方式，联接器320具有一些与图2中的弹性安装装置235相似的特征。
[0031]发电机275的定子可以安装在发电机转子外侧，或者在替换实施例中，转子可安装在定子外侧。虽然已经描述了PM同步发电机，但是也可采用感应发电机、绕组磁场同步发电机或者电激励发电机(例如双馈异步发电机)。已经描述了采用单个发电机的风轮机，但是应当理解通过修改齿轮箱，也可采用多个发电机。
[0032]外壳可支撑和/或封闭齿轮级(即齿轮箱)和/或发电机。通过将齿轮箱和发电机封闭在多块或一体的外壳内可实现集成单元。
[0033]虽然此处已经描述了不同实施例，但是通过说明书可以理解此处在本发明的范围内，可以实现对元件的组合、变形或改进。
部件列表:
100 风轮机
110 塔架
120 机舱
130 叶片
140 毂
210 毂法兰安装装置
215 主轴承
220 机舱主框架
225 环形齿轮
230 主轴承安装板
235 柔性/弹性安装装置
240 托架
245 小齿轮
250 小齿轮轴承
255 小齿轮轴
260 行星齿轮
265 中心齿轮
270 输出轴
275 发电机
310 低速轴
315 主轴承
320 联接器
340 托架。

Claims (10)

1.一种用于风轮机(100)的传动系，所述风轮机包括连接到风轮机叶片(130)的低速轴(210，310)和连接到发电机(275)的高速轴(270)，所述传动系包括:
主要支撑至少所述低速轴的重量的轴承(215，315)；
组合行星齿轮级；所述组合行星齿轮级连接到所述低速轴和所述高速轴，所述组合行星齿轮级包括:
转动托架(240，340)；
非转动环形齿轮(225)；
多个行星齿轮(260)；和
连接到所述高速轴(270)的转动中心齿轮(265)。
2.根据权利要求1的传动系，还包括:
容纳在所述转动托架(240，340)部分内的多个小行星齿轮(245)，所述多个小行星齿轮经由轴(255)连接到所述多个行星齿轮(260)；
其中，所述多个小行星齿轮(245)与所述非转动环形齿轮(225)啮合，并且所述转动中心齿轮(265)与所述多个行星齿轮(260)啮合并受其驱动。
3.根据权利要求2的传动系，包括:
弹性安装装置(235)，用于将所述非转动环形齿轮连接到所述风轮机的主框架，所述弹性安装装置消减施加在风轮机上的轴向和横向力中的至少一个的至少一部分，所述由风产生的轴向和横向力冲击所述风轮机的所述叶片。
4.根据权利要求2的传动系，其特征在于:所述轴承是单独的双锥形滚子轴承。
5.根据权利要求2的传动系，其特征在于:所述轴承包括两个轴承，所述轴承沿所述低速轴轴向隔开。
6.根据权利要求2的传动系，其特征在于:所述轴承包括单排锥形轴承、单个滚子轴承或双锥形滚子轴承和圆柱形滚子轴承的组合。
7.根据权利要求2的传动系，其特征在于:所述发电机是中速永磁同步发电机，所述高速轴以大约140到大约400转/分之间的额定速度转动。
8.根据权利要求7的传动系，其特征在于:所述低速轴以零到大约22转/分之间的速度转动。
9.根据权利要求7的传动系，其特征在于:所述组合行星齿轮级设有在大约1:8到1:30之间的齿速比。
10.根据权利要求1的传动系，还包括:齿轮级外壳，其容纳支撑和/或封闭所述组合行星齿轮级和所述发电机中的至少一个或两个。
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