CN103835892B - 一种风力发电机传动结构 - Google Patents

Abstract

本发明为一种风力发电机传动结构，所述传动结构由设置在机仓内的螺旋伞齿轮机构和设置在塔筒内的行星齿轮增速箱构成；风力发电机的叶轮连接于螺旋伞齿轮机构的输入轴，螺旋伞齿轮机构的输出轴连接于行星齿轮增速箱的输入轴，行星齿轮增速箱的输出轴连接于发电机组的转轴；螺旋伞齿轮机构的输出轴和行星齿轮增速箱的输入轴同轴设置且与塔筒轴线方向相同。该传动结构故障率低、可靠性高，且便于拆装和维修，从而降低了传动结构的维护成本。

Description

一种风力发电机传动结构

技术领域

本发明是关于一种风力发电机，尤其涉及一种易维护的动力分流式风力发电机传动结构。

背景技术

风力发电机中的传动链具有传动和增速的作用，是风机的核心部分。风力发电机传动链的结构形式种类繁多，从传动方式来看，可以分为行星齿轮传动、平行轴齿轮传动，混合式传动（即行星齿轮和平行轴混合传动）。混合式传是目前使用最广泛的结构类型；在混合式传动结构中，一般采用两级行星传动和一级定轴进行传动和增速，整个传动结构布置在位于塔筒上方的机仓内。

由于风机受无规律变向和变负荷的风力作用，且常年经受极端温差的影响，加之所处的自然环境，安装在机仓狭小空间内的整个传动结构，一旦出现故障，修复将非常困难；因此要求传动结构体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低；尤其对其可靠性和使用寿命的要求都比一般机械高很多。

目前市场上的风机可靠性并不理想，由传动结构尤其是齿轮箱故障或损坏引起的机组停运事件时有发生，由此带来非常严重的直接损失和间接损失，维修人员投入维修工作的工作量也不断增加。这主要是由于风电机组单机容量的不断增大，传动结构的设计技术相对滞后而造成的。

有数据显示，风机故障率最高的是传动结构，传动结构中最容易发生故障的是齿轮箱、主轴及主轴承。如果传动结构出现故障，那么维修费用是巨大的。由于风机本身的结构限制，要排除故障需要将叶轮和整个机仓拆卸下来，排除故障后，再重新安装回原来的位置；整个维修过程非常复杂，需要专用的起重设备和吊装工具才能完成；尤其是海上风机，拆装一次的费用能够达到上千万元。

为了降低故障率，减少维修成本，多数厂家试图采用更合理的传动结构布置方式来提高齿轮箱、主轴及主轴承的可靠性。风机传动结构常见的形式按主轴的支撑方式有：“两点式”支撑、“三点式”支撑及“一点式”支撑等。其中“两点式”支撑结构中，主轴是由两个轴承支撑，一个轴向固定，另一个轴向浮动，主轴仅将转矩传至齿轮箱。“一点式”支撑结构中，是单个轴承支撑，传动箱体与主支架一体化设计。这几种形式有各自的特点，配合特定的机型，在一定程度上使故障率有所降低。但是这几种形式的布置并没有从根本上减少维修成本。这是因为，一方面，传动结构（以齿轮箱为主）的设计寿命为20年，实际使用寿命并不能达到设计使用年限，使传动结构的维护甚至更换都很频繁。另一方面，目前传动结构的拆装很复杂，需要动用专用的设备，花费巨大的人力财力。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种风力发电机传动结构，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电机传动结构，以便于该传动结构的拆装和维修，降低传动结构的维护成本。

本发明的另一目的在于提供一种风力发电机传动结构，该传动结构采用动力分流再合流的方式进行动力传递，以降低传动结构的故障率，提高传动结构的可靠性。

本发明的目的是这样实现的，一种风力发电机传动结构，所述风力发电机包括有塔筒和设置于塔筒顶部的机仓；所述传动结构由设置在机仓内的螺旋伞齿轮机构和设置在塔筒内的行星齿轮增速箱构成；风力发电机的叶轮连接于螺旋伞齿轮机构的输入轴，螺旋伞齿轮机构的输出轴连接于行星齿轮增速箱的输入轴，行星齿轮增速箱的输出轴连接于发电机组的转轴；所述螺旋伞齿轮机构的输出轴和行星齿轮增速箱的输入轴同轴设置，且与塔筒轴线方向相同；

所述螺旋伞齿轮机构由一主动螺旋伞齿轮和与该主动螺旋伞齿轮啮合的第一从动螺旋伞齿轮、第二从动螺旋伞齿轮构成；第一从动螺旋伞齿轮的转轴同轴穿设于第二从动螺旋伞齿轮的转轴内，并共同构成所述螺旋伞齿轮机构的输出轴。

在本发明的一较佳实施方式中，所述行星齿轮增速箱由两级行星齿轮机构构成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一级行星齿轮机构包括有第一齿圈、第一太阳轮和第一行星架，第一行星架上设有多个与第一齿圈和第一太阳轮啮合的第一行星轮；所述第二级行星齿轮机构包括有第二齿圈、第二太阳轮和第二行星架，第二行星架上设有多个与第二齿圈和第二太阳轮啮合的第二行星轮；所述第一行星架连接于第一从动螺旋伞齿轮的转轴，所述第一齿圈连接于第二从动螺旋伞齿轮的转轴，所述第一太阳轮连接于第二行星架，第二齿圈固定设置，所述第二太阳轮连接于发电机组的转轴；第一行星架和第一齿圈共同构成行星齿轮增速箱的输入端，第二太阳轮构成行星齿轮增速箱的输出端。

在本发明的一较佳实施方式中，所述行星齿轮增速箱由一级行星齿轮机构和一级定轴轮系构成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述行星齿轮机构包括有齿圈、太阳轮和行星架，行星架上设有多个与齿圈和太阳轮啮合的行星轮；所述行星架连接于第一从动螺旋伞齿轮的转轴，所述齿圈连接于第二从动螺旋伞齿轮的转轴，行星架和齿圈共同构成行星齿轮增速箱的输入端；所述太阳轮通过所述定轴轮系连接于发电机组的转轴，定轴轮系的输出轴构成行星齿轮增速箱的输出端。

在本发明的一较佳实施方式中，所述螺旋伞齿轮机构的输入轴与水平面构成一夹角，所述夹角为风力发电机叶轮的倾角。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一从动螺旋伞齿轮上固定设有第一止推盘，所述第二从动螺旋伞齿轮上固定设有第二止推盘；所述主动螺旋伞齿轮的端面上设有相应的环形槽，所述第一止推盘和第二止推盘的边缘转动地卡设于环形槽内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一止推盘和第二止推盘的侧周面为锥形面；所述环形槽的横截面与止推盘的侧周面形状对应相同。

在本发明的一较佳实施方式中，所述塔筒内设有吊装行星齿轮增速箱和发电机组的吊装机构。

在本发明的一较佳实施方式中，所述吊装机构由滑轨或滑轮构成。

在本发明的一较佳实施方式中，螺旋伞齿轮机构的输出轴与行星齿轮增速箱的输入轴为柔性连接。

在本发明的一较佳实施方式中，螺旋伞齿轮机构的输出轴与行星齿轮增速箱的输入轴之间安装有制动盘。

由上所述，本发明风力发电机传动结构通过大直径螺旋伞齿轮机构并采用动力分流再合流的方式，提高了动力传递能力，使增速后作用在行星齿轮增速箱上的转矩数倍的减小，大大降低了齿面的接触应力和齿根的弯曲应力，降低了传动结构的故障率，提高了传动结构的可靠性；螺旋伞齿轮机构与行星齿轮增速箱在结构上相互独立，行星齿轮增速箱和发电机组设置在塔筒内，便于传动结构的拆装和维修，从而降低了传动结构的维护成本。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明风力发电机传动结构的示意图。

图2：为本发明中设置止推盘的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例一

如图1所示，本发明提出一种风力发电机传动结构1000，所述风力发电机包括有塔筒93和设置于塔筒93顶部的机仓92；所述传动结构1000由设置在机仓92内的螺旋伞齿轮机构100和设置在塔筒93内的行星齿轮增速箱200构成；风力发电机的叶轮91连接于螺旋伞齿轮机构100的输入轴，螺旋伞齿轮机构100的输出轴连接于行星齿轮增速箱200的输入轴，行星齿轮增速箱200的输出轴连接于发电机组94的转轴；所述螺旋伞齿轮机构100的输出轴、行星齿轮增速箱200的输入轴和输出轴同轴设置，且与塔筒93轴线方向相同。

由上所述，本发明风力发电机传动结构采用大直径螺旋伞齿轮机构作为第一级传动，由行星齿轮增速箱做为第二级传动，大直径螺旋伞齿轮机构动力传递能力强，使增速后作用在行星齿轮增速箱上的转矩数倍的减小，由此，可以将行星齿轮增速箱制作得更加小巧和紧凑；螺旋伞齿轮机构与行星齿轮增速箱在结构上相互独立，行星齿轮增速箱和发电机组设置在塔筒内，便于传动结构的拆装和维修，从而降低了传动结构的维护成本。

进一步，如图1所示，在本实施例中，所述螺旋伞齿轮机构100由一主动螺旋伞齿轮101和与该主动螺旋伞齿轮101啮合的第一从动螺旋伞齿轮102、第二从动螺旋伞齿轮103构成；第一从动螺旋伞齿轮102的转轴同轴穿设于第二从动螺旋伞齿轮103的转轴内，并共同构成所述螺旋伞齿轮机构100的输出轴；

所述行星齿轮增速箱200由两级行星齿轮机构201和202构成；所述第一级行星齿轮机构201包括有第一齿圈2011、第一太阳轮2012和第一行星架2013，第一行星架2013上设有多个与第一齿圈和第一太阳轮啮合的第一行星轮2014；所述第二级行星齿轮机构202包括有第二齿圈2021、第二太阳轮2022和第二行星架2023，第二行星架2023上设有多个与第二齿圈和第二太阳轮啮合的第二行星轮2024；所述第一行星架2013连接于第一从动螺旋伞齿轮102的转轴，所述第一齿圈2011连接于第二从动螺旋伞齿轮103的转轴，所述第一太阳轮2012连接于第二行星架2023，第二齿圈2021固定设置，所述第二太阳轮2022连接于发电机组94的转轴；在本实施例中，第一行星架2013和第一齿圈2011共同构成行星齿轮增速箱200的输入端，第二太阳轮2022构成行星齿轮增速箱200的输出端。

在本实施例中，所述螺旋伞齿轮机构的输入轴与水平面构成一夹角，所述夹角为风力发电机叶轮91的倾角；叶轮91产生的动力带动螺旋伞齿轮机构的输入轴，输入轴带动主动螺旋伞齿轮101，主动螺旋伞齿轮101驱动两个从动螺旋伞齿轮102和103沿两个相反的方向转动；两个从动螺旋伞齿轮103和102分别连接第一级行星齿轮机构的第一齿圈和第一行星架，使得第一齿圈和第一行星架反向转动，此结构实现了动力的分流，第一行星架和第一齿圈再将动力合流到第一太阳轮；第一太阳轮驱动第二行星架转动，进而通过第二太阳轮输出动力带动发电机组产生电能。由于作用在螺旋伞齿轮机构的输入轴上的转矩是巨大的，而随着动力在传动结构上传递，转矩逐渐变小；螺旋伞齿轮机构作为第一级传动结构采用动力分流的方式，使得动力由两个从动螺旋伞齿轮共同承担，大大降低了其齿面的接触应力和齿根的弯曲应力。经过第一级传动结构的增速，转矩已数倍的减小，此时动力在行星齿轮增速箱进行合流；由此，能够降低传动结构的故障率，提高传动结构的可靠性。

进一步，在本实施例中，螺旋伞齿轮机构100的输出轴与行星齿轮增速箱200的输入轴可以为刚性连接；也可以采用弹性联轴器等结构进行柔性连接。螺旋伞齿轮机构100的输出轴与行星齿轮增速箱200的输入轴之间也可以安装有制动盘等部件。

在本实施例中，在所述塔筒93内可以设置用于吊装行星齿轮增速箱200和发电机组94的吊装机构；当行星齿轮增速箱发生故障时，可将其从螺旋伞齿轮机构上拆卸下来，利用塔筒内的吊装机构将行星齿轮增速箱沿塔壁慢慢的吊下，直至塔筒底部；风机装机过程中，行星齿轮增速箱的安装也可采用相似的方式进行。所述吊装机构可由滑轨或滑轮等部件构成。

做为本实施例的一种具体实施方式，下面以一种3兆瓦上风向水平轴风力发电机为例，对本发明的传动结构及参数作出说明。

初步数据：

叶轮转矩均值：2350kNm；

叶轮的转速：6-13rpm；

发电机组的额定转速：1200rpm；

总的传动比：100；

叶轮倾角：5度。

螺旋伞齿轮机构的齿轮模数为40，主动螺旋伞齿轮的齿数为51，第一从动螺旋伞齿轮的齿数为21，第二从动螺旋伞齿轮的齿数为30；

行星齿轮增速箱的第一级行星齿轮机构的模数为16，第一行星轮的齿数为37，第一行星轮的个数为5，第一齿圈的齿数为108，第一太阳轮的齿数为32；

第二级行星齿轮机构的模数为10，第二行星轮的齿数为45，第二行星轮的个数为3，第二齿圈的齿数为118，第二太阳轮的齿数为23；

按照上述设计完成后的数据进行计算，该传动机构总的传动比为100.31，叶轮倾角为4.9885，将叶轮的额定转速度设定为12rpm，则经过该传动结构，传递到发电机组上的转速约为1200rpm，满足设计要求。

由上所述，本发明风力发电机传动结构通过大直径螺旋伞齿轮机构并采用动力分流再合流的方式，提高了动力传递能力，使增速后作用在行星齿轮增速箱上的转矩数倍的减小，大大降低了齿面的接触应力和齿根的弯曲应力，降低了传动结构的故障率，提高了传动结构的可靠性；螺旋伞齿轮机构与行星齿轮增速箱在结构上相互独立，行星齿轮增速箱和发电机组设置在塔筒内，便于传动结构的拆装和维修，从而降低了传动结构的维护成本。

实施例二

本实施例与实施例一的结构和原理基本相同，其区别在于如图2所示，所述第一从动螺旋伞齿轮102上固定设有第一止推盘104，所述第二从动螺旋伞齿轮103上固定设有第二止推盘105；所述主动螺旋伞齿轮101的端面上设有对应的环形槽106，所述第一止推盘104和第二止推盘105的边缘转动地卡设于环形槽106中。

所述第一止推盘104与环形槽106相配合，可以抵消掉第一从动螺旋伞齿轮102上的轴向力；所述第二止推盘105与环形槽106相配合，可以抵消掉第二从动螺旋伞齿轮103上的轴向力；由此可以省略在相应转轴上设置推力轴承以降低成本。即使在相应转轴上设置推力轴承的情况下，也能够避免推力轴承承受较大轴向力，从而提高其使用寿命。

如图2所示，在本实施例中，所述第一止推盘104和第二止推盘105的侧周面为锥形面；所述环形槽106的横截面与止推盘104、105的侧周面形状对应相同。

由于，所述螺旋伞齿轮机构100的输入轴与水平面构成一夹角，即螺旋伞齿轮机构100的输入轴与输出轴之间具有是相交角（该相交角为所述夹角的补角），因此，所述第一止推盘104的直径小于第二止推盘105的直径。

在本实施例中，止推盘可由螺栓固定连接于相应的从动螺旋伞齿轮上。

本实施例的其他结构、工作原理和有益效果与实施一相同，在此不再赘述。

实施例三

本实施例与实施例一的结构和原理基本相同，其区别在于，在实施例一中，所述行星齿轮增速箱是由两级行星齿轮机构构成的；而本实施例中，所述行星齿轮增速箱由一级行星齿轮机构和一级定轴轮系（图中未示出）构成。

所述行星齿轮机构包括有齿圈、太阳轮和行星架，行星架上设有多个与齿圈和太阳轮啮合的行星轮；所述行星架连接于第一从动螺旋伞齿轮的转轴，所述齿圈连接于第二从动螺旋伞齿轮的转轴，行星架和齿圈共同构成行星齿轮增速箱的输入端；所述太阳轮通过所述定轴轮系连接于发电机组的转轴，定轴轮系的输出轴构成行星齿轮增速箱的输出端。

本实施例的其他结构、工作原理和有益效果与实施一相同，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种风力发电机传动结构，所述风力发电机包括有塔筒和设置于塔筒顶部的机仓；其特征在于：所述传动结构由设置在机仓内的螺旋伞齿轮机构和设置在塔筒内的行星齿轮增速箱构成；风力发电机的叶轮连接于螺旋伞齿轮机构的输入轴，螺旋伞齿轮机构的输出轴连接于行星齿轮增速箱的输入轴，行星齿轮增速箱的输出轴连接于发电机组的转轴；所述螺旋伞齿轮机构的输出轴和行星齿轮增速箱的输入轴同轴设置，且与塔筒轴线方向相同；

所述螺旋伞齿轮机构由一主动螺旋伞齿轮和与该主动螺旋伞齿轮啮合的第一从动螺旋伞齿轮、第二从动螺旋伞齿轮构成；第一从动螺旋伞齿轮的转轴同轴穿设于第二从动螺旋伞齿轮的转轴内，并共同构成所述螺旋伞齿轮机构的输出轴；

所述第一从动螺旋伞齿轮上固定设有第一止推盘，所述第二从动螺旋伞齿轮上固定设有第二止推盘；所述主动螺旋伞齿轮的端面上设有相应的环形槽，所述第一止推盘和第二止推盘的边缘转动地卡设于环形槽内。

2.如权利要求1所述的风力发电机传动结构，其特征在于：所述行星齿轮增速箱由两级行星齿轮机构构成。

3.如权利要求2所述的风力发电机传动结构，其特征在于：第一级行星齿轮机构包括有第一齿圈、第一太阳轮和第一行星架，第一行星架上设有多个与第一齿圈和第一太阳轮啮合的第一行星轮；第二级行星齿轮机构包括有第二齿圈、第二太阳轮和第二行星架，第二行星架上设有多个与第二齿圈和第二太阳轮啮合的第二行星轮；所述第一行星架连接于第一从动螺旋伞齿轮的转轴，所述第一齿圈连接于第二从动螺旋伞齿轮的转轴，所述第一太阳轮连接于第二行星架，第二齿圈固定设置，所述第二太阳轮连接于发电机组的转轴；第一行星架和第一齿圈共同构成行星齿轮增速箱的输入端，第二太阳轮构成行星齿轮增速箱的输出端。

4.如权利要求1所述的风力发电机传动结构，其特征在于：所述行星齿轮增速箱由一级行星齿轮机构和一级定轴轮系构成。

5.如权利要求4所述的风力发电机传动结构，其特征在于：所述行星齿轮机构包括有齿圈、太阳轮和行星架，行星架上设有多个与齿圈和太阳轮啮合的行星轮；所述行星架连接于第一从动螺旋伞齿轮的转轴，所述齿圈连接于第二从动螺旋伞齿轮的转轴，行星架和齿圈共同构成行星齿轮增速箱的输入端；所述太阳轮通过所述定轴轮系连接于发电机组的转轴，定轴轮系的输出轴构成行星齿轮增速箱的输出端。

6.如权利要求1所述的风力发电机传动结构，其特征在于：所述螺旋伞齿轮机构的输入轴与水平面构成一夹角，所述夹角为风力发电机叶轮的倾角。

7.如权利要求1所述的风力发电机传动结构，其特征在于：所述第一止推盘和第二止推盘的侧周面为锥形面；所述环形槽的横截面与止推盘的侧周面形状对应相同。

8.如权利要求1所述的风力发电机传动结构，其特征在于：所述塔筒内设有吊装行星齿轮增速箱和发电机组的吊装机构。

9.如权利要求8所述的风力发电机传动结构，其特征在于：所述吊装机构由滑轨或滑轮构成。

10.如权利要求1所述的风力发电机传动结构，其特征在于：螺旋伞齿轮机构的输出轴与行星齿轮增速箱的输入轴为柔性连接。

11.如权利要求1所述的风力发电机传动结构，其特征在于：螺旋伞齿轮机构的输出轴与行星齿轮增速箱的输入轴之间安装有制动盘。