齒輪箱、風力渦輪機、連接構件及端蓋結構的製作方法

2023-04-27 04:22:31 2

專利名稱：齒輪箱、風力渦輪機、連接構件及端蓋結構的製作方法
技術領域：
本實用新型的實施方式涉及齒輪箱結構。本實用新型特別地應用於風力渦輪機的齒輪箱結構，但決不局限於此。
背景技術：
風力渦輪機是將風能轉化為電能的裝置，通常包括轉子、齒輪箱和發電機。在運行過程中，風引起轉子系統的旋轉，並向齒輪箱提供相對低頻的高扭矩輸入。齒輪箱將轉子的高扭矩輸入轉化為相對高頻的低扭矩輸出。發電機與齒輪箱的輸出端相連，將旋轉運動轉變為電能。用在輪軸(主軸)和齒輪箱之間的傳統連接方法包括螺栓或鎖緊盤的應用。對於利用螺栓連接，由於裝配約束，連接法蘭的外徑會影響在第一級行星架上的上風向軸承的內徑。因此，簡單且安全的螺栓系統的應用受到限制。目前，普遍地多使用鎖緊盤。因此有必要提供替代的齒輪箱結構。

實用新型內容本實用新型涉及一種用於風力渦輪機齒輪箱的新型內部軸承結構，其解除在連接法蘭的外徑與行星架軸承的內徑之間的約束。該新型結構減輕了重量並且降低了軸承和齒輪箱的成本。根據本實用新型的第一方案，設有一種用於風力渦輪發電機的齒輪箱。優選地，齒輪箱包括:法蘭、輸入軸以及包括由行星架支撐的一個或多個行星齒輪的行星齒輪系，在該齒輪箱中輸入軸、法蘭和行星架是整體式結構並且形成在法蘭區域和行星架區域之間具有輸入軸區域的構件，並且其中行星架區域沿徑向向內且沿軸向朝下風向地從行星齒輪延伸。優選地,所述構件是集成單元。優選地，風力渦輪機齒輪箱結構還包括非旋轉支撐部件，包括沿著縱向軸線位於單一位置且設置成在行星架區域和非旋轉支撐部件之間提供支撐的軸承結構，齒輪箱在集成單元上在所述位置和法蘭區域之間不具有另外的軸承。優選地，所述單一位置在行星架區域的沿徑向和沿軸向延伸的部分上。優選地，可設置軸承結構以至少部分地限制集成單元與非旋轉部件之間的非旋轉運動。優選地，非旋轉運動是在輸入軸與非旋轉部件間的相對徑向運動、相對軸向運動和相對傾斜運動中的一種或多種。優選地，軸承結構包括雙圓錐滾子軸承。優選地，風力渦輪機齒輪箱結構還包括端蓋結構，其具有端蓋，該端蓋被構造為與非旋轉支撐部件可拆卸地接合以便圍繞輸入軸並在行星齒輪系的主要部分之上布置，其中端蓋由兩個或多個部分組成，從而能夠拆卸以進行維護和/或檢查。優選地，端蓋具有用於與非旋轉支撐部件接合的外周區域以及用於包圍行星架區域的內周區域。優選地，風力渦輪機齒輪箱結構也包括密封結構，該密封結構具有位於端蓋和非旋轉支撐部件之間的密封件，其在使用中能夠避免齒輪箱內側和外側之間的物質交換。根據本實用新型的第二方案，提供了一種風力渦輪機，所述風力渦輪機包括如上所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱。根據本實用新型的第三方案，設有用於將風力渦輪機輪軸與風力渦輪機齒輪箱連接的構件，所述構件具有整體式結構，包括在法蘭區域和行星架區域之間的輸入軸區域，並且其中所述行星架區域在行星齒輪的下風向側上沿軸向朝下風向且沿徑向向內延伸。優選地,所述構件是集成單元。根據本實用新型的第四方案，設有用於風力渦輪機齒輪箱的端蓋結構，所述端蓋結構包括非旋轉支撐部件、行星齒輪系和具有輸入軸區域的構件，所述端蓋結構包括:端蓋，其被構造為與所述非旋轉支撐部件可拆卸地接合，以便圍繞輸入軸並在行星齒輪系的主要部分之上布置，其中，所述端蓋由兩個或多個部件組成，從而能夠拆卸以進行維護和/或檢查。

為了更好地理解本實用新型的各種具體實施例，僅通過例子，參考附圖進行說明，其中:圖1是根據本實用新型的各種實施例的風力渦輪機的示意圖；圖2是根據本實用新型的各種實施例的風力渦輪機齒輪箱的示意圖；圖3是根據本實用新型的各種實施例的風力渦輪機齒輪箱的剖面示意圖；圖4是集成有包括輸入軸部分和行星架部分的法蘭的風力渦輪機的實施例；圖5是風力渦輪機齒輪箱前端蓋的實施例；圖6A是根據本實用新型的各種實施例的第一軸承結構的剖面示意圖；圖6B是根據本實用新型的各種實施例的第二齒輪結構的剖面示意圖。
具體實施方式
在以下描述中，「連接」、「聯接」及其衍生詞表示運轉地聯接/接合。應當理解可以存在任意數目的中間部件(包括沒有中間部件)或其組合。術語「多個」具有一個或多個的含義。圖1為根據實用新型的各種實施例的風力渦輪機10的示意圖。風力渦輪機10包括:機艙12 (也可以被稱為渦輪機殼體)；支撐柱13 ;轉子14 ;轉子軸16 ;齒輪箱18 ;以及發電機20。風力渦輪機10被設置成將風能轉化為電能。風力渦輪機10可以安裝在近海或安裝在內陸上。下文中，術語「下風向」和「上風向」指的是相對於轉子14的軸向，轉子14是齒輪箱18的上風向；齒輪箱18是轉子14的下風向。機艙12中裝有齒輪箱18和發電機20，以保護它們不受環境侵害(例如可能由降雨、降雪等導致)。支撐柱13與機艙12連接並接地(或當安裝在近海時可與錨定的浮臺連接)。[0031]轉子14由機艙12支撐，並設置成響應於通過風力渦輪機10的空氣(風)的運動而轉動。齒輪箱18通過轉子軸16與轉子14連接，並與機艙12相連。齒輪箱18設置成將來自轉子14的相對較低角頻率、高扭矩的輸入轉化為相對較高角頻率、低扭矩的輸出。發電機20安裝在機艙12內，用來接收來自齒輪箱18的輸出，並將旋轉運動轉化為電能22。圖2是根據實用新型的各種實施例的風力渦輪機齒輪箱18的示意圖。齒輪箱18包括第一級和第二級。齒輪箱18的第一級包括輸入軸24(含有行星架26)、齒圈28、多個行星輪30、太陽輪32和軸承結構34。齒輪箱18的第二級包括行星架42、多個行星輪38、太陽輪40和含有齒圈36的非旋轉支撐部件1204。圖2還示出了柱坐標系52，其包括縱向軸線54 (也可以被稱為軸向軸線)、徑向軸線56以及角軸線58 (也可以被稱為方位角)。齒輪箱18限定延伸穿過齒輪箱18的中心且與柱坐標系52的縱向軸線54平行的縱向軸線60。輸入軸24連接到轉子軸16 (如圖1所示)，並被設置成沿基本上平行於角軸線58的方向繞縱向軸線60旋轉。輸入軸24支撐著非旋轉支撐部件1204和軸承結構34。該特徵還將參考圖3、圖6A和6B作詳細描述。多個第一級行星輪30位於第一級齒圈28內並與之哨合。第一級齒圈28是非旋轉部件。第一級行星架26與多個第一級行星輪30連接，並使多個第一級行星輪30在齒圈28內沿基本上平行於角軸線58的方向繞縱向軸線60旋轉。第一級太陽輪32位於多個第一級行星輪30內並與之嚙合。多個第一級行星輪30的旋轉使太陽輪32沿基本上平行於角軸線58的方向繞縱向軸線60旋轉。第二級齒圈36是非旋轉部件，並且與非旋轉部件1204連接。其可以與風力渦輪機10的機艙12扭轉聯接。第二級行星架42與第一級太陽輪32連接，並被設置為沿基本上平行於角軸線58的方向繞縱向軸線60旋轉。多個第二級行星輪38位於第二級齒圈36內並與第二級行星架42連接。多個第二級行星輪38繞縱向軸線60旋轉。第二級太陽輪40位於多個第二級行星輪38內並與之嚙合，且被設置為沿基本上平行於角軸線58的方向繞縱向軸線60旋轉。第二級太陽輪40與輸出端連接。在運轉過程中，風引起轉子14與轉子軸16繞縱向軸線60的轉動。轉子軸16的轉動帶動輸入軸24 (包括第一級行星架26)轉動，輸入軸24接收來自轉子軸16的幾乎全
部扭矩/功率。圖3是風力渦輪發電機齒輪箱18以及柱坐標系52的進一步的剖面示意圖。在圖3中，更詳細地示出了非旋轉支撐部件1204、輸入軸24和行星架26。在圖3所示的例子中，軸承結構34在第一級行星架26的下風向側布置在所示的單一位置上。行星架26具有從行星齒輪沿徑向向內和沿軸向朝下風向延伸的部分27。這使軸承結構的直徑減小、重量減輕且成本降低。所述直徑例如可以小於輸入軸的外徑。不需要位於第一級行星架26上風向側的軸承。軸承結構34例如可以是一對軸承，例如一對如圖所示的圓錐滾子軸承。這樣一來，齒輪箱18的重量位於在第一級行星架26下風向側的背對背圓錐滾子軸承34對的兩個理論支撐點之間。對齒輪箱的支撐比起其中齒輪箱重量在兩個理論支撐點的延長線上的傳統面對面軸承結構要更為穩定。省去第一級行星架26的上風向的軸承意味著前端蓋1108不承受外力。因此，第一級齒圈28的上風向側可以採用水平剖分的薄端蓋。與傳統的上風向軸承的箱體相比，這種布置可以使箱體減輕I噸左右的重量。[0039]軸承結構34定位在箱體1204區域與包括法蘭、輸入軸和行星架區域且為整體式結構的構件的行星架部分之間。軸承結構定位在沿著縱向軸線60的單一區域。軸承結構34可以包括一個或多個定位在所述單一區域的軸承並且可以具有「O」型結構。由圖3可以看到，風力渦輪機齒輪箱18在非旋轉的支撐部件1204和法蘭部分1240之間在沿著縱向軸線60的其他位置或區域上不包括附加的軸承或軸承結構。軸承結構34被設置為至少部分地限制行星架26和非旋轉支撐部件1204之間的非旋轉運動。軸承結構34可以被設置為限制行星架26和非旋轉支撐部件1204之間的相對徑向運動(由箭頭68表示)、和/或相對軸向運動(由箭頭70表示)、和/或相對傾斜運動(即，包含徑向分量和軸向分量的由箭頭72表示的運動)。軸承結構34可以包括如上所述能夠限制行星架26和非旋轉支撐部件1204之間相對運動的任何適合軸承。軸承結構34例如可以包括雙列圓錐滾子軸承。傳統上位於箱體1204和齒輪箱輸入軸24之間的密封結構1252可以定位為與齒圈28鄰近，儘可能地減小了密封件的錯位，並進一步降低了對前端蓋1108的結構要求。在使用過程中，密封結構1252能夠避免齒輪箱內側與外側之間的物質交換。圖4示出了包括齒輪箱法蘭1240、輸入軸24和第一級行星架26的集成單元。在優選的實施例中，該集成單元可以鑄為一體，使其為整體式結構。這降低了該部件的重量，減少了連接件和聯結器所需的機加工，並且消除了使各個部件對準的困難。第一級行星架26的輸出側的尺寸變大，使得該組件上的應力水平降低。因此可以採用低成本的鑄鐵。傳統齒輪箱的第一級行星架採用高合金鑄鋼。圖5示出了配置在第一級齒圈28的上風向側的剖分式薄端蓋1108。端蓋結構包括與非旋轉支撐部件1204可拆卸接合的端蓋1108。端蓋繞輸入軸24放置，並在行星齒輪系的主要部分上。在使用過程中，可以移除端蓋1108，以便進入行星齒輪系以進行檢查和/或維護。圖5所示的端蓋剖分是水平的，但剖分也可以在任意徑向位置處。如圖5所示，優選地，端蓋1108具有用於與非旋轉支撐部件1204的周邊接合的外周區域1244以及用於包圍第一級行星架的內周區域1246。端蓋1108可以通過與端蓋外周區域1244接合的多個螺栓被緊固至非旋轉支撐部件。端蓋1108可以由兩個或多個部件組成。在圖5中，端蓋1108具有兩個部件1248和1250，其使得端蓋1108能夠剖分，從而拆開，以進行維護和/或檢查。端蓋的兩個或多個部件通過多個螺栓與非旋轉支撐部件1204連接。圖6A是根據本實用新型的各種實施例的第一軸承結構341的剖面示意圖。第一軸承結構341是包含第一軸承列74和第二軸承列76的雙列圓錐滾子軸承。第一軸承列74和第二軸承列76是定向安裝的，使得它們在沿著正徑向方向56延伸時匯聚。應當理解第一軸承列74和第二軸承列76的方向包括徑向分量和軸向分量。圖6B是根據本實用新型的各種實施例的第二軸承結構342的剖面示意圖。第二軸承結構342也是包含第一軸承列78和第二軸承列80的雙列圓錐滾子軸承。第一軸承列78和第二軸承列80被定向，使得它們在沿著正徑向方向56延伸時分開。應當理解第一軸承列78和第二軸承列80的方向包括徑向分量和軸向分量。第一軸承結構341和第二軸承結構342所提供的優點是，由於軸承列74、76、78和80的定向，它們可以同時限制徑向和軸向的運動。因此第一軸承結構341和第二軸承結構342都可以在輸入軸24和非旋轉支撐部件62之間提供支撐，並防止它們在徑向68、軸向70和傾斜方向72上相對彼此運動。本實用新型的實施例提供了若干優點。一個優點是由於在行星架26和非旋轉支撐部件1204之間可以採用單軸承結構，所以齒輪箱18的重量可以減小。另外，由於軸承是比較昂貴的部件，上述結構可以降低齒輪箱的成本。如圖3所示，輸入軸24通過軸承結構34對非旋轉支撐部件1204提供支撐，齒輪箱18在輸入軸24和非旋轉支撐部件1204之間不再需要任何其他的支撐結構。這可以有效地減小齒輪箱18的重量和直徑，也可以降低齒輪箱18的成本(因為製造齒輪箱18使用較少的如金屬的材料)。儘管本實用新型的實施例已在前述段落中通過各種實例進行描述，應當認為，在不偏離所要求的實用新型範圍的前提下可以對實例進行修改。儘管功能是參照某些特徵來描述的，但是這些功能可以通過其它提到或未提到的特徵來執行。儘管特徵是參照某些實施例來描述的，這些特徵也可以在其它提到或未提到的實施例中體現。上述的說明中已儘量強調了認為是本實用新型最為重要的特徵，但應當理解申請人要求對以上涉及到的和/或附圖中示出的任何特徵或特徵組合進行保護，無論其在文中是否對其進行了強調。例如，如在圖3中所示，輸入軸24沿軸向朝下風向延伸直到行星齒輪30的下風向側的部分27，並且與軸承結構34接觸。因此，輸入軸24在沿軸向位於行星齒輪下風向的一點處對非旋轉支撐部件1204和軸承結構34進行支撐。所述部分27的沿徑向向外的表面與軸承結構34接觸。因此，輸入軸24在沿徑向朝行星齒輪內部的一點處對非旋轉支撐部件1204和軸承結構34進行支撐。如圖3所示，所述部分27的沿徑向向外的表面的直徑可以小於輸入軸24的徑向外表面。
權利要求1.一種用於風力渦輪發電機的齒輪箱，包括:法蘭、輸入軸以及行星齒輪系，該行星齒輪系包括一個或多個由行星架支撐的行星齒輪，其特徵在於，所述輸入軸、所述法蘭和所述行星架是整體式結構並且形成一個構件，該構件在法蘭區域和行星架區域之間具有輸入軸區域，並且其中所述行星架區域從所述行星齒輪沿徑向向內且沿軸向朝下風向延伸。
2.根據權利要求1所述的齒輪箱，其特徵在於，所述構件是集成單元。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述齒輪箱包括非旋轉支撐部件，其中所述非旋轉支撐部件包括沿縱向軸線位於單一位置且在行星架區域和非旋轉支撐部件之間提供支撐的軸承結構，所述齒輪箱在所述構件上在所述位置和所述法蘭區域之間不具有其他軸承。
4.根據權利要求3所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述單一位置在所述行星架區域的徑向和軸向延伸部分上。
5.根據權利要求3所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述軸承結構至少部分地限制所述構件與所述非旋轉支撐部件之間的非旋轉運動。
6.根據權利要求5所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述非旋轉運動是在所述輸入軸與所述非旋轉部件之間的相對徑向運動、相對軸向運動和相對傾斜運動中的一種或多種。
7.根據權利要求3所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述軸承結構包括雙列圓錐滾子軸承。
8.根據權利要求3所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述齒輪箱包括端蓋結構，所述端蓋結構 包括: 端蓋，其被構造為與非旋轉支撐部件可拆卸地接合，從而圍繞輸入軸並在行星齒輪系的主要部分之上布置； 其中，所述端蓋由兩個或多個部件組成，從而能夠拆卸以進行維護和/或檢查。
9.根據權利要求8所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述端蓋具有用於與所述非旋轉支撐部件接合的外周區域。
10.根據權利要求8所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述端蓋具有用於包圍所述行星架區域的內周區域。
11.根據權利要求8所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱，其特徵在於，所述齒輪箱包括密封結構，所述密封結構包括:位於所述端蓋和所述非旋轉支撐部件之間的密封件，該密封件在使用過程中防止所述齒輪箱內側和外側間的物質交換。
12.一種風力渦輪機，其特徵在於，所述風力渦輪機包括根據上述權利要求中任意一項所述的用於風力渦輪發電機的齒輪箱。
13.一種用於將風力渦輪機輪軸與風力渦輪機齒輪箱連接的構件，其特徵在於，所述構件具有整體式結構，包括在法蘭區域和行星架區域之間的輸入軸區域，並且其中所述行星架區域在行星齒輪的下風向側上沿軸向朝下風向且沿徑向向內延伸。
14.根據權利要求13所述的構件，其特徵在於，所述構件是集成單元。
15.一種用於風力渦輪機齒輪箱的端蓋結構，其特徵在於，所述端蓋結構包括非旋轉支撐部件、行星齒輪系和具有輸入軸區域的構件，所述端蓋結構包括: 端蓋，其被構造為與所述非旋轉支撐部件可拆卸地接合，以便圍繞輸入軸並在行星齒輪系的主要部分之上布置；其中，所述端蓋由兩個或多個部件 組成，從而能夠拆卸以進行維護和/或檢查。
專利摘要本實用新型涉及一種用於風力渦輪機的齒輪箱(18)，其具有在第一級行星架(26)的下風向側布置在單一位置上的軸承結構(34)。行星架(26)具有從行星齒輪沿徑向向內和沿軸向朝下風向延伸的部分(27)。這使軸承結構的直徑減小、重量減輕且成本降低。不需要位於第一級行星架(26)上風向側的軸承。因此，齒輪箱(18)的重量支撐在第一級行星架(26)下風向側的背對背圓錐滾子軸承(34)對的兩個理論支撐點之間。省去上風向的軸承意味著前端蓋(1108)不承受外力。因此，第一級齒圈(28)的上風向側可以採用水平剖分的薄端蓋。整體式結構的構件包括齒輪箱法蘭(1240)、輸入軸(24)和第一級行星架(26)，其可以鑄為一體。
文檔編號F03D11/02GK202927015SQ201220106089
公開日2013年5月8日 申請日期2012年3月16日 優先權日2011年3月16日
發明者潘紹元, K·C·鮑阿, C·J·布洛克利, D·J·斯科特, P·J·吉布斯 申請人:諾邁士科技有限公司