風(fēng)力渦輪機(jī)變速箱的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在風(fēng)力渦輪機(jī)中使用的變速箱，以及包括本發(fā)明的變速箱的風(fēng)力渦輪機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]許多風(fēng)力渦輪機(jī)或使用高比率變速箱(例如80:1)或完全不變速(1:1)。完全不使用變速箱的挑戰(zhàn)在于主軸或輸入軸的速度非常低。因此，為了獲得能夠使用的感應(yīng)并且產(chǎn)生電力，發(fā)電機(jī)需要具有巨大面積的活動(dòng)磁體，并且同時(shí)需要盡可能多的磁極和線圈。在實(shí)際中，發(fā)電機(jī)的尺寸是巨大的。
[0003]另一方面，使用高比率的變速箱提高了速度并減小了發(fā)電機(jī)的尺寸。然而，高速的變速箱的損失在于在變速時(shí)功率的能量，每個(gè)級(jí)的消耗能達(dá)到大約I % O使用三級(jí)行星齒輪變速器意味著在進(jìn)入發(fā)電機(jī)之前要消耗3%的能量。這降低了使用渦輪機(jī)發(fā)電的利潤(rùn)，并且對(duì)于在操作過(guò)程中需要適當(dāng)?shù)乩鋮s變速箱是一個(gè)挑戰(zhàn)。僅作為實(shí)例，使用效率為97%的發(fā)電機(jī)和在相同傳動(dòng)系統(tǒng)中的效率為97 %的變速箱，將提供94%的轉(zhuǎn)化效率，這意味著在傳輸中以熱能的形式損失了 6%。傳輸3MW意味由于熱能而損失了 180kW，并且必須從傳輸中排散到環(huán)境中。即使不考慮經(jīng)濟(jì)上的損失，這也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0004]在直接傳動(dòng)的解決方案中，在發(fā)電機(jī)中可實(shí)現(xiàn)97%的效率，因?yàn)椴豢紤]在變速器傳輸中的損失。
[0005]許多風(fēng)力渦輪機(jī)的制造還使用新型設(shè)計(jì)的變速箱，由于這能減小發(fā)電機(jī)的尺寸和重量。然而，在變速過(guò)程中功率損失之外，變速箱在其他方面也具有挑戰(zhàn)。
[0006]在操作過(guò)程中，風(fēng)車的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生極高的扭矩。用只有15rpm的轉(zhuǎn)子速度產(chǎn)生例如3MW的功率，意味著進(jìn)入風(fēng)力渦輪機(jī)中的變速箱的扭矩達(dá)到2MNm，這幾乎等于10000個(gè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)放在一起的扭矩。因此，需要快速分配或用低扭矩轉(zhuǎn)換為高速度對(duì)于保持風(fēng)力渦輪機(jī)合理的尺寸和重量來(lái)說(shuō)很重要。
[0007]目前，在實(shí)踐中，能夠見(jiàn)到功率的分配以及更高速的轉(zhuǎn)換的多種方式。
[0008]在W02012156128中，示出了廣泛地使用的變速箱，其中，使用單級(jí)行星輪以及之后的兩個(gè)簡(jiǎn)單的斜齒輪級(jí)來(lái)轉(zhuǎn)換扭矩。
[0009]使用行星級(jí)齒輪作為輸入齒輪使來(lái)自轉(zhuǎn)子的扭矩自然地分布到多個(gè)行星輪，這共同有助于將低速輸入轉(zhuǎn)換成高速輸入，該低速輸入轉(zhuǎn)換成高速輸入的轉(zhuǎn)換可通過(guò)之后的斜齒輪級(jí)處理。
[0010]使用行星級(jí)齒輪很復(fù)雜，盡管它是用于從轉(zhuǎn)子分配扭矩的很好的裝置。行星級(jí)齒輪精細(xì)的傳動(dòng)確保所有行星輪承受相同的載荷，從而避免一個(gè)或多個(gè)過(guò)載。在實(shí)踐中，這在定位和生產(chǎn)大齒輪和行星架以及變速箱的殼體時(shí)需要高精度。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中具有如此的限制增加了變速箱的成本。
[0011]具有第一行星級(jí)的變速箱朝向轉(zhuǎn)子的連接是非常關(guān)鍵的。在許多變速箱中，使用行星齒輪作為第一級(jí)，齒輪級(jí)的輸入為行星架。通常使用一個(gè)或多個(gè)軸承將該行星架旋轉(zhuǎn)地固定至變速箱的殼體。因此，朝向例如主軸的連接對(duì)于將來(lái)自風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的能量傳輸?shù)阶兯傧鋪?lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的。主軸通常通過(guò)一個(gè)活兩個(gè)軸承能旋轉(zhuǎn)地固定，意味著在主軸和變速箱之間剛性或非柔性的連接導(dǎo)致過(guò)度限制。最后，在操作過(guò)程中，例如在大風(fēng)過(guò)程中，主軸任何的彎曲都會(huì)產(chǎn)生行星架的難以預(yù)料的載荷，并且可能產(chǎn)生行星架的彎曲，從而導(dǎo)致單個(gè)齒輪的難以預(yù)料的載荷。因此，變速箱的操作壽命減少或甚至變速箱損壞。
[0012]最后，取決于許多因素，比如剛度和載荷/速度，在某些條件下使用在一個(gè)行星級(jí)中的多個(gè)齒輪可導(dǎo)致齒輪間的振動(dòng)。
[0013]Clipper Wind公司(快船風(fēng)能公司)(W02012164501)建議使用定位在主軸上的4個(gè)單獨(dú)的大齒輪從轉(zhuǎn)子分離出扭矩，每個(gè)大齒輪都與小齒輪嚙合，從而驅(qū)動(dòng)第二級(jí)變速箱。最終，第二級(jí)變速箱連接至發(fā)電機(jī)，從而轉(zhuǎn)換能量。與行星變速箱相反的是，該概念在傳動(dòng)鏈的前部將載荷分配到四個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng)。取決于每個(gè)發(fā)電機(jī)的控制，該概念提供獨(dú)立的功率控制，這預(yù)期使得由例如搖晃和振動(dòng)的現(xiàn)象產(chǎn)生更低的干擾。使用發(fā)電機(jī)的載荷來(lái)消除這些現(xiàn)象，能夠至少容易地控制這些現(xiàn)象。
[0014]此外，該概念提供更多的冗余量，期望的是，即使四個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)由于這樣或那樣的原因而失效，系統(tǒng)也能操作。
[0015]后者的實(shí)例在許多尺寸中提供了高可靠性和穩(wěn)健性。此外，它提供合理緊湊的大小和適于不同輸入功率的自由度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明廣義上涉及用于風(fēng)力渦輪機(jī)變速箱，該變速箱包括
[0017]-輸入軸部分，該輸入軸部分適于操作地連接至風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸，
[0018]-輸入齒輪，該輸入齒輪具有圍繞該輪的外周緣或內(nèi)周緣布置的齒，并且該輸入齒輪附接至該輸入軸部分，以便與該輸入軸部分一起旋轉(zhuǎn)，
[0019]-一個(gè)或多個(gè)小齒輪，該小齒輪包括布置在小齒輪軸上的小齒輪部，該小齒輪部具有布置成與該輸入齒輪的齒接合的齒，并且小齒輪軸能旋轉(zhuǎn)地安裝在小齒輪支撐結(jié)構(gòu)中，其中，該輸入軸部分相對(duì)于該小齒輪支撐結(jié)構(gòu)能旋轉(zhuǎn)地安裝。
[0020]變速箱的構(gòu)成的效果在于，如果轉(zhuǎn)子軸彎曲，支撐結(jié)構(gòu)與其一起彎曲。因此，小齒輪軸還與轉(zhuǎn)子軸一起彎曲或運(yùn)動(dòng)，從而保持小齒輪與輸入齒輪的嚙合。這允許小齒輪支撐結(jié)構(gòu)與在輸入軸上的彎曲載荷一起運(yùn)動(dòng)。這減少了傳輸?shù)阶兯傧涞钠茐男缘妮d荷。
[0021]此外，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，例如使用環(huán)形齒圈(annulus ring wheel，外齒圈)作為輸入齒輪并且將小齒輪固定至在環(huán)形齒圈的周緣中的支撐結(jié)構(gòu)中，部分地消除了在變速箱的加載過(guò)程中需要承受反作用力的外殼體的需要。因此，在加載過(guò)程中反作用力僅需要由支撐結(jié)構(gòu)承受，從而消除了承載反作用力(從齒輪級(jí)到用于應(yīng)用艙體(nacelle)的固定點(diǎn))的巨大的封閉件。因此總體上本發(fā)明允許材料的更緊湊的設(shè)計(jì)以及材料的更好的分配與使用。
[0022]可看到另外的優(yōu)點(diǎn)在于，參考結(jié)構(gòu)的剛度變得不再關(guān)鍵。使用輸入軸作為變速箱的結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需承受全部力的外部結(jié)構(gòu)。
[0023]在本發(fā)明的另一方面中，涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)，該風(fēng)力渦輪機(jī)包括
[0024]-參考結(jié)構(gòu)，
[0025]-轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子轂以及一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，
[0026]-轉(zhuǎn)子軸，該轉(zhuǎn)子軸連接至該轉(zhuǎn)子轂，
[0027]-變速箱，該變速箱具有
[0028]-輸入軸部分，該輸入軸部分適于操作地連接至風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸，
[0029]-輸入齒輪，該輸入齒輪具有圍繞該輸入齒輪的外周緣或內(nèi)周緣布置的齒，并且該輸入齒輪附接至該輸入軸部分從而與該輸入軸部分一起旋轉(zhuǎn)，
[0030]-一個(gè)或多個(gè)小齒輪，該小齒輪包括布置在小齒輪軸上的小齒輪部，該小齒輪部具有布置成與該輸入齒輪的齒接合的齒，并且小齒輪軸能旋轉(zhuǎn)地安裝在小齒輪支撐結(jié)構(gòu)中，其中，該輸入軸部分相對(duì)于該小齒輪支撐結(jié)構(gòu)能旋轉(zhuǎn)地安裝。
[0031]其中，轉(zhuǎn)子軸相對(duì)于參考結(jié)構(gòu)能旋轉(zhuǎn)地安裝。
[0032]在閱讀本說(shuō)明書和權(quán)利要求書的基礎(chǔ)上，另外的目的將變得顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1A示出了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的變速箱的橫截面圖。
[0034]圖1B示出了圖1A中的變速箱沿圖1A中的箭頭所指示的線的截面圖。
[0035]圖2示出了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的另一變速箱的截面圖。
[0036]圖3示出了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的又一變速箱的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]在第一方面中，本發(fā)明涉及
[0038]用于風(fēng)力渦輪機(jī)的變速箱，該變速