CN102966702B - 用于风力发电机的齿轮系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并揭示一种例如用于风力发电机中的齿轮系统。所述齿轮系统包括：架；齿轮，其设有中心轴；以及销，其沿所述中心轴延伸并将所述齿轮连接到所述架。所述齿轮系统进一步包括：滚柱轴承，其环绕所述销，所述滚柱轴承包括多个滚柱元件；以及径向滑动轴承，其环绕所述销。还进一步了揭示了一种风力发电机。

Description

用于风力发电机的齿轮系统

技术领域

本发明大体涉及齿轮系统，确切地说，涉及风力发电机的齿轮系统等齿轮系统中的改良型负载特征。

背景技术

风能被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，在这一方面，风力发电机已获得广泛关注。现代风力发电机通常包括塔筒、发电机、齿轮箱、机舱以及一片或多片转子叶片。转子叶片使用已知的翼型理论来捕获风的动能。转子叶片以转动能的形式传输动能，以使轴转动，所述轴将转子叶片连接到齿轮系统，或者如果未使用齿轮系统，则直接连接到发电机。之后，发电机将机械能转化成电能，从而输送到公用设施电网中。

通常，即使风力发电机中已使用了平行轴式齿轮系统和其他合适的齿轮系统，也会使用行星齿轮系统。此外，由于齿轮系统在风力发电机运行过程中承受巨大负载，因此必须为此类齿轮系统选择并使用合适的轴承。

用于抵消此类相对较高负载的轴承的一个实例是径向滑动轴承。但是，在低负载阶段或者在开始和停止风力发电机的循环时，径向滑动轴承通常会暴露于高磨损条件下，这会损坏或毁坏径向滑动轴承。由于此类阶段和循环在风力发电机运行过程中经常出现，因此，即使径向滑动轴承具有高负载抵消能力，也通常不使用它们。

因此，用于风力发电机的典型齿轮系统目前使用滚柱轴承。然而，滚柱轴承是相对较贵的部件，且大大增加了齿轮系统的整体成本。

因此，所属领域需要一种改良型齿轮系统。例如，一种既能抵消高负载又相对较便宜的齿轮系统将非常有利。

发明内容

以下说明书将部分阐明本发明的各方面和优点，或者，这些方面和优点在说明书中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。

在一项实施例中，本发明揭示了一种行星齿轮系统，其包括：架；齿轮，其设有中心轴；销，其沿所述中心轴延伸并将所述齿轮连接到所述架；滚柱轴承，其设置在所述销与所述齿轮之间，所述滚柱轴承包括多个滚柱元件；以及径向滑动轴承，其设置在所述销与所述齿轮之间。所述的行星齿轮系统，其进一步包括，环绕所述滚柱轴承的柔性组件。其中所述柔性组件包括多个弹簧部件。其中所述柔性组件包括橡胶层。所述的行星齿轮系统，其中所述滚柱轴承的内半径小于所述径向滑动轴承的内半径。其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承的大小通过调整，以使所述销不接触所述径向滑动轴承。所述的行星齿轮系统，其进一步包括，径向通道，所述径向通道设于所述架中并与所述径向滑动轴承流体连通。

在一项实施例中，本发明揭示了一种风力发电机，其包括：塔筒；机舱，其安装到所述塔筒；以及齿轮系统，其安置在所述机舱中，所述齿轮系统包括：架；齿轮，其设有中心轴；销，其沿所述中心轴延伸并将所述齿轮连接到所述架；滚柱轴承，其环绕所述销，所述滚柱轴承包括多个滚柱元件；以及径向滑动轴承，其环绕所述销。

所述的风力发电机，其进一步包括，环绕所述滚柱轴承的柔性组件。其中所述滚柱轴承的内半径小于所述径向滑动轴承的内半径。其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承的大小通过调整，以使所述销不接触所述径向滑动轴承。

在另一项实施例中，本发明揭示了一种齿轮系统，其包括：架；齿轮，其设有中心轴；销，其沿所述中心轴延伸并将所述齿轮连接到所述架；滚柱轴承，其环绕所述销，所述滚柱轴承包括多个滚柱元件；以及径向滑动轴承，其环绕所述销。所述的齿轮系统，其进一步包括，环绕所述滚柱轴承的柔性组件。其中所述柔性组件包括多个弹簧部件。其中所述柔性组件包括橡胶层。其中所述滚柱轴承的内半径小于所述径向滑动轴承的内半径。其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承的大小通过调整，以使所述销不接触所述径向滑动轴承。

所述的齿轮系统，其进一步包括，径向通道，所述径向通道设于所述架中并与所述径向滑动轴承流体连通。其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承设置在所述销与所述齿轮之间。所述的齿轮系统，其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承设置在所述销与所述架之间。

参考以下具体实施方式和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，说明了本发明的各实施例，并与具体实施方式一起解释本发明的原理。

附图说明

本说明书参考附图，针对所属领域的一般技术人员，完整且可实现地揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：

图1是根据本发明的一项实施例的风力发电机的透视图；

图2是根据本发明的一项实施例的行星齿轮系统的分解透视图；

图3是根据本发明的一项实施例的行星齿轮系统的部分局部截面图；

图4是根据本发明的一项实施例的平行轴式齿轮系统的正视图；以及

图5是根据本发明的一项实施例的平行轴式齿轮系统的部分局部截面图。

元件符号列表：

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员将显而易见，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一项实施例的一部分进行说明或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到另一项实施例。因此，本发明应涵盖所有属于所附权利要求书及其等效物的范围内的修改和变化。

图1所示为采用传统结构的风力发电机10。风力发电机10包括塔筒12，所述塔筒上安装有机舱14。多片转子叶片16安装到转子轮毂18，所述转子轮毂转而连接到转动主转子轴的主法兰，如下文所述。风力发电机发电和控制部件安置在机舱14内。图1仅作说明目的，以示例性地说明本发明。应了解，本发明不限于任何特定类型的风力发电机配置。

本发明还涉及齿轮系统。所述齿轮系统可在风力发电机10中使用。然而，应了解，本发明并不限于在风力发电机中使用这类齿轮系统，事实上，任何合适的齿轮系统应用均在本发明的精神和范围内。此外，如下文所述，根据本发明的齿轮系统可为行星齿轮系统、平行轴式齿轮系统或任何其他合适的齿轮系统。

当用于风力发电机10中时，例如，齿轮系统可安置在机舱14中。输入轴(未图示)可向系统提供输入负载。如所属领域所熟知，所述系统可进一步向发电机(未图示)提供输出负载。因此，在运行过程中，以特定输入旋转速度的输入负载通过齿轮系统进行传输并作为以特定输出旋转速度的输出负载提供给例如发电机。

图2和图3所示为根据本发明的行星齿轮系统20的各项实施例。行星齿轮系统20可为单级行星齿轮系统20。因此，输入旋转速度可通过单级的各个配对齿轮转换为输出旋转速度，如下文所述。然而，行星齿轮系统20或者也可为多级行星齿轮系统20，且输入旋转速度可通过多级的各个配对齿轮转换为输出旋转速度。

行星齿轮系统20包括架24和多个齿轮。例如，如图所示，示例性实施例中的行星齿轮系统20包括齿图26、一个或多个行星齿轮28以及太阳齿轮30。系统20可包括一个、二个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或八个以上行星齿轮28。齿轮26、28、30中的每个齿轮均包括多个齿。例如，齿图26包括齿32，每个行星齿轮28包括齿34，且每个太阳齿轮30包括齿36。齿32、34和36可调整大小和形状以便啮合在一起，从而使各个齿轮26、28和30彼此配合。例如，齿图26和太阳齿轮30均可配合行星齿轮28。

在一些实施例中，架24可以固定。在这些实施例中，输入轴可连接到齿图26，且输入轴上的输入负载可通过齿图26传输到行星齿轮28。因此，齿图26可驱动系统20。在其他实施例中，齿图26可以固定。在这些实施例中，输入轴可连接到架24，且输入轴上的输入负载可通过架24传输到行星齿轮28。因此，架24可驱动系统20。在其他实施例中，行星齿轮28或太阳齿轮30等任何其他合适的部件均可驱动系统20。

示例性实施例中的太阳齿轮30设有中心轴40，且因此围绕该中心轴40旋转。齿图26可至少部分环绕太阳齿轮30，并沿中心轴40放置。例如，齿图26可沿中心轴40对准太阳齿轮30，或者可沿轴40偏离太阳齿轮30。因此，齿图26可(如果可旋转)围绕中心轴40旋转。

行星齿轮28中的每个行星齿轮可设置在太阳齿轮30和齿图26之间，且可同时配合太阳齿轮30和齿图26。例如，齿32、34和36可啮合在一起，如上文所述。此外，行星齿轮28中的每个行星齿轮可设有中心轴40，如图所示。因此，每个行星齿轮28可围绕其中心轴40旋转。另外，行星齿轮28及其中心轴40可围绕太阳齿轮30的中心轴40旋转。

架24可设置成邻近行星齿轮28，并可进一步沿中心轴40放置。架24可包括第一架板44，且在一些实施例中，可包括第二架板(未图示)。在架24包括第一架板44和第二架板的实施例中，行星齿轮28可设置在两个架板之间。

根据本发明的每个行星齿轮28可连接到架24。例如，销50可延伸穿过架24和行星齿轮28的至少一部分，从而将行星齿轮28和架24连接在一起。销50可沿中心轴40延伸和放置，以便行星齿轮28可围绕销50旋转。

在示例性实施例中，根据本发明的销50可固定地安装到架24。例如，销50可压配合到架24中，或者可使用粘合剂或机械紧固件进行固定，或者可以其他方式固定地安装到架上。然而，销50或者也可以移动方式安装到架24，以使销50可相对于架24旋转。

在一些实施例中，仅支撑销50的一端。例如，销50的一端可延伸穿过第一架板44且因此受该第一架板支撑，而另一端未延伸穿过第二架板且未受该第二架板支撑，或者反之亦然。但在替代实施例中，这两端均可受第一架板44和第二架板等支撑。

图4和图5所示为根据本发明的平行轴式齿轮系统120的各项实施例。平行轴式齿轮系统120可为单级平行轴式齿轮系统20。因此，输入旋转速度可通过单级的配对齿轮转换为输出旋转速度，如下文所述。然而，平行轴式齿轮系统120或者也可为多级平行轴式齿轮系统120，且输入旋转速度可通过多级的各个配对齿轮转换为输出旋转速度。

平行轴式齿轮系统120包括架124和多个齿轮。例如，如图所示，示例性实施例中的平行轴式齿轮系统120包括输入齿轮126和输出齿轮128，且可进一步包括各个中间齿轮130。齿轮126、128、130中的每个齿轮均包括多个齿。例如，输入齿轮126包括齿132，输出齿轮128包括齿134，且每个中间齿轮130包括齿136。齿132、134和36可调整大小和形状以便啮合在一起，从而使各个齿轮126、128、130彼此配合。例如，输入齿轮126可配合中间齿轮130，且中间齿轮130可配合另一个中间齿轮130或配合输出齿轮128。

输入轴可连接到输入齿轮126，且输入轴上的输入负载可通过输入齿轮126传输到中间齿轮130和输出齿轮128。因此，输入齿轮126可驱动系统120。

示例性实施例中的每个齿轮126、128、130设有中心轴140，且因此围绕该中心轴140旋转。

架124可设置成邻近行星齿轮128。架124可包括第一架板144，且在一些实施例中，可包括第二架板(未图示)。在架124包括第一架板144和第二架板的实施例中，各个齿轮126、128、130可设置在两个架板之间。

根据本发明的每个齿轮126、128、130可连接到架124。例如，销150可延伸穿过架24和齿轮126、128、130的至少一部分，从而将齿轮126、128、130和架124连接在一起。销150可沿中心轴140延伸并放置。

在示例性实施例中，根据本发明的销150可以可移动方式安装到架124，使得销150可相对于架124旋转。然而，销150或者可固定地安装到架124。例如，销150可压配合到架124中，或者可使用粘合剂或机械紧固件进行固定，或者可以其他方式固定地安装到架上。

在一些实施例中，仅支撑销150的一端。例如，销150的一端可延伸穿过第一架板144且因此受该第一架板支撑，而另一端未延伸穿过第二架板且未受该第二架板支撑，或者反之亦然。但在替代实施例中，这两端均可受第一架板144和第二架板等支撑。

如图2到图5所示，根据本发明的齿轮系统可进一步包括环绕齿轮系统的每个销50、150的一个或多个滚柱轴承202以及一个或多个径向滑动轴承204。例如，滚柱轴承202可环绕销50、150。滚柱轴承202可包括多个滚柱元件206，这些滚柱元件可围绕销50、150布置成一个或多个环状阵列。此外，径向滑动轴承204可环绕销50、150。径向滑动轴承204可与滚柱轴承202相邻或分隔开来。此外，径向通道208可设成通过齿轮系统的各个部件，例如通过径向滑动轴承204、架24、124和/或销50、150。因此，径向通道208可与径向滑动轴承204流体连通，以供径向流体209流过。在示例性实施例中，径向流体209可为油或任何其他合适的液体，用于在齿轮系统运行过程中，在径向滑动轴承204与销50、150等齿轮系统的另一部件之间产生流体动力层。

在一些实施例中，例如当齿轮系统为图3所示的行星齿轮系统20时，滚柱轴承202和径向滑动轴承204可环绕销50、150设置在销50、150与行星齿轮28或任何其他合适齿轮等齿轮之间。在这些实施例中，齿轮可相对于销50、150移动。在其他实施例中，例如当齿轮系统为图5所示的平行轴式齿轮系统120时，滚柱轴承202和径向滑动轴承204可设置在销50、150与架24、124之间。在这些实施例中，销50、150可相对于架24、124移动。

通常，本发明的滚柱轴承202和径向滑动轴承204可通过设计以在齿轮系统运行过程中的不同时间运行。例如，当齿轮系统承受运行负载时，径向滑动轴承204可通过设计以在齿轮系统正常运行期间运行。理想情况下，径向滑动轴承204可在此正常运行期间抵消这些较高负载。风力发电机中齿轮系统的正常运行负载可根据风力发电机的大小及其他因素而发生变化。例如，在一项实施例中，额定扭矩为约2,250kNm的2.75MW风力发电机在该额定扭矩的状态下，可使第一级行星齿轮受到约1,150kN的负载。换句话说，此负载可作用在环绕且支撑该行星齿轮的轴承上。因此，风力发电机中齿轮系统的正常运行负载的范围可在风力发电机额定扭矩的约35％和约65％、约40％和约60％、或者约45％和约55％之间。然而，应了解，根据本发明的齿轮系统的正常运行负载并不限于上文所揭示的范围，事实上，任何合适的负载均在本发明的精神和范围内。

如上所述，在齿轮系统正常运行时，径向流体209可产生流体动力层，如径向滑动轴承领域中所熟知。因此，齿轮系统正常运行时的所有或基本所有负载抵消均由径向滑动轴承204执行。滚柱轴承202可接触销50、150，但由于流体动力层和可选柔性层，所述滚柱轴承仅执行最低限度的负载抵消或不执行任何负载抵消，如下文所述。

滚柱轴承202可通过设计以在齿轮系统的非正常运行期间运行，这时齿轮系统承受通常小于运行负载的非运行负载。例如，非正常运行可包括启动运行、关闭运行和/或负载相对较低的阶段。例如在风力发电机的使用寿命的约10％与约25％承受此低负载。在此非正常运行期间，径向滑动轴承204与销50、150之间产生的流体动力层可减少或消失。但是，滚柱轴承202可接触销50、150，从而抵消非正常运行期间承受的负载，且防止销50、150接触和损坏或毁坏径向滑动轴承204。在一些实施例中，滚柱轴承202的内半径212可小于径向滑动轴承204的内半径214。这样可使滚柱轴承202接触销50、150且避免接触径向滑动轴承。在示例性实施例中，滚柱轴承202和径向滑动轴承204的大小可通过调整以使销50、150不接触径向滑动轴承204。

在示例性实施例中，根据本发明的滚柱轴承202可为相对较低负载滚柱轴承202。此类滚柱轴承202虽然不能承受并抵消正常运行期间的负载等相对较高的负载，但可以处理较低的非正常运行负载，而且相对较便宜。然而，应了解，本发明并不限于低负载滚柱轴承202，事实上，任意合适的滚柱轴承202均在本发明的精神和范围内。

在一些实施例中，如图3和图5所示，柔性组件220可环绕滚柱轴承202。因此，柔性组件220可设置在滚柱轴承202与例如图5所示的架或者图3所示的齿轮之间。柔性组件220可抵消滚柱轴承202受到的一部分负载，从而限制滚柱轴承202所承受的负载。柔性组件220通常具有的硬度或弹性模量要足够高，以在非正常运行期间支撑销50、150，但也要足够低，以限制滚柱轴承所承受的负载。此外，在正常运行期间，柔性组件220可由于负载较高而发生偏转，从而防止滚柱轴承202承受和抵消此类高负载，或者降低滚柱轴承202承受和抵消的负载量。

在一些实施例中，如图3所示，柔性组件220可包括一个或多个弹簧部件222。在其他实施例中，如图5所示，柔性组件220可包括至少部分由橡胶等合适材料形成的层224，所述层具有合适的硬度或弹性模量。

有利的是，如本专利申请文件中所揭示，在齿轮系统中使用径向滑动轴承204和滚柱轴承202可充分抵消正常运行过程中承受的相对较高负载。另外，此类齿轮系统可防止齿轮系统的各个部件在非正常运行阶段受到损坏或毁坏。此外，此类齿轮系统的各部件相对较便宜。

本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种行星齿轮系统，其包括：

架；

齿轮，其设有中心轴；

销，其沿所述中心轴延伸并将所述齿轮连接到所述架；

滚柱轴承，其设置在所述销与所述齿轮之间，所述滚柱轴承包括多个滚柱元件；

径向滑动轴承，其设置在所述销与所述齿轮之间；以及

径向流体，设置于径向滑动轴承与销之间，其中所述径向流体是液体。

2.根据权利要求1所述的行星齿轮系统，其进一步包括，环绕所述滚柱轴承的柔性组件。

3.根据权利要求2所述的行星齿轮系统，其中所述柔性组件包括多个弹簧部件。

4.根据权利要求2所述的行星齿轮系统，其中所述柔性组件包括橡胶层。

5.根据权利要求1所述的行星齿轮系统，其中所述滚柱轴承的内半径小于所述径向滑动轴承的内半径。

6.根据权利要求1所述的行星齿轮系统，其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承的大小通过调整，以使所述销不接触所述径向滑动轴承。

7.根据权利要求1所述的行星齿轮系统，其进一步包括，径向通道，所述径向通道设于所述架中并与所述径向滑动轴承流体连通。

8.一种风力发电机，其包括：

塔筒；

机舱，其安装到所述塔筒；以及

齿轮系统，其安置在所述机舱中，所述齿轮系统包括：

架；

齿轮，其设有中心轴；

销，其沿所述中心轴延伸并将所述齿轮连接到所述架；

滚柱轴承，其环绕所述销，所述滚柱轴承包括多个滚柱元件；

径向滑动轴承，其环绕所述销；以及

径向流体，设置于径向滑动轴承与销之间，其中所述径向流体是液体。

9.根据权利要求8所述的风力发电机，其进一步包括，环绕所述滚柱轴承的柔性组件。

10.根据权利要求8所述的风力发电机，其中所述滚柱轴承的内半径小于所述径向滑动轴承的内半径。

11.根据权利要求8所述的风力发电机，其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承的大小通过调整，以使所述销不接触所述径向滑动轴承。

12.一种齿轮系统，其包括：

架；

齿轮，其设有中心轴；

销，其沿所述中心轴延伸并将所述齿轮连接到所述架；

滚柱轴承，其环绕所述销，所述滚柱轴承包括多个滚柱元件；

径向滑动轴承，其环绕所述销；以及

径向流体，设置于径向滑动轴承与销之间，其中所述径向流体是液体。

13.根据权利要求12所述的齿轮系统，其进一步包括，环绕所述滚柱轴承的柔性组件。

14.根据权利要求13所述的齿轮系统，其中所述柔性组件包括多个弹簧部件。

15.根据权利要求13所述的齿轮系统，其中所述柔性组件包括橡胶层。

16.根据权利要求12所述的齿轮系统，其中所述滚柱轴承的内半径小于所述径向滑动轴承的内半径。

17.根据权利要求12所述的齿轮系统，其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承的大小通过调整，以使所述销不接触所述径向滑动轴承。

18.根据权利要求12所述的齿轮系统，其进一步包括，径向通道，所述径向通道设于所述架中并与所述径向滑动轴承流体连通。

19.根据权利要求12所述的齿轮系统，其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承设置在所述销与所述齿轮之间。

20.根据权利要求12所述的齿轮系统，其中所述滚柱轴承和所述径向滑动轴承设置在所述销与所述架之间。