用于發電的變速器系統的制作方法

專利名稱：用于發電的變速器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種變速器系統，所述變速器系統具體地但不排他地用于借助諸如風 力渦輪機或潮汐力渦輪機之類的流體驅動的轉動式原動機來驅動發電機等。
背景技術：
通常認為大型的渦輪機，例如產生用于供給到電網系統的電力的風力渦輪機，需 要較大且較重的支撐結構，這是因為大型的渦輪機受到沿著多個方向作用的較大的力。適 應這些較大的力的傳統解決方案是制成強度和剛度非常高的渦輪機承載件外殼。由于大型 的渦輪機轉動較慢，它們具有非常高的轉矩，并且通常通過使用加速齒輪裝置作為渦輪機 承載件的一部分來提高其慢速以產生更加有用的轉速。為了避免所使用的齒輪的失準，其中支撐齒輪裝置的渦輪機承載件已經被制成得 甚至剛度更高，使得渦輪機承載件不但在變化的渦輪機力的影響下沒有變形，而且在齒輪 裝置內的內生轉矩的影響下也沒有變形。用于將較大的轉矩傳遞到較慢運動的重型機械的 減速齒輪傳動的變速器在商業上是已知的，但是這些變速器沒有解決以上提及的問題。本 發明人已經認識到，渦輪變速器的改進的設計將解決至少以上提及的問題。

發明內容
本發明提供一種用于流體驅動的渦輪機發電的變速器，所述變速器包括輸入部和 輸出部以及在所述輸入部和所述輸出部之間的用于增大所述輸出部相對于所述輸入部的 轉速的齒輪系，所述齒輪系包括用于從所述輸入部傳遞轉矩到所述輸出部的多個齒輪，所 述變速器還包括大致靜態構件，所述靜態構件與在所述輸入部與所述輸出部之間的所述齒 輪系的一個或多個齒輪接合，以用于提供單個彈性的齒輪系反作用轉矩。優選地，變速器還包括用于靜態構件的彈性支撐件，以使所述構件能圍繞靜態構 件軸線進行受限的彈性轉動。更優選地，輸入部能繞輸入軸線轉動，所述靜態構件軸線和輸入軸線是基本同軸 的。更優選地，彈性支撐件包括長形的扭轉構件，以用于圍繞扭轉軸線的彈性扭曲。在一個實施例中，扭轉構件具有第一臂和兩個端部，所述第一臂固定到扭轉構件 的一個端部并且與其相鄰，第一臂大致徑向地遠離扭轉軸線延伸。優選的是，變速器還包括第一系桿，所述第一系桿在與所述構件軸線間隔開的第 一區域處將所述靜態構件聯接到所述第一臂，以用于在所述靜態構件與所述扭轉構件之間 傳遞使所述扭轉構件進行所述扭曲的反作用轉矩。在一個實施例中，與扭轉構件的另一端部相鄰地設置有第二臂，并且設置有第二 系桿，所述第二系桿在與所述構件軸線間隔開且與所述第一區域相對的第二區域處將所述 靜態構件聯接到所述第二臂，用于將與由所述第一系桿傳遞的轉矩相反的轉矩傳遞到所述 扭轉構件。
優選地，扭轉軸線與靜態構件軸線基本垂直，但是與靜態構件軸線間隔開。在一個實施例中，變速器包括蓋，所述蓋附裝到構件并且支撐變速器的重量的至 少一部分，但是受到較小的來自所述輸入部的轉矩或者沒有受到來自所述輸入部的轉矩。任選地，所述齒輪系包括至少第一行星齒輪系，所述第一行星齒輪系形成第一轉 矩路徑并且具有第一齒圈、第一行星輪和第一太陽輪，并且所述大致靜態構件包括所述第 一行星輪的行星架。優選地，所述第一齒圈直接連接到所述輸入部以用于驅動所述第一行星輪，并且 所述第一行星輪布置成驅動所述第一太陽輪。更優選地，所述齒輪系包括形成第二轉矩路徑的第二行星齒輪系，所述第一路徑 和第二路徑共用來自所述輸入部的轉矩，僅所述第一齒輪系具有所述大致靜態構件。如果采用第二行星齒輪系，則第二行星齒輪系可以具有第二齒圈、第二行星輪和 第二太陽輪，第一太陽輪在使用中驅動第二齒圈，并且第二行星輪在使用中被輸入部驅動。優選地，第一行星齒輪系布置成傳遞輸送到所述輸入部的動力的大約三分之二， 并且所述第二行星齒輪系布置成將來自所述第一齒輪系的所述三分之二的動力與所述輸 入部的動力的剩余三分之一結合。本發明延伸到用于流體驅動的渦輪機的支撐件，所述支撐件包括渦輪機承載件， 所述渦輪機承載件為渦輪機和用于從所述渦輪機傳遞轉矩到發電機的齒輪裝置提供轉動 支撐；和可彈性地運動的構件，所述可彈性地運動的構件安裝到所述渦輪機承載件并且與 所述齒輪裝置接合，以用于對所述齒輪裝置中的轉矩彈性地起反作用。本發明還延伸到流體驅動的渦輪機的支撐件和變速器組件，其包括渦輪機承載件 和變速器，所述變速器組件在由所述流體驅動的渦輪機發電中使用，所述變速器包括輸入 部和輸出部以及在所述輸入部和所述輸出部之間的用于增大所述輸出部相對于所述輸入 部的轉速的齒輪系布置，所述齒輪系布置包括大致靜態構件，所述大致靜態構件通過機構 連接到所述渦輪機承載件并且通過所述機構相對于所述渦輪機承載件基本上僅在一個自 由度中受到約束。優選地，所述約束是彈性的并且所述一個自由度是轉動。更優選地，所述轉動是繞與輸入部的軸線同軸的軸線的轉動。便利地，靜態構件是行星齒輪系的行星架。本發明延伸到此處公開的任何新穎的特征或者此處公開的特征的任何新穎的結 合，不管這些特征是否以這樣的結合進行描述。


本發明可以以多種方式實施。以下參照附圖通過示例來說明本發明的兩個示例性 的實施例，其中圖1示出安裝到風力渦輪機承載件的變速器的簡化的示意性表示視圖；圖2示出根據圖1所示的示意性表示視圖設計的變速器的剖視圖；圖3示出圖2所示的變速器的一部分以及支撐件的透視圖；圖4a和4b示出圖2和3中所示的部件的兩個不同的透視圖，所述部件作為渦輪 機承載件組件的一部分；
圖5示出圖2中所示的變速器的動力路徑；圖6至10示出與分別在圖1至5中所示的變速器類似的風力渦輪機變速器的第
二方案。
具體實施例方式圖1示出變速器10，所述變速器10將用于風力渦輪機5的加速轉動驅動提供到輸 出部20。典型地，將需要1 15的加速比，但是更高或更低的加速比也是可以的。變速器 10具有輸入軸12，所述輸入軸12供給兩個行星齒輪系14和16，所述兩個行星齒輪系14和 16使來自輸入的動力沿著兩個路徑A和B分開。渦輪機5和變速器10通過渦輪機承載件 50支撐。在路徑A中，動力供應到齒輪系14的齒圈24。齒圈24驅動星型齒輪系34( S卩，一 組行星輪)，這組行星輪的轉動中心通過行星架44形式的大致靜態構件固定。可轉動的行 星輪34繼而驅動太陽輪54。在路徑B中，來自輸入的動力供應到行星架46。來自齒輪系14的動力還供應到齒 輪系16的齒圈26。因而，兩個動力路徑A和B結合以驅動太陽輪56。繼而，太陽輪56經 由額外的小齒輪對18而驅動輸出部20。變速器具有軸承45、47、48、51和52，這些軸承支撐變速器10的重量并且保持變速 器10中的齒輪的相對對準。變速器10具有蓋22，所述蓋22沒有受到轉矩載荷。變速器 10布置成使得僅在行星架44處需要用于停止整個變速器自旋的反作用轉矩。該反作用是 彈性的，使得整個變速器可以相對于渦輪機承載件50扭曲，并且任何突然的轉矩增大可以 通過行星架44的扭曲而變得平穩。用于行星架44的支撐通過扭轉構件提供，所述扭轉構件在該示例中是安裝到渦 輪機承載件50的管60，當行星架44迫使系桿62和扭轉臂64扭曲扭轉構件60時，所述扭 轉構件能夠繞其軸線C扭曲并且由此能夠允許行星架44繞其轉動軸線D扭曲。圖2示出圖1中所示的變速器10的更加詳細的視圖。圖1和2中相同的附圖標 記示出相同的部件。應當注意到，行星架44直接安裝到蓋22，但是即使該蓋承載變速器10 的重量，該蓋也沒有受到顯著的轉矩。圖3示出圖2所示的行星架44 (沒有其它的變速器部件)以及扭轉管60、扭轉臂 64和系桿62。在使用中，行星架能夠繞軸線D轉動到的受限的角度。另外，沿著X、Y和Z 的直線方向能夠有某種順應的運動。通過施加在行星架44上的轉矩力而迫使扭轉管60繞 其軸線C扭曲，所述轉矩力借助系桿62和扭轉臂64而傳遞到扭轉管。圖4a示出與扭轉管60和變速器10 —起組裝的渦輪機承載件50，所述變速器10 通過系桿62和扭轉臂64連接到扭轉管60。扭轉管60安裝到渦輪機承載件50，使得扭轉 管60可以繞其軸線C轉動。在使用中，行星架44上的轉矩包括一個系桿中的向上的力和 另一個系桿中的向下的力。這些系桿的力在管60中產生扭轉。實際上，該扭轉反抗施加在 變速器10中的行星架44上的扭轉，以使行星架僅能夠進行受限的彈性轉動。圖5示出變速器10的又一個視圖，示出通過路徑A和B傳遞的動力的百分比。在 此示例中，由于齒輪的布置和用于齒輪的齒數，動力的大約三分之二(65% )通過路徑A傳 遞并且動力的大約三分之一(35% )通過路徑B傳遞。路徑A和路徑B在輸出部處結合。
圖6至10分別與圖1至5相對應，并且相同的部件具有相同的附圖標記(具有附 加的前綴“1”)，例如渦輪機輸入軸在圖1至5中表示為軸12，而在圖6至10中表示為112。雖然以下說明了變速器10和110中的不同，但是圖6至10中所示的變速器的操 作的說明可以參照相對應的圖1至5。在以上所述的變速器10中，包括星型齒輪系34和行星架44的行星齒輪系16比 齒輪系14離開輸入部12更遠。相反地，在變速器110中，與齒輪系14和16相對應的齒輪 系114和116被顛倒，使得齒輪系116現在比齒輪系114更接近輸入部112。變速器110的 操作原理除了行星架與輸入部相距更遠之外，其它方面與變速器10相同。應當注意到，蓋 122轉動，這是因為蓋形成齒輪系的一部分。蓋122僅僅傳遞轉矩并且承載重量，但是沒有 受到外力。在動力路徑A和B之間提供相同的動力分離，并且這在圖10中量化和示出。在 圖9a和9b中，渦輪機支撐件150示為使得支撐件內的部件在附圖中是可見的，但實際上支 撐件150將是不透明的金屬鑄件。以上所示和所述的變速器具有如下的優點，即，齒輪箱外殼22/122，并且因此齒輪 箱的齒輪，大體與周圍的結構(在該情況下，為風力渦輪機承載件50/150)機械地隔離開， 從而渦輪機承載件的任何彎曲不會導致齒輪失準或者齒輪應力。這延長了齒輪的壽命并且 提高了效率。變速器10/110布置成使得，除了變速器10/110被支撐成使得變速器齒輪保持彼 此接觸并且使得其重量被支撐以外，僅齒輪系的一個靜態的元件44/144被約束為相對于 渦輪機承載件50/150具有一個自由度。該自由度是轉動，在該情況中是繞輸入軸線的轉 動。該情況中的約束是彈性的，以便施加彈性的轉動自由度，以允許受限的轉動，使其被推 回到最初的起始位置。該彈性的轉動約束不會約束靜態的元件44/144在任何其它意義上 相對于渦輪機承載件50/150的運動，即，部件62/162、64/164或60/160不會施加三個直線 自由度的約束，并且在其它的兩個轉動自由度中沒有約束。因此，在操作期間，不會對變速 器10/110施加除了反作用以反抗靜態的元件44/144的推動轉動以外的外應力。這繼而提 供一種具有較低的操作應力且不需要具有明顯剛性外殼的變速器。輸出部20/120可以通 過柔性的聯接器而連接到發電機或類似物，使得如果變速器稍轉動地運動，則不會有應力 施加到變速器10/110。雖然僅僅說明和示出了本發明的兩個實施例時，但很清楚在此處說明的本發明的 范圍內能夠有多種修改、可替代方案、改裝等。已經說明和示出了扭轉管60/160和系桿 62/162的一個示例，但是可以使用其它的抵抗扭轉的構件，例如可以使用一個系桿來扭曲 扭轉管，所述管的一個端部固定到渦輪機承載件，或者可以使用簡單的懸臂來抵抗轉動，或 者彈性體的轉矩反作用構件可以連接在變速器10/110的靜態構件和渦輪機承載件50/150 之間。
權利要求
一種在由流體驅動的渦輪機發電中使用的變速器，所述變速器包括輸入部和輸出部以及在所述輸入部和所述輸出部之間的用于增大所述輸出部相對于所述輸入部的轉速的齒輪系，所述齒輪系包括用于從所述輸入部傳遞轉矩到所述輸出部的多個齒輪，所述變速器還包括大致靜態構件，所述靜態構件與在所述輸入部與所述輸出部之間的所述齒輪系的一個或多個齒輪接合，以用于提供單個彈性的齒輪系反作用轉矩。
2.根據權利要求1所述的變速器，其中，所述變速器還包括用于所述靜態構件的彈性 支撐件，以使所述構件能圍繞靜態構件軸線進行受限的彈性轉動。
3.根據權利要求2所述的變速器，其中，所述輸入部能繞輸入軸線轉動，所述靜態構件 軸線和輸入軸線是基本同軸的。
4.根據權利要求2或3所述的變速器，其中，所述彈性支撐件包括長形的扭轉構件，以 用于圍繞扭轉軸線的彈性扭曲。
5.根據權利要求4所述的變速器，其中，所述扭轉構件具有第一臂和兩個端部，所述第 一臂固定到所述扭轉構件的一個端部并且與所述一個端部相鄰，所述第一臂大致徑向地遠 離所述扭轉軸線延伸。
6.根據權利要求5所述的變速器，其中，所述變速器還包括第一系桿，所述第一系桿在 與所述構件軸線間隔開的第一區域處將所述靜態構件聯接到所述第一臂，以用于在所述靜 態構件與所述扭轉構件之間傳遞使所述扭轉構件進行所述扭曲的反作用轉矩。
7.根據權利要求6所述的變速器，其中，與所述扭轉構件的另一端部相鄰地設置有第 二臂，并且設置有第二系桿，所述第二系桿在與所述構件軸線間隔開且與所述第一區域相 對的第二區域處將所述靜態構件聯接到所述第二臂，用于將與由所述第一系桿傳遞的轉矩 相反的轉矩傳遞到所述扭轉構件。
8.根據權利要求5、6或7所述的變速器，其中，所述扭轉軸線與所述靜態構件軸線基本 垂直，但是與所述靜態構件軸線間隔開。
9.根據以上權利要求中任一項所述的變速器，其中，所述變速器包括蓋，所述蓋附裝到 所述構件并且支撐所述變速器的重量的至少一部分，但是受到較小的來自所述輸入部的轉 矩或者沒有受到來自所述輸入部的轉矩。
10.根據以上權利要求中任一項所述的變速器，其中，所述齒輪系包括至少第一行星齒 輪系，所述第一行星齒輪系形成第一轉矩路徑并且具有第一齒圈、第一行星輪和第一太陽 輪，并且所述大致靜態構件包括所述第一行星輪的行星架。
11.根據權利要求10所述的變速器，其中，所述第一齒圈直接連接到所述輸入部以用 于驅動所述第一行星輪，并且所述第一行星輪布置成驅動所述第一太陽輪。
12.根據權利要求10或11所述的變速器，其中，所述齒輪系包括形成第二轉矩路徑的 第二行星齒輪系，所述第一路徑和第二路徑共用來自所述輸入部的轉矩，僅所述第一齒輪 系具有所述大致靜態構件。
13.根據權利要求12所述的變速器，其中，所述第二行星齒輪系具有第二齒圈、第二行 星輪和第二太陽輪，所述第一太陽輪在使用中驅動所述第二齒圈，并且所述第二行星輪在 使用中被所述輸入部驅動。
14.根據權利要求12或13所述的變速器，其中，所述第一行星齒輪系布置成傳遞輸送 到所述輸入部的動力的大約三分之二，并且所述第二行星齒輪系布置成將來自所述第一齒輪系的所述三分之二的動力與所述輸入部的動力的剩余三分之一結合。
15.一種用于流體驅動的渦輪機的支撐件，所述支撐件包括渦輪機承載件，所述渦輪 機承載件為渦輪機和用于從所述渦輪機傳遞轉矩到發電機的齒輪裝置提供轉動支撐；和可 彈性地運動的構件，所述可彈性地運動的構件安裝到所述渦輪機承載件并且與所述齒輪裝 置接合，以用于對所述齒輪裝置中的轉矩彈性地起反作用。
16.根據權利要求15所述的支撐件，其中，所述渦輪承載件支撐所述齒輪裝置的重量 并且提供對所述轉矩的所述反作用，但是所述渦輪承載件對所述齒輪裝置沒有其它的力的 影響。
17.—種基本如在此參照附圖所述的變速器或支撐件。
18.一種流體驅動的渦輪機的支撐件和變速器組件，其包括渦輪機承載件和變速器，所 述變速器組件在由所述流體驅動的渦輪機發電中使用，所述變速器包括輸入部和輸出部以 及在所述輸入部和所述輸出部之間的用于增大所述輸出部相對于所述輸入部的轉速的齒 輪系布置，所述齒輪系布置包括大致靜態構件，所述大致靜態構件通過機構連接到所述渦 輪機承載件并且通過所述機構相對于所述渦輪機承載件基本上僅在一個自由度中受到約 束ο
19.根據權利要求18所述的組件，其中，所述約束是彈性的并且所述一個自由度是轉動。
20.根據權利要求19所述的組件，其中，所述轉動是繞與所述輸入部的軸線同軸的軸 線的轉動。
21.根據權利要求18、19或20所述的組件，其中，所述靜態構件是行星齒輪系的行星架。
全文摘要
公開了一種在諸如風力渦輪機(5)的流體驅動的渦輪機發電中使用的變速器(10)。變速器(10)支撐在渦輪機承載件(50)中并包括輸入部(12)和輸出部(20)以及在輸入部和輸出部之間的用于增大輸出部相對于輸入部的轉速的齒輪系(14/16)。齒輪系包括用于從輸入部傳遞轉矩到輸出部的多個齒輪。變速器還包括行星齒輪系(16)的大致靜態的行星架(44)，該行星架彈性地連接到渦輪機承載件以提供單個彈性的齒輪系反作用轉矩。因而，變速器除了在其自身的重量支撐方面和扭轉方面以外沒有相對于承載件被約束。
文檔編號F16H1/46GK101855475SQ200880115229
公開日2010年10月6日 申請日期2008年10月1日 優先權日2007年10月1日
發明者F·坎利菲, R·J·希克斯 申請人:軌道2有限公司