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CN111536203B - 一种紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构 - Google Patents

一种紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构，包括第一级行星齿轮传动系统、第二级行星齿轮传动系统和第三级行星齿轮传动系统；第一级传动系统为定轴内啮合传动，功率由其内齿圈输入，经其多个外齿轮平均分配输出；第二级传动系统为定轴外啮合传动，功率由其多个大齿轮输入，汇流到其中心小齿轮输出；第三级行星齿轮传动系统为NGW行星传动系统，其行星架通过花键副与中心小齿轮连接，其太阳轮与发电机连接。本发明充分利用了传统紧凑混合风力发电机组齿轮箱的原来第二级行星传动的径向空间，保持齿轮箱空间不变的同时，可提高风力发电功率及齿轮箱速比，为紧凑混合驱动风力发电传动结构提供一种解决方案。

Description

一种紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构
技术领域
本发明涉及风力发电齿轮箱传动的技术领域，尤其是指一种紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构。
背景技术
图1是传统紧凑混合风力发电机组齿轮箱的结构简图。共有两级NGW型行星齿轮传动系统组成，总速比在22-25之间。第一级行星齿轮传动系统03，传动比4.5左右；第二级齿轮行星传动系统09，传动比5.5左右；轮毂04与第一级行星齿轮传动系统的行星架05、主轴轴承06的内圈连接一起；主轴轴承06的外圈与箱体07及发电机外壳08连接一起，构成风力发电机组的最外部结构，替代传统结构的机舱；第二级行星齿轮传动系统的行星架010与第一级行星齿轮传动系统的太阳轮01通过花键02连接，来自叶片的功率经由轮毂04传递到齿轮箱内部，最后由第二级行星齿轮传动系统的太阳轮011输出到发电机；
在现有的平台上，不改变传动装置的空间尺寸及主轴承型号、不改变传动功率前提下，要将齿轮箱速比提高到60～100以内，使发电机在中高速下运转，如果在不改变齿轮箱现有的结构下，只有利用第2级行星齿轮的径向空间，但总速比也只能增加到32，齿轮箱的轴向尺寸限制了齿轮箱速比的增加。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，针对在传统紧凑混合风力发电机组齿轮箱增加速比受到限制的问题，提出了一种紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构，与传统NGW行星传动齿轮箱相比，增加多一级行星传动，成为共3级行星齿轮传动，在保持空间不变的前提下，可提高风力发电功率及齿轮箱速比，为紧凑混合驱动风力发电传动结构提供一种解决方案，并且风力发电机组功率可应用在2.5MW至15MW之间。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构，包括第一级行星齿轮传动系统、第二级行星齿轮传动系统和第三级行星齿轮传动系统；所述第一级行星齿轮传动系统为定轴内啮合传动系统，功率由其内齿圈输入，再经其多个外齿轮形成多个支路输出，该多个外齿轮在内齿圈内均匀分布，并分别与该内齿圈啮合，平均分配功率，所述内齿圈与风力发电机组的轮毂固定连接，其中一个外齿轮安装在一根传动轴的悬臂端上，该传动轴分别通过第一轴承和第二轴承支承在齿轮箱体和轴承座板上，所述轴承座板与齿轮箱体固为一整体；所述第二级行星齿轮传动系统为定轴外啮合传动系统，第一级行星齿轮传动系统输出的功率由第二级行星齿轮传动系统的多个大齿轮输入，汇流到其中心小齿轮输出，该多个大齿轮均匀围绕中心小齿轮啮合，其中一个大齿轮安装在传动轴上，与第一级行星齿轮传动系统的外齿轮共用同一根传动轴，并位于第一轴承与第二轴承之间；所述第三级行星齿轮传动系统为NGW行星传动系统，其行星架通过花键副与第二级行星齿轮传动系统的中心小齿轮连接，其太阳轮与风力发电机组的发电机连接，使得第二级行星齿轮传动系统输出的功率最终由第三级行星齿轮传动系统的太阳轮输出到发电机上。
进一步，所述第二级行星齿轮传动系统的中心小齿轮和第三级行星齿轮传动系统的太阳轮均为浮动件。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、传统紧凑混合风力发电机组齿轮箱的两级NGW型行星齿轮传动系统，其原第一级NGW行星传动：分为行星齿轮与内齿圈的内啮合及行星齿轮与太阳轮的外啮合，在NGW传动的原理上，内啮合的承载载荷能力约为外啮合的2.3倍(基于常用的速比及考虑了常用的内外啮合齿轮材料不同的影响)，并且外啮合太阳轮及外啮合的行星轮的承载能力为行星传动的薄弱环节(特别是外啮合太阳轮)，同时，由于行星轮齿的双向啮合，使行星轮的弯曲承载能力降低30％。
基于此，本发明将第一级行星传动去掉太阳轮，将行星架固定，此时行星传动就改变为定轴传动的内啮合，行星轮即变为单向啮合，再将内齿圈与轮毂连接成为输入件，行星轮即变为输出外齿轮，多个输出外齿轮将内齿圈的功率分流。这样的改变就综合增强了齿轮传动的承载能力，可以在满足齿轮强度的前提下，减小输出外齿轮齿数及减小齿宽，为增大传动比节省轴向空间。
2、本传动结构的第二级行星齿轮传动系统的大齿轮与第一级行星齿轮传动系统的外齿轮处于同一传动轴上，与第二级行星齿轮传动系统的中心小齿轮啮合，将功率汇流到中心小齿轮上，再向下一级输出。由于前两级传动总速比在14左右，还需要增加第三级内齿圈固定的NGW行星传动，最大单级速比7左右，传递功率由中心小齿轮通过花键副输入第三级行星齿轮传动系统的行星架，最终由第三级行星齿轮传动系统太阳轮输出到发电机上。这样的设计充分利用了传统紧凑混合风力发电机组齿轮箱的原来第二级行星传动的径向空间，设计了两级平行轴传动结构(包括1级内啮合，1级外啮合)及1级NGW行星传动，达到了在原来空间内，增加总传动比的目的，同时，选择合适的速比，还可在一定程度提高传递功率，为风力发电的传动齿轮箱设计提供了一个新的传动型式。
附图说明
图1为传统紧凑混合风力发电机组齿轮箱的结构示意图。
图2为本发明所述紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构示意图。
图3为第一级行星齿轮传动系统与第二级行星齿轮传动系统空间布置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图2所示，本实施例所提供的紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构，包括第一级行星齿轮传动系统、第二级行星齿轮传动系统和第三级行星齿轮传动系统。
所述第一级行星齿轮传动系统为定轴内啮合传动系统，功率由其内齿圈1输入，再经其n个外齿轮2形成n个支路输出，n＝3,4,5…，该n个外齿轮2在内齿圈1内均匀分布，并分别与该内齿圈1啮合，平均分配功率，所述内齿圈1与风力发电机组的轮毂10固定连接，其中一个外齿轮2安装在一根传动轴9的悬臂端上，该传动轴9通过第一轴承8和第二轴承12支承在齿轮箱体11和轴承座板13上，所述轴承座板13与齿轮箱体11固为一整体。
第一级行星齿轮传动系统空间布置结构参见图3所示(以n＝3为例说明)，序号1为内齿圈，序号2-1、2-2、2-3为3个外齿轮，在内齿圈1中均匀分布，功率在这3条路径平均分配。
所述第二级行星齿轮传动系统为定轴外啮合传动系统，第一级行星齿轮传动系统输出的功率由该第二级行星齿轮传动系统的m个大齿轮3输入，汇流到其中心小齿轮4输出，该m个大齿轮3均匀围绕中心小齿轮4啮合，其中一个大齿轮3安装在传动轴9上，即与第一级行星齿轮传动系统的外齿轮共用同一根传动轴，并位于第一轴承8与第二轴承12之间。
第二级行星齿轮传动系统空间布置结构参见图3所示(以m＝3为例说明)，序号3-1、3-2、3-3为3个大齿轮，序号4为中心小齿轮。3个大齿轮3-1、3-2、3-3围绕中心小齿轮4均匀分布，并分别与中心小齿轮4啮合，功率由3个大齿轮汇流到中心小齿轮4中，3个大齿轮的布置有效地利用了径向空间。
所述第三级NGW行星传动系统5为NGW行星传动系统，其行星架14通过花键副7与第二级行星齿轮传动系统的中心小齿轮4连接，其太阳轮6直接与风力发电机组的发电机连接，使得第二级行星齿轮传动系统输出的功率最终由第三级行星齿轮传动系统5的太阳轮6输出到发电机上。
另外，齿轮箱采用了功率分流传动结构，由于加工制造及装配误差，必然存在各支路功率分配不均现象，需要有均载机构。因此，第二级及第三级传动采用了浮动轮的措施，即第二级行星齿轮传动系统的中心小齿轮4和第三级行星齿轮传动系统5的太阳轮6为浮动件；而外齿轮2则采用降低刚度，增加柔性的方式解决均载，即第一级行星齿轮传动系统采用了柔性销结构，具体方法是齿轮装配采用悬臂梁的形式，参见图2所示，外齿轮2装在传动轴9的悬臂端处。
由于悬臂梁结构受力后变形量较大，容易引起其上的齿轮倾斜，导致齿轮宽度上受力不均匀，因此，齿轮需设计成特殊结构，装配后在悬臂梁的反向再形成悬臂梁端，共形成2处悬臂结构，即所谓的柔性销结构。参见图2所示，外齿轮2与传动轴9形成柔性销结构。当一个法向力施加于外齿轮上时，来自传动轴的弯曲引起的角度绕度能够被反方向来自另一端的齿轮弯曲引起的角度绕度所抵消，法向力使柔性销往下倾斜，而反力矩使柔性销向上倾斜，2个相反的倾斜量就会抵消，使其行星齿轮整体表现不倾斜，受力就不偏载，每个齿轮平行移动，进而使载荷在每个齿宽之间平均分配。
综上所述，以上的设计充分利用了传统紧凑混合风力发电机组齿轮箱的原来第二级行星传动的径向空间，设计了两级平行轴传动结构(包括1级内啮合，1级外啮合)及1级NGW行星传动，达到了在原来空间内，增加总传动比的目的；同时，选择合适的速比，还可一定程度提高传递功率，这为风力发电的传动齿轮箱设计提供了一个新的传动型式，值得推广。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种紧凑混合驱动风力发电机组齿轮箱传动结构，包括第一级行星齿轮传动系统和第二级行星齿轮传动系统，其特征在于：还包括第三级行星齿轮传动系统（5）；所述第一级行星齿轮传动系统为定轴内啮合传动系统，功率由其内齿圈（1）输入，再经其多个外齿轮（2）形成多个支路输出，该多个外齿轮（2）在内齿圈（1）内均匀分布，并分别与该内齿圈（1）啮合，平均分配功率，所述内齿圈（1）与风力发电机组的轮毂（10）固定连接，多个所述外齿轮（2）分别安装在多根传动轴（9）的悬臂端上，该传动轴（9）分别通过第一轴承（8）和第二轴承（12）支承在齿轮箱体（11）和轴承座板（13）上，所述轴承座板（13）与齿轮箱体（11）固为一整体；所述第二级行星齿轮传动系统为定轴外啮合传动系统，第一级行星齿轮传动系统输出的功率由第二级行星齿轮传动系统的多个大齿轮（3）输入，汇流到其中心小齿轮（4）输出，该多个大齿轮（3）均匀围绕中心小齿轮（4）啮合，多个所述大齿轮（3）分别安装在所述传动轴（9）上，并位于第一轴承（8）与第二轴承（12）之间，任意传动轴（9）上设置有一个所述大齿轮（3）和一个所述外齿轮（2）；所述第三级行星齿轮传动系统（5）为NGW行星传动系统，其行星架（14）通过花键副（7）与第二级行星齿轮传动系统的中心小齿轮（4）连接，其太阳轮（6）与风力发电机组的发电机连接，使得第二级行星齿轮传动系统输出的功率最终由第三级行星齿轮传动系统（5）的太阳轮（6）输出到发电机上；所述第二级行星齿轮传动系统的中心小齿轮（4）和第三级行星齿轮传动系统（5）的太阳轮（6）均为浮动件。
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