专利名称：齿轮箱、风力涡轮机、连接构件及端盖结构的制作方法
技术领域：
本实用新型的实施方式涉及齿轮箱结构。本实用新型特别地应用于风力涡轮机的齿轮箱结构，但决不局限于此。
背景技术：
风力涡轮机是将风能转化为电能的装置，通常包括转子、齿轮箱和发电机。在运行过程中，风引起转子系统的旋转，并向齿轮箱提供相对低频的高扭矩输入。齿轮箱将转子的高扭矩输入转化为相对高频的低扭矩输出。发电机与齿轮箱的输出端相连，将旋转运动转变为电能。用在轮轴(主轴)和齿轮箱之间的传统连接方法包括螺栓或锁紧盘的应用。对于利用螺栓连接，由于装配约束，连接法兰的外径会影响在第一级行星架上的上风向轴承的内径。因此，简单且安全的螺栓系统的应用受到限制。目前，普遍地多使用锁紧盘。因此有必要提供替代的齿轮箱结构。
实用新型内容本实用新型涉及一种用于风力涡轮机齿轮箱的新型内部轴承结构，其解除在连接法兰的外径与行星架轴承的内径之间的约束。该新型结构减轻了重量并且降低了轴承和齿轮箱的成本。根据本实用新型的第一方案，设有一种用于风力涡轮发电机的齿轮箱。优选地，齿轮箱包括:法兰、输入轴以及包括由行星架支撑的一个或多个行星齿轮的行星齿轮系，在该齿轮箱中输入轴、法兰和行星架是整体式结构并且形成在法兰区域和行星架区域之间具有输入轴区域的构件，并且其中行星架区域沿径向向内且沿轴向朝下风向地从行星齿轮延伸。优选地,所述构件是集成单元。优选地，风力涡轮机齿轮箱结构还包括非旋转支撑部件，包括沿着纵向轴线位于单一位置且设置成在行星架区域和非旋转支撑部件之间提供支撑的轴承结构，齿轮箱在集成单元上在所述位置和法兰区域之间不具有另外的轴承。优选地，所述单一位置在行星架区域的沿径向和沿轴向延伸的部分上。优选地，可设置轴承结构以至少部分地限制集成单元与非旋转部件之间的非旋转运动。优选地，非旋转运动是在输入轴与非旋转部件间的相对径向运动、相对轴向运动和相对倾斜运动中的一种或多种。优选地，轴承结构包括双圆锥滚子轴承。优选地，风力涡轮机齿轮箱结构还包括端盖结构，其具有端盖，该端盖被构造为与非旋转支撑部件可拆卸地接合以便围绕输入轴并在行星齿轮系的主要部分之上布置，其中端盖由两个或多个部分组成，从而能够拆卸以进行维护和/或检查。优选地，端盖具有用于与非旋转支撑部件接合的外周区域以及用于包围行星架区域的内周区域。优选地，风力涡轮机齿轮箱结构也包括密封结构，该密封结构具有位于端盖和非旋转支撑部件之间的密封件，其在使用中能够避免齿轮箱内侧和外侧之间的物质交换。根据本实用新型的第二方案，提供了一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括如上所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱。根据本实用新型的第三方案，设有用于将风力涡轮机轮轴与风力涡轮机齿轮箱连接的构件，所述构件具有整体式结构，包括在法兰区域和行星架区域之间的输入轴区域，并且其中所述行星架区域在行星齿轮的下风向侧上沿轴向朝下风向且沿径向向内延伸。优选地,所述构件是集成单元。根据本实用新型的第四方案，设有用于风力涡轮机齿轮箱的端盖结构，所述端盖结构包括非旋转支撑部件、行星齿轮系和具有输入轴区域的构件，所述端盖结构包括:端盖，其被构造为与所述非旋转支撑部件可拆卸地接合，以便围绕输入轴并在行星齿轮系的主要部分之上布置，其中，所述端盖由两个或多个部件组成，从而能够拆卸以进行维护和/或检查。
为了更好地理解本实用新型的各种具体实施例，仅通过例子，参考附图进行说明，其中:图1是根据本实用新型的各种实施例的风力涡轮机的示意图；图2是根据本实用新型的各种实施例的风力涡轮机齿轮箱的示意图；图3是根据本实用新型的各种实施例的风力涡轮机齿轮箱的剖面示意图；图4是集成有包括输入轴部分和行星架部分的法兰的风力涡轮机的实施例；图5是风力涡轮机齿轮箱前端盖的实施例；图6A是根据本实用新型的各种实施例的第一轴承结构的剖面示意图；图6B是根据本实用新型的各种实施例的第二齿轮结构的剖面示意图。
具体实施方式
在以下描述中，“连接”、“联接”及其衍生词表示运转地联接/接合。应当理解可以存在任意数目的中间部件(包括没有中间部件)或其组合。术语“多个”具有一个或多个的含义。图1为根据实用新型的各种实施例的风力涡轮机10的示意图。风力涡轮机10包括:机舱12 (也可以被称为涡轮机壳体)；支撑柱13 ;转子14 ;转子轴16 ;齿轮箱18 ;以及发电机20。风力涡轮机10被设置成将风能转化为电能。风力涡轮机10可以安装在近海或安装在内陆上。下文中，术语“下风向”和“上风向”指的是相对于转子14的轴向，转子14是齿轮箱18的上风向；齿轮箱18是转子14的下风向。机舱12中装有齿轮箱18和发电机20，以保护它们不受环境侵害(例如可能由降雨、降雪等导致)。支撑柱13与机舱12连接并接地(或当安装在近海时可与锚定的浮台连接)。[0031]转子14由机舱12支撑，并设置成响应于通过风力涡轮机10的空气(风)的运动而转动。齿轮箱18通过转子轴16与转子14连接，并与机舱12相连。齿轮箱18设置成将来自转子14的相对较低角频率、高扭矩的输入转化为相对较高角频率、低扭矩的输出。发电机20安装在机舱12内，用来接收来自齿轮箱18的输出，并将旋转运动转化为电能22。图2是根据实用新型的各种实施例的风力涡轮机齿轮箱18的示意图。齿轮箱18包括第一级和第二级。齿轮箱18的第一级包括输入轴24(含有行星架26)、齿圈28、多个行星轮30、太阳轮32和轴承结构34。齿轮箱18的第二级包括行星架42、多个行星轮38、太阳轮40和含有齿圈36的非旋转支撑部件1204。图2还示出了柱坐标系52，其包括纵向轴线54 (也可以被称为轴向轴线)、径向轴线56以及角轴线58 (也可以被称为方位角)。齿轮箱18限定延伸穿过齿轮箱18的中心且与柱坐标系52的纵向轴线54平行的纵向轴线60。输入轴24连接到转子轴16 (如图1所示)，并被设置成沿基本上平行于角轴线58的方向绕纵向轴线60旋转。输入轴24支撑着非旋转支撑部件1204和轴承结构34。该特征还将参考图3、图6A和6B作详细描述。多个第一级行星轮30位于第一级齿圈28内并与之哨合。第一级齿圈28是非旋转部件。第一级行星架26与多个第一级行星轮30连接，并使多个第一级行星轮30在齿圈28内沿基本上平行于角轴线58的方向绕纵向轴线60旋转。第一级太阳轮32位于多个第一级行星轮30内并与之啮合。多个第一级行星轮30的旋转使太阳轮32沿基本上平行于角轴线58的方向绕纵向轴线60旋转。第二级齿圈36是非旋转部件，并且与非旋转部件1204连接。其可以与风力涡轮机10的机舱12扭转联接。第二级行星架42与第一级太阳轮32连接，并被设置为沿基本上平行于角轴线58的方向绕纵向轴线60旋转。多个第二级行星轮38位于第二级齿圈36内并与第二级行星架42连接。多个第二级行星轮38绕纵向轴线60旋转。第二级太阳轮40位于多个第二级行星轮38内并与之啮合，且被设置为沿基本上平行于角轴线58的方向绕纵向轴线60旋转。第二级太阳轮40与输出端连接。在运转过程中，风引起转子14与转子轴16绕纵向轴线60的转动。转子轴16的转动带动输入轴24 (包括第一级行星架26)转动，输入轴24接收来自转子轴16的几乎全
部扭矩/功率。图3是风力涡轮发电机齿轮箱18以及柱坐标系52的进一步的剖面示意图。在图3中，更详细地示出了非旋转支撑部件1204、输入轴24和行星架26。在图3所示的例子中，轴承结构34在第一级行星架26的下风向侧布置在所示的单一位置上。行星架26具有从行星齿轮沿径向向内和沿轴向朝下风向延伸的部分27。这使轴承结构的直径减小、重量减轻且成本降低。所述直径例如可以小于输入轴的外径。不需要位于第一级行星架26上风向侧的轴承。轴承结构34例如可以是一对轴承，例如一对如图所示的圆锥滚子轴承。这样一来，齿轮箱18的重量位于在第一级行星架26下风向侧的背对背圆锥滚子轴承34对的两个理论支撑点之间。对齿轮箱的支撑比起其中齿轮箱重量在两个理论支撑点的延长线上的传统面对面轴承结构要更为稳定。省去第一级行星架26的上风向的轴承意味着前端盖1108不承受外力。因此，第一级齿圈28的上风向侧可以采用水平剖分的薄端盖。与传统的上风向轴承的箱体相比，这种布置可以使箱体减轻I吨左右的重量。[0039]轴承结构34定位在箱体1204区域与包括法兰、输入轴和行星架区域且为整体式结构的构件的行星架部分之间。轴承结构定位在沿着纵向轴线60的单一区域。轴承结构34可以包括一个或多个定位在所述单一区域的轴承并且可以具有“O”型结构。由图3可以看到，风力涡轮机齿轮箱18在非旋转的支撑部件1204和法兰部分1240之间在沿着纵向轴线60的其他位置或区域上不包括附加的轴承或轴承结构。轴承结构34被设置为至少部分地限制行星架26和非旋转支撑部件1204之间的非旋转运动。轴承结构34可以被设置为限制行星架26和非旋转支撑部件1204之间的相对径向运动(由箭头68表示)、和/或相对轴向运动(由箭头70表示)、和/或相对倾斜运动(即，包含径向分量和轴向分量的由箭头72表示的运动)。轴承结构34可以包括如上所述能够限制行星架26和非旋转支撑部件1204之间相对运动的任何适合轴承。轴承结构34例如可以包括双列圆锥滚子轴承。传统上位于箱体1204和齿轮箱输入轴24之间的密封结构1252可以定位为与齿圈28邻近，尽可能地减小了密封件的错位，并进一步降低了对前端盖1108的结构要求。在使用过程中，密封结构1252能够避免齿轮箱内侧与外侧之间的物质交换。图4示出了包括齿轮箱法兰1240、输入轴24和第一级行星架26的集成单元。在优选的实施例中，该集成单元可以铸为一体，使其为整体式结构。这降低了该部件的重量，减少了连接件和联结器所需的机加工，并且消除了使各个部件对准的困难。第一级行星架26的输出侧的尺寸变大，使得该组件上的应力水平降低。因此可以采用低成本的铸铁。传统齿轮箱的第一级行星架采用高合金铸钢。图5示出了配置在第一级齿圈28的上风向侧的剖分式薄端盖1108。端盖结构包括与非旋转支撑部件1204可拆卸接合的端盖1108。端盖绕输入轴24放置，并在行星齿轮系的主要部分上。在使用过程中，可以移除端盖1108，以便进入行星齿轮系以进行检查和/或维护。图5所示的端盖剖分是水平的，但剖分也可以在任意径向位置处。如图5所示，优选地，端盖1108具有用于与非旋转支撑部件1204的周边接合的外周区域1244以及用于包围第一级行星架的内周区域1246。端盖1108可以通过与端盖外周区域1244接合的多个螺栓被紧固至非旋转支撑部件。端盖1108可以由两个或多个部件组成。在图5中，端盖1108具有两个部件1248和1250，其使得端盖1108能够剖分，从而拆开，以进行维护和/或检查。端盖的两个或多个部件通过多个螺栓与非旋转支撑部件1204连接。图6A是根据本实用新型的各种实施例的第一轴承结构341的剖面示意图。第一轴承结构341是包含第一轴承列74和第二轴承列76的双列圆锥滚子轴承。第一轴承列74和第二轴承列76是定向安装的，使得它们在沿着正径向方向56延伸时汇聚。应当理解第一轴承列74和第二轴承列76的方向包括径向分量和轴向分量。图6B是根据本实用新型的各种实施例的第二轴承结构342的剖面示意图。第二轴承结构342也是包含第一轴承列78和第二轴承列80的双列圆锥滚子轴承。第一轴承列78和第二轴承列80被定向，使得它们在沿着正径向方向56延伸时分开。应当理解第一轴承列78和第二轴承列80的方向包括径向分量和轴向分量。第一轴承结构341和第二轴承结构342所提供的优点是，由于轴承列74、76、78和80的定向，它们可以同时限制径向和轴向的运动。因此第一轴承结构341和第二轴承结构342都可以在输入轴24和非旋转支撑部件62之间提供支撑，并防止它们在径向68、轴向70和倾斜方向72上相对彼此运动。本实用新型的实施例提供了若干优点。一个优点是由于在行星架26和非旋转支撑部件1204之间可以采用单轴承结构，所以齿轮箱18的重量可以减小。另外，由于轴承是比较昂贵的部件，上述结构可以降低齿轮箱的成本。如图3所示，输入轴24通过轴承结构34对非旋转支撑部件1204提供支撑，齿轮箱18在输入轴24和非旋转支撑部件1204之间不再需要任何其他的支撑结构。这可以有效地减小齿轮箱18的重量和直径，也可以降低齿轮箱18的成本(因为制造齿轮箱18使用较少的如金属的材料)。尽管本实用新型的实施例已在前述段落中通过各种实例进行描述，应当认为，在不偏离所要求的实用新型范围的前提下可以对实例进行修改。尽管功能是参照某些特征来描述的，但是这些功能可以通过其它提到或未提到的特征来执行。尽管特征是参照某些实施例来描述的，这些特征也可以在其它提到或未提到的实施例中体现。上述的说明中已尽量强调了认为是本实用新型最为重要的特征，但应当理解申请人要求对以上涉及到的和/或附图中示出的任何特征或特征组合进行保护，无论其在文中是否对其进行了强调。例如，如在图3中所示，输入轴24沿轴向朝下风向延伸直到行星齿轮30的下风向侧的部分27，并且与轴承结构34接触。因此，输入轴24在沿轴向位于行星齿轮下风向的一点处对非旋转支撑部件1204和轴承结构34进行支撑。所述部分27的沿径向向外的表面与轴承结构34接触。因此，输入轴24在沿径向朝行星齿轮内部的一点处对非旋转支撑部件1204和轴承结构34进行支撑。如图3所示，所述部分27的沿径向向外的表面的直径可以小于输入轴24的径向外表面。
权利要求1.一种用于风力涡轮发电机的齿轮箱，包括:法兰、输入轴以及行星齿轮系，该行星齿轮系包括一个或多个由行星架支撑的行星齿轮，其特征在于，所述输入轴、所述法兰和所述行星架是整体式结构并且形成一个构件，该构件在法兰区域和行星架区域之间具有输入轴区域，并且其中所述行星架区域从所述行星齿轮沿径向向内且沿轴向朝下风向延伸。
2.根据权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述构件是集成单元。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱包括非旋转支撑部件，其中所述非旋转支撑部件包括沿纵向轴线位于单一位置且在行星架区域和非旋转支撑部件之间提供支撑的轴承结构，所述齿轮箱在所述构件上在所述位置和所述法兰区域之间不具有其他轴承。
4.根据权利要求3所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述单一位置在所述行星架区域的径向和轴向延伸部分上。
5.根据权利要求3所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述轴承结构至少部分地限制所述构件与所述非旋转支撑部件之间的非旋转运动。
6.根据权利要求5所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述非旋转运动是在所述输入轴与所述非旋转部件之间的相对径向运动、相对轴向运动和相对倾斜运动中的一种或多种。
7.根据权利要求3所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述轴承结构包括双列圆锥滚子轴承。
8.根据权利要求3所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱包括端盖结构，所述端盖结构 包括: 端盖，其被构造为与非旋转支撑部件可拆卸地接合，从而围绕输入轴并在行星齿轮系的主要部分之上布置； 其中，所述端盖由两个或多个部件组成，从而能够拆卸以进行维护和/或检查。
9.根据权利要求8所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述端盖具有用于与所述非旋转支撑部件接合的外周区域。
10.根据权利要求8所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述端盖具有用于包围所述行星架区域的内周区域。
11.根据权利要求8所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱，其特征在于，所述齿轮箱包括密封结构，所述密封结构包括:位于所述端盖和所述非旋转支撑部件之间的密封件，该密封件在使用过程中防止所述齿轮箱内侧和外侧间的物质交换。
12.一种风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括根据上述权利要求中任意一项所述的用于风力涡轮发电机的齿轮箱。
13.一种用于将风力涡轮机轮轴与风力涡轮机齿轮箱连接的构件，其特征在于，所述构件具有整体式结构，包括在法兰区域和行星架区域之间的输入轴区域，并且其中所述行星架区域在行星齿轮的下风向侧上沿轴向朝下风向且沿径向向内延伸。
14.根据权利要求13所述的构件，其特征在于，所述构件是集成单元。
15.一种用于风力涡轮机齿轮箱的端盖结构，其特征在于，所述端盖结构包括非旋转支撑部件、行星齿轮系和具有输入轴区域的构件，所述端盖结构包括: 端盖，其被构造为与所述非旋转支撑部件可拆卸地接合，以便围绕输入轴并在行星齿轮系的主要部分之上布置；其中，所述端盖由两个或多个部件 组成，从而能够拆卸以进行维护和/或检查。
专利摘要本实用新型涉及一种用于风力涡轮机的齿轮箱(18)，其具有在第一级行星架(26)的下风向侧布置在单一位置上的轴承结构(34)。行星架(26)具有从行星齿轮沿径向向内和沿轴向朝下风向延伸的部分(27)。这使轴承结构的直径减小、重量减轻且成本降低。不需要位于第一级行星架(26)上风向侧的轴承。因此，齿轮箱(18)的重量支撑在第一级行星架(26)下风向侧的背对背圆锥滚子轴承(34)对的两个理论支撑点之间。省去上风向的轴承意味着前端盖(1108)不承受外力。因此，第一级齿圈(28)的上风向侧可以采用水平剖分的薄端盖。整体式结构的构件包括齿轮箱法兰(1240)、输入轴(24)和第一级行星架(26)，其可以铸为一体。
文档编号F03D11/02GK202927015SQ201220106089
公开日2013年5月8日 申请日期2012年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者潘绍元, K·C·鲍阿, C·J·布洛克利, D·J·斯科特, P·J·吉布斯 申请人:诺迈士科技有限公司