СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ
TRANSMISSION SYSTEM FOR ENERGY GENERATION

Настоящее изобретение относится к системе передачи, в особенности, но не исключительно, предназначенной для приведения во вращение генератора или тому подобного посредством вращающегося первичного двигателя с приводом от текучей среды, такого как ветряная или приливная турбина.
Общепризнано, что крупные турбины, например ветряные турбины, вырабатывающие электроэнергию для подачи ее в общую энергосистему, требуют наличия больших и тяжелых опорных структур, поскольку они подвергаются воздействию мощных сил, которые действуют во многих направлениях. Обычным ответом в отношении восприятия этих мощных сил является изготовление очень прочного и жесткого несущего кожуха турбины. Поскольку крупные турбины вращаются относительно медленно, они обладают очень высоким крутящим моментом и обычным является увеличение их низкой скорости вращения путем использования повышающей зубчатой передачи как части корпуса турбины для получения более полезной скорости вращения.
Для того чтобы избежать несоосности используемых зубчатых колес, корпус турбины, на который опирается зубчатая передача, необходимо сделать еще более жестким, так чтобы он не деформировался не только под воздействием меняющихся сил турбины, но и под влиянием внутренних крутящих моментов в зубчатой передаче. В промышленности известны понижающие скорость зубчатые передачи, предназначенные для передачи больших крутящих моментов для медленного движения тяжелого оборудования, но такие передачи не решают проблем, упомянутых выше. Авторы изобретения поняли, что улучшение конструкции передачи турбины будет направлено по меньшей мере на проблемы, упомянутые выше.
Настоящее изобретение предлагает передачу, предназначенную для использования при выработке энергии от турбины с приводом от текучей среды, причем передача включает в себя вход и выход и зубчатый механизм между входом и выходом, предназначенные для увеличения скорости вращения на выходе по сравнению со входом, причем зубчатый механизм включает в себя множество зубчатых колес для передачи крутящего момента от входа к выходу, причем передача включает также в себя в общем статичный элемент, находящийся в зацеплении с одним или больше зубчатых колес в указанном механизме между входом и выходом для получения реактивного крутящего момента единого упругого зубчатого механизма.
Предпочтительно передача включает также в себя упругую опору статичного элемента, предназначенную для обеспечения ограниченного упругого вращения указанного элемента вокруг оси статичного элемента.
Более предпочтительно вход может поворачиваться вокруг оси входа, причем ось статичного элемента и ось входа являются по существу соосными.
Еще более предпочтительно упругая опора включает в себя протяженный торсионный элемент, предназначенный для упругого скручивания вокруг торсионной оси.
В одном варианте реализации торсионный элемент имеет два конца и первый рычаг, прикрепленный и прилегающий к одному концу торсионного элемента, причем первый рычаг простирается в общем радиально в сторону от торсионной оси.
Желательно также, чтобы передача включала также в себя первую связь, соединяющую статичный элемент в первом участке, отделенном промежутком от оси элемента, с первым рычагом, и предназначенную для передачи реактивного крутящего момента между статичным элементом и торсионным элементом для выполнения указанного скручивания указанного торсионного элемента.
В варианте реализации предусмотрен второй рычаг, помещенный рядом с другим концом торсионного элемента, и вторая связь обеспечивает соединение статичного элемента на втором участке, отделенном промежутком от оси элемента и противоположном первому участку, со вторым рычагом, также для передачи крутящего момента на торсионный элемент в противоположном направлении к крутящему моменту, переданному первой связью.
Предпочтительно торсионная ось по существу является перпендикулярной оси статичного элемента, но отделена от нее промежутком.
В варианте реализации передача включает в себя крышку, которая прикреплена к элементу и поддерживает по меньшей мере часть веса передачи, но подвергается воздействию небольшого крутящего момента от входа или вообще ему не подвергается.
Необязательно, зубчатый механизм включает в себя по меньшей мере первый планетарный зубчатый механизм, образующий первый путь передачи крутящего момента и имеющий первое зубчатое кольцо, первую планетарную передачу и первое солнечное зубчатое колесо, и в общем статичный элемент включает в себя водило первой планетарной передачи.
Предпочтительно первое зубчатое кольцо соединяется непосредственно со входом для привода первой планетарной передачи и первая планетарная передача приспособлена для привода первого солнечного зубчатого колеса.
Более предпочтительно зубчатый механизм включает в себя второй планетарный зубчатый механизм, образующий второй путь передачи крутящего момента, причем первый и второй пути разделяют крутящий момент от входа, и только первый механизм имеет в общем статичный элемент.
В случае применения второго планетарного зубчатого механизма он может иметь второе зубчатое кольцо, вторую планетарную передачу и второе солнечное зубчатое колесо, первое солнечное зубчатое колесо осуществляет привод второго зубчатого кольца в процессе применения и второе солнечное зубчатое колесо с приводом от входа в процессе применения.
Предпочтительно первый планетарный зубчатый механизм приспособлен для передачи приблизительно двух третей мощности, поступившей на вход, а второй планетарный зубчатый механизм приспособлен для комбинирования двух третей мощности от первого механизма с оставшейся третью подводимой мощности.
Изобретение распространяется на опору для турбины с приводом от текучей среды, причем опора включает в себя корпус турбины, образующий вращающуюся опору для турбины, и зубчатую передачу для передачи крутящего момента от турбины к генератору, и упруго подвижный элемент, установленный на корпусе турбины и взаимодействующий с зубчатой передачей для упругого реагирования на крутящий момент в зубчатой передаче.
Изобретение распространяется также на узел из опоры для турбины с приводом от текучей среды и передачи, который включает в себя корпус турбины и передачу, предназначенную для использования при генерировании энергии от турбины с приводом от текучей среды, причем передача включает в себя вход и выход и конструкцию зубчатого механизма между входом и выходом, предназначенную для увеличения скорости вращения на выходе по сравнению со входом, причем конструкция зубчатого механизма включает в себя в общем статичный элемент, соединенный с корпусом турбины механизмом и по существу ограниченный указанным механизмом в одной из степеней свободы только относительно корпуса турбины.
Предпочтительно указанное ограничение является упругим и указанная одна степень свободы является вращением.
Более предпочтительно, чтобы указанное вращение было вращением вокруг оси, соосной с осью входа.
Обычно статичным элементом является планетарное водило планетарного зубчатого механизма.
Изобретние распространяется на любые элементы новизны, описанные здесь, и любую новую комбинацию признаков, описанную здесь, вне зависимости от того, описаны или нет эти признаки в этой комбинации.
Изобретение может быть применено на практике различными путями. Два служащих иллюстрацией варианта реализации изобретения описаны ниже в качестве примера, со ссылкой на чертежи, на которых:
на Фиг.1 показано упрощенное схематическое представление передачи, установленной на корпусе ветряной турбины;
на Фиг.2 показана в разрезе передача, спроектированная согласно схематическому представлению на Фиг.1;
на Фиг.3 показано наглядное представление части передачи, показанной на Фиг.2, вместе с опорой;
на Фиг.4а и 4b показаны два различных наглядных представления частей, показанных на Фиг.2 и 3, в качестве части блока корпуса турбины;
на Фиг.5 показаны потоки мощности передачи, показанной на Фиг.2.
На Фиг.6-10 показана вторая версия передачи ветряной турбины, сходная с передачей, показанной на Фиг.1-5, соответственно.
На Фиг.1 показана передача 10, которая обеспечивает повышение вращательного привода от ветряной турбины 5 до выхода 20. Обычно будет требоваться повышающее передаточное отношение 1:15 при возможности более высоких и более низких отношений. Передача 10 имеет входной вал 12, который приводит во вращение два планетарных зубчатых механизма 14 и 16, которые разделяют мощность от входа на два потока А и В. Турбина 5 и передача 10 поддерживаются корпусом турбины 50.
В потоке А мощность подается на зубчатое кольцо 24 механизма 14. Кольцо 24 осуществляет привод звездочки, т.е. группы планетарных передач, центры вращения которых зафиксированы, в общем, статичным элементом в форме планетарного водила 44. Вращающиеся планетарные зубчатые передачи 34 осуществляют, в свою очередь, привод солнечного зубчатого колеса 54.
В потоке В мощность от входа подается на планетарное водило 46. Мощность от механизма 14 подается также на зубчатое кольцо 26 механизма 16. Таким образом, оба потока мощности А и В комбинируются для привода солнечного зубчатого колеса 56. В свою очередь, солнечное зубчатое колесо 56 осуществляет привод выхода 20 через дополнительную пару ведущих шестерен 18.
Передача имеет подшипники 45, 47, 48, 51 и 52, которые поддерживают вес передачи 10 и обеспечивают относительное выравнивание зубчатых колес в передаче 10. Передача 10 имеет крышку 22, которая не подвержена скручивающим нагрузкам. Передача 10 размещается таким образом, что реактивный крутящий момент, предназначенный для остановки вращения всей передачи, требуется только на водило 44. Эта реакция является упругой, так что вся передача может скручиваться относительно корпуса турбины 50, и любое внезапное увеличение крутящего момента может быть сглажено скручиванием водила 44.
Опора водила 44 обеспечивается торсионным элементом, которым в этом случае является труба 60, установленная на держателе турбины 50, и может скручиваться вокруг оси С и, таким образом, позволять водилу 44 скручиваться вокруг оси вращения D в то время, когда водило 44 вынуждает соединительную тягу 62 и торсионный рычаг 64 скручивать торсионный элемент 60.
На Фиг.2 показан более подробный вид передачи 10, показанной на Фиг.1. Одинаковыми ссылочными позициями на Фиг.1 и 2 обозначены одинаковые детали. Следует отметить, что водило 44 установлено непосредственно на крышке 22, однако крышка не подвергается заметному скручиванию, несмотря на то, что она несет на себе вес передачи 10.
На Фиг.3 показано водило 44, показанное на Фиг.2, без других деталей передачи, вместе с торсионной трубой 60, торсионными рычагами 64 и соединительными тягами 62. В процессе использования водило может поворачиваться в ограниченных пределах вокруг оси D. Кроме того, некоторое совместимое движение возможно в линейных направлениях X, Y и Z. Торсионная труба 60 принудительно скручивается вокруг своей оси С крутящими силами, приложенными к водилу 44 и переданными на торсионную трубу посредством соединительных тяг 62 и торсионных рычагов 64.
На Фиг.4а показан корпус турбины 50 в сборе с торсионной трубой 60, и передача 10 соединяется с торсионной трубой 60 посредством соединительных тяг 62 и торсионных рычагов 64. Торсионная труба 60 установлена на корпусе турбины 50 таким образом, что она может вращаться вокруг своей оси С. При использовании крутящий момент на водило 44 порождает направленные вверх усилия на одной соединительной тяге и направленные вниз усилия на другой. Эти усилия соединительных тяг вызывают скручивание трубы 60. На практике это скручивание является реакцией на скручивание, приложенное к водилу 44 в передаче 10, так что возможно только ограниченное упругое вращение водила.
На Фиг.5 показан дальнейший вид передачи 10, иллюстрирующий долю в процентах мощности, проходящей по потокам А и В. В этом случае в результате размещения зубчатых колес и подбора количества зубцов на колесах приблизительно две трети (65%) мощности проходит по потоку А и приблизительно одна треть (35%) мощности проходит по потоку В. Потоки А и В объединяются на выходе.
Фиг.6-10 соответствуют Фиг.1-5, и одинаковые детали обозначены одинаковыми числовыми позициями с дополнительным префиксом «1», например входной вал турбины обозначен как вал 12 на Фиг.1-5 и как вал 112 на Фиг.6-10.
Можно сделать ссылки на соответствующие Фиг.1-5 для получения описания работы передачи, показанной на Фиг.6-10, хотя ниже описаны различия между передачами 10 и 110.
В передаче 10, описанной выше, планетарный зубчатый механизм 16, который содержит звездочный механизм 34 и водило 44, располагается дальше от входа 12, чем зубчатый механизм 14. В отличие от этого в передаче 110 зубчатые механизмы 114 и 116, которые соответствуют зубчатым механизмам 14 и 16, перевернуты таким образом, что зубчатый механизм 116 теперь ближе ко входу 112, чем зубчатый механизм 114. Принципы работы передачи 110 во всем остальном такие же, как у передачи 10, за исключением того, что водило находится дальше от входа. Следует отметить, что крышка 122 поворачивается, поскольку образует часть зубчатого механизма. Крышка 122 просто передает крутящий момент и несет на себе вес, но не подвергается воздействию внешних сил. Такое же разделение мощности обеспечивается между потоками А и В, и это выражается в количественной форме и проиллюстрировано на Фиг.10. На Фиг.9а и 9b показан корпус турбины 150 так, что детали корпуса видны на чертеже, хотя на практике корпус 150 будет не прозрачной металлической отливкой.
Передачи, проиллюстрированные и описанные выше, обладают тем преимуществом, что кожух зубчатой передачи 22/122 и, соответственно, зубчатые колеса в зубчатой передаче в общем механически изолированы от окружающей структуры, в данном случае корпуса ветряной турбины 50/150, и, таким образом, любое прогибание корпуса турбины не преобразуется в несовмещение зубчатых колес или напряжение зубчатых колес. Это продлевает срок службы зубчатых колес и повышает эффективность.
Передачи 10/110 размещаются таким образом, что, кроме того, они поддерживаются таким образом, что зубчатые колеса передачи остаются в контакте друг с другом и так, что поддерживается их вес, только один статичный элемент 44/144 зубчатого механизма ограничивается в одной из степеней свободы относительно корпуса турбины 50/150. Этой степенью свободы является вращение, в данном случае вокруг оси входа. Ограничение в этом случае является упругим, так что прилагается упругая свобода вращения, допускающая ограниченное вращение с принудительным возвращением назад в исходное первоначальное вращение. Движение статичного элемента 44/144 в любом другом смысле относительно корпуса турбины 50/150 не ограничивается упругим ограничителем вращения, т.е. детали 62/162, 64/164 или 60/160 не создают ограничений в трех линейных степенях свободы, и отсутствуют ограничения в двух степенях свободы вращения. В результате, передача 10/110 не имеет внешних напряжений, прилагаемых к ней в процессе работы, за исключением реакции на воздействие с целью поворота статичного элемента 44/144. Это, в свою очередь, дает передачу, для которой не требуется обладающий большой жесткостью кожух и которая подвергается меньшим рабочим напряжениям. Выход 20/120 может быть соединен с генератором или тому подобным гибкой муфтой, так что передача 10/110 не подвергается напряжениям при легком движении передачи при вращении.
Хотя здесь были описаны и проиллюстрированы только два варианта реализации изобретения, очевидна возможность различных модификаций, альтернатив, адаптаций и т.п.в пределах изобретения, описанного здесь. Описан один пример торсионной трубы 60/160 и соединительных тяг 62/162, но возможно использование других противостоящих скручиванию элементов, например, для скручивания торсионной трубы может использоваться одна соединительная тяга, когда один конец трубы прикреплен к корпусу турбины, или для сопротивления вращению может быть использован один простой кронштейн, или эластомерный элемент, реагирующий на крутящий момент, может быть присоединен между статичным элементом передачи 10/110 и корпусом турбины 50/150.