ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА С КОРОБКОЙ ПЕРЕДАЧ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО МУЛЬТИПЛИКАТОРА СКОРОСТИ С БОЛЬШИМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ
WIND TURBINE WITH GEARBOX OF SINGLE-STAGE SPEED MULTIPLIER WITH HIGH GEAR RATIO

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к ветровой турбине и, в частности, к ветровой турбине с коробкой передач одноступенчатого мультипликатора с большим передаточным отношением.
Описание известного уровня техники
Повышение скорости для ветровых турбин является востребованным. Увеличение большого передаточного отношения для больших ветровых турбин, рассчитанных на мегаватты, необходимо, так как турбинные лопатки вращаются с десятками оборотов в минуту, тогда как генератор, который приводит его в движение, должен быть соединен с электросетью при 50 или 60 Гц. Типичное передаточное отношение повышения скорости для рассчитанных на мегаватты турбин изменяется в диапазоне роста от минимум в 60 раз до в 140 или выше. В настоящее время наилучшим путем получения такого большого передаточного отношения повышения скорости для больших ветровых турбин является использование каскада мультипликатора с меньшим передаточным отношением, но с наилучшей эффективностью.
Однако это каскадное повышение скорости имеет низкую суммарную эффективность изменения скорости из-за его особенности, согласно которой вся нагрузка проходит последовательно через всю без исключения ступень мультипликатора каскада. Конструкция также является громоздкой по очевидной причине, а именно каждая ступень в каскаде должна быть в полной мере рассчитана на передачу ста процентов всей мощности, получаемой турбинными лопатками.
Для преодоления этой проблемы, вызванной каскадированием, решением является одноступенчатый мультипликатор скорости с большим передаточным отношением. Один тип "одноступенчатого" устройства изменения скорости, в настоящее время широко используемого в применениях редуктора, а также в мультипликаторе, представляет собой циклоидальный привод, изготовленный компанией Sumitomo Heavy Industries, Ltd., Токио, Япония. Несмотря на то что относительно компактные передаточные отношения изменения скорости изменяются в диапазоне от десятков до более чем одной сотни, при использовании в качестве редуктора, привод представляет собой по существу одну ступень циклоидальной зубчатой передачи, за которой следует эксцентричная ступень съема мощности. При использовании в качестве мультипликатора имеет место реверс со ступенью циклоидной зубчатой передачи, следующей за ступенью съема мощности.
Отметим, что следующее далее объяснение может относиться к конфигурации редуктора, но для циклоидального привода объяснение в общем относится к применению мультипликатора.
Фиг. 1 схематически иллюстрирует конфигурацию такого циклоидального редуктора скорости в поперечном сечении. Традиционное устройство на Фиг. 1 имеет неподвижную кольцевую шестерню 11 и планетарный элемент 12 определенной формы, иногда в форме диска или иногда простой шестерни. Планетарный элемент 12 зацепляется с и перемещается внутри кольцевой шестерни 11 эпициклически. Они имеют максимально возможную разницу в их рабочих делительных диаметрах.
Для эксцентричной ступени съема мощности диск 13 прикреплен к планетарному элементу 12 коаксиально на их оси 19 и имеет несколько отверстий 17, чтобы обеспечивать зацепление с соответствующим количеством роликовых штифтов 18, размещенных на пластине 14. Пластина 14 соединена с выходным валом 16 привода и отцентрирована на центральной оси 10 устройства. Эта конструкция "съема мощности" позволяет приводу получать передаточное отношение уменьшения скорости - K/i, где K - делительный диаметр планетарного элемента 12, и i - разница между делительными диаметрами элементов 11 и 12. В типичном примере, в котором кольцевая шестерня 11 имеет 80 зубьев, и вариант шестерни планетарного элемента 12 имеет 79 (K=80 и i=1), передаточное отношение равно 80, когда механическая мощность передается устройством с помощью входа на валу 15.
Фиг. 2 схематически иллюстрирует эксцентричное соединение съема мощности, используемое для известного в уровне техники циклоидального привода на Фиг. 1. В любое заданное время только одно из обычно восьми или более роликовых штифтов и зацеплений отверстий циклоидального диска полностью передает крутящий момент. Например, с помощью углового положения относительного смещения и с помощью показанного направления вращения только пара роликового штифта 8С и отверстия 7С полностью передает мощность устройству.
Это очевидно, так как край отверстия 17С ведущего диска 13, который находится в контакте с роликовым штифтом 18С ведомой пластины 14, должен находиться сзади ролика 18С вдоль направления вращения. В этом смысле пары роликовых штифтов и отверстий, обозначенные В и D, частично работают с возможностью передачи мощности вследствие положения их точек контакта относительно направления вращения диска 13 и пластины 14. В том же смысле, пара 18G и 17G роликовых штифтов и отверстий не работают совсем, так как ведомый роликовый штифт 18G перемещается за его точку контакта с его ведущим отверстием 17G.
Традиционные циклоидальные приводы основываются на синхронизирующем зацеплении между двумя элементами (шестернями) различного делительного диаметра со смещенными осями. Но это не является оптимизированным механизмом из-за низкого использования: из всех восьми пар штифтов/отверстий, показанных на Фиг. 2, половина (четыре или даже пять в зависимости от углового положения) из них не находится в положении приведения в движение нагрузки. Из другой половины только одна может находиться в полностью загруженном положении для приведения в движение нагрузки, другие три находятся в их частично загруженном положении. С помощью ограничения, такого как эти, циклоидальные приводы достигают обычно менее 80 процентов эффективности в нормальных условиях нагружения.
Дополнительно, для достижения передаточного отношения уменьшения скорости K, циклоидальный привод требует использовать неподвижную кольцевую шестерню с K+1 зубьями. Для большого передаточного отношения большое количество кольцевых шестерней делает привод громоздким, если номинальный крутящий момент является существенным, тогда зубья должны быть достаточно продуманными - в размере. Другими словами, компактность циклоидального привода накладывает ограничение на крутящий момент и уровень мощности привода.
Другой тип редуктора с большим передаточным отношением, широко используемый в точных и аэрокосмических применениях, представляет собой волновой привод, изготовленный компанией Drive Systems Inc., Токио, Япония. Применяя базовую концепцию, известную как напряженная волновая зубчатая передача, волновой привод имеет относительно низкий доступный уровень мощности. Этот привод также дает обычно менее 60 процентов эффективности под нормальной нагрузкой, так как его кольцевой элемент изгибается всегда, когда привод работает для передачи механической мощности.
В дополнение редукторы скорости с большим передаточным отношением одинаково нуждаются в повышении медленной входной скорости, как на лопастном валу ветровой турбины, до выходной на электрическом генераторе, до десятков или сотен раз более быстрой.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение коробки передач одноступенчатого мультипликатора скорости с большим передаточным отношением для ветровой турбины с использованием шестерней с малым количеством зубьев от десяти до двенадцати.
Также задачей настоящего изобретения является обеспечение коробки передач одноступенчатого мультипликатора скорости с большим передаточным отношением для ветровой турбины, которая является высоко эффективной с использованием прецизионной зубчатой передачи.
Также задачей настоящего изобретения является обеспечение коробки передач одноступенчатого мультипликатора скорости с большим передаточным отношением для ветровой турбины, которая имеет высокую плотность мощности с шестеренными элементами с малым количеством зубьев, которые могут быть выполнены с большим количеством модулей.
Для того чтобы решить вышеописанные и другие задачи, настоящее изобретение обеспечивает коробку передач одноступенчатого мультипликатора скорости для ветровой турбины для изменения входной скорости на входном валу, соединенном с лопастным валом ветровой турбины, до выходной скорости на выходном валу, соединенном с электрическим генератором ветровой турбины. Коробка передач имеет коаксиальную пару кольцевых шестерней, включающую большую кольцевую шестерню, имеющую делительный диаметр А, и малую кольцевую шестерню, имеющую делительный диаметр D. Коаксиальная пара прямозубых шестерней включает большую прямозубую шестерню, имеющую делительный диаметр В, и малую прямозубую шестерню, имеющую делительный диаметр С. Большая прямозубая шестерня зацепляется с большой кольцевой шестерней, и малая прямозубая шестерня зацепляется с малой кольцевой шестерней, образуя две зацепляющиеся пары. Водило соединено с входным валом коробки передач. Две шестерни одной из двух коаксиальных пар скреплены вместе, чтобы действовать эпициклически на водиле. Одна шестерня другой из двух коаксиальных пар прикреплена к каркасу устройства, и другая шестерня соединена с выходным валом. Четыре шестерни удовлетворяют соотношению размеров A=K+i, В=K, C=K-j и D=K+i-j-j, где K, i и j являются целыми числами.
Предпочтительно, и i, и j меньше 5.
Предпочтительно, K/i меньше 30/1 или K/j меньше 30/1.
Предпочтительно, i равно j.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 схематически иллюстрирует известный в уровне техники циклоидальный редуктор скорости с большим передаточным отношением.
Фиг. 2 схематически иллюстрирует эксцентричное соединение съема мощности, используемое для известного в уровне техники циклоидального привода.
Фиг. 3 представляет собой вид в поперечном сечении устройства изменения скорости настоящего изобретения, который схематически иллюстрирует его эксцентричную ступень съема мощности.
Фиг. 4 схематически иллюстрирует вид в поперечном сечении устройства изменения скорости настоящего изобретения, показывающий размерную конфигурацию всех его элементов,
Фиг. 5 и 6 схематически иллюстрируют виды в поперечном сечении устройства изменения скорости настоящего изобретения в различных конструкциях входных и выходных элементов.
Фиг. 7 схематически иллюстрирует вид в поперечном сечении устройства изменения скорости настоящего изобретения с размерной конфигурацией для оптимизированного применения изменения скорости.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения
Настоящее устройство изменения скорости с большим передаточным отношением, используемое в качестве коробки передач мультипликатора скорости для ветровой турбины, пригодно и для применения редуктора скорости, и для применения мультипликатора скорости. В связи с этим, тогда как следующее далее описание устройства изменения скорости может представлять конфигурацию редуктора, но объяснение в общем также можно отнести к применению мультипликатора.
Фиг. 3 представляет собой конфигурацию в поперечном сечении устройства изменения скорости настоящего изобретения, которая схематически иллюстрирует эквивалентную конструкцию его эксцентричной ступени съема мощности. Также на Фиг. 1 и 2, вместо пластины 14 с множественными роликовыми штифтами 18, которые зацепляются с их соответствующими отверстиями 17, образованными в циклоидальном диске 13, устройство изменения скорости настоящего изобретения имеет другую конструкцию для съема мощности.
Как проиллюстрировано, пока планетарная шестерня 32 перемещается эпициклически внутри кольцевой шестерни 31 каркаса, планетарная шестерня 33, которая скреплена коаксиально с шестерней 32, также перемещается эпициклически внутри кольцевой шестерни 34 второй пары кольцевых прямозубых шестерней. Когда шестерня 33 вращается и перемещается эпициклически внутри шестерни 34, ее внешний край (ее делительной окружности) 33Р выстраивает траекторию 33Т. Эта траектория 33Т выполняется с возможностью точно совпадать с делительной окружностью кольцевой шестерни 34. По существу, кольцевая шестерня 34 второй пары вместе с ее зацепляющей прямозубой шестерней 33 выполняет функцию, подобную функции эксцентричным средствам съема мощности традиционного циклоидального привода, но позволяет настоящему устройству создавать передаточное отношение изменения скорости, которое является значительно большим, как описано далее.
Фиг. 4 схематически иллюстрирует вид в поперечном сечении конфигурации устройства изменения скорости настоящего изобретения, показывающий размерную конфигурацию всех его элементов. Устройство изменения скорости имеет коаксиальную пару кольцевых шестерней, которая включает большую кольцевую шестерню 41, имеющую делительный диаметр А, и малую кольцевую шестерню 44, имеющую делительный диаметр D. Устройство также имеет коаксиальную пару прямозубых шестерней, которая включает большую прямозубую шестерню 42, имеющую делительный диаметр В, и малую прямозубую шестерню 43, имеющую делительный диаметр С. Большая прямозубая шестерня 42 зацепляется с большой кольцевой шестерней 41, и малая прямозубая шестерня 43 зацепляется с малой кольцевой шестерней 44, образуя две зацепляющиеся пары. Водило 45Е соединено с входным валом 45 устройства изменения скорости. Водило 45Е, по существу "косозубый" вариант которого найден в традиционных переборах планетарных шестерней, образовано объединением входного вала 45 (на центральной оси 40 всей системы) и центрального вала для пары шестерней 42 и 43 (на своей оси 49).
Дополнительно, две коаксиальные прямозубые шестерни 42 и 43 скреплены вместе друг с другом, чтобы действовать эпициклически на водиле 45Е. Большая кольцевая шестерня 41 в примере, изображенном на Фиг. 4, прикреплена к каркасу устройства, служа в качестве реактивного элемента системы, и малая кольцевая шестерня 44 соединена с выходным валом 46.
В этой системе зубчатого перебора четыре шестерни 41, 42, 43 и 44 удовлетворяют соотношению размеров A=K+i, В=K, C=K-j и D=K+i-j. Понятно, что варианты выполнения устройства изменения скорости настоящего изобретения с использованием шестерней должны иметь их размерные значения K, i и j установленными целыми числами.
По существу устройство изменения скорости на Фиг. 4 имеет водило 45Е, действующее в качестве входа, малую кольцевую шестерню 44 в качестве выхода и большую кольцевую шестерню 41 - реактивного элемента. При этом две коаксиальные прямозубые шестерни 42 и 43, которые скреплены вместе, перемещаются эпициклически в этой системе. Проиллюстрированное устройство изменения скорости на Фиг. 4 имеет передаточное отношение изменения скорости K(K+i-j)/ij. Для системы на основе шестерней с размером А=16Т (зубьев), В=15Т, С=14Т и D=15T или K=15, i=1 и j=1 передаточное отношение изменения скорости = 225.
Для сравнения, в традиционном циклоидальном приводе (на Фиг. 1) с А=16Т и В=15Т передаточное отношение изменения скорости = 15. Это значит, что устройство изменения скорости настоящего изобретения способно достигать передаточного отношения, которое является квадратом численного значения передаточного отношения циклоидального привода с соизмеримым количеством зубьев.
Устройство изменения скорости настоящего изобретения может быть использовано в различных конфигурациях назначений входа, выхода и реактивного элемента среди его составляющих шестеренных и водил. По существу, многоцелевое устройство изменения скорости настоящего изобретения, используемое либо в качестве редуктора скорости, либо мультипликатора, имеющего либо неподвижную кольцевую шестерню, либо неподвижную прямозубую шестерню, может быть выполнено с возможностью иметь коаксиальную пару кольцевых шестерней, которая включает большую кольцевую шестерню, имеющую делительный диаметр А, и малую кольцевую шестерню, имеющую делительный диаметр D. Такое устройство также имеет коаксиальную пару прямозубых шестерней, которая включает большую прямозубую шестерню, имеющую делительный диаметр В, и малую прямозубую шестерню имеющую делительный диаметр С. Большая прямозубая шестерня зацепляется с большой кольцевой шестерней, и малая прямозубая шестерня зацепляется с малой кольцевой шестерней, образуя две зацепляющиеся пары. Водило соединено с одним из входного и выходного валов устройства. Две шестерни одной из двух коаксиальных пар скреплены вместе, чтобы действовать эпициклически на водиле. Одна шестерня другой из двух коаксиальных пар прикреплена к каркасу устройства, и другая шестерня соединена с другим из входного и выходного валов. В такой системе четыре шестерни удовлетворяют соотношению размеров A=K+i, В=K, C=K-j и D=K+i-j.
Фиг. 5 и 6 схематически иллюстрируют виды в поперечном сечении устройства изменения скорости настоящего изобретения, которые показывают различные конфигурации входных и выходных элементов. Примеры на Фиг. 5 и 6 показывают конструкцию редукторов с передаточным отношением уменьшения скорости +200 с использованием двух пар кольцевых-прямозубых шестерней различных количеств модулей. Первая пара с большими кольцевыми и прямозубыми шестернями включает кольцевую шестерню 51, 61 с 80 зубьями с количеством модулей 2, создавая делительный диаметр 160 мм, и 75Т, М2 прямозубую шестерню 52, 62 с делительной окружностью 150 мм. Вторая пара малых кольцевых и прямозубых шестерней включает 60Т, М2,5 кольцевую шестерню 54, 64 с делительной окружностью 150 мм и 56Т, М2,5 прямозубую шестерню 53, 63 с делительным диаметром 140 мм. Таким образом, с помощью большой прямозубой шестерни, прикрепленной к каркасу 52F устройства, в качестве реактивного элемента, который имеет конфигурацию, показанную на Фиг. 5, устройство изменения скорости предоставляет передаточное отношение = 224.
Устройство на Фиг. 6, с другой стороны, имеет другую конфигурацию, при этом используя одни и те же шестерни, что и на Фиг. 5, имея по существу одно и то же назначение шестерней, что и описанное на Фиг. 4 - с большим кольцом 61, прикрепленным к каркасу 61F устройства в качестве реактивного элемента.
Отметим, что примеры на Фиг. 5 и 6 имеют размерную конфигурацию K=15, i=1 и j=1.
В сущности, устройство изменения скорости настоящего изобретения, показанное на Фиг. 4, может иметь четыре различных конфигурации установки изменения скорости, они перечислены в Таблице 1. В Таблице 1, а также 2 ниже, R, О и I в строке Роли указывают соответственно роль реактивного элемента, выхода и входа вращательных элементов настоящего устройства.
Понятно, что для специалиста в области техники конфигурации уменьшения скорости в Таблице 1 могут быть просто заменены на увеличенные скорости простой заменой назначения ролей I и О каждой.
Фиг. 7 схематически иллюстрирует вид в поперечном сечении устройства изменения скорости настоящего изобретения, который имеет размерную конфигурацию, оптимизированную для применения изменения скорости в выражении веса и размера или плотности мощности. В этом специальном случае конфигурации в Таблице 1 становятся конфигурациями, перечисленными в Таблице 2.
2
Передаточные отношения уменьшения скорости, представленные в двух таблицах, показывают, что с помощью шестерней, имеющих количество зубьев в среднем K, может быть выполнен редуктор скорости с передаточным отношением K. Оно сравнивается с передаточным отношением K традиционного циклоидального привода.
Отметим, понятно, что прямозубая шестерня, зацепленная внутри кольцевой шестерни, обычно должна иметь количество зубьев, достаточно меньшее количества зубьев кольца. Например, касательно популярных шестерней с 20-градусным углом зацепления, необходима минимум разница в 8-зубьев. Один типичный подход исключения помех шестерней для небольшой разницы количества зубьев заключается в применении смещения профиля для шестерней. Альтернативно, с помощью большего угла зацепления шестерней возможна меньшая разница количества зубьев.
Также, так как эпициклические элементы одной коаксиальной пары устройства изменения скорости настоящего изобретения обычно являются настолько большими в размере относительно другой коаксиальной пары, что возможна только одна пара. В связи с этим необходим противовес в практических вариантах выполнения этого оригинального устройства изменения скорости, как схематически проиллюстрировано, например противовес 65W в варианте выполнения, изображенном на Фиг. 6. Противовес используется для баланса массы эпициклической коаксиальной пары шестерней, противолежащих относительно центральной оси устройства.
Таким образом, в ветровой турбине, использующей коробку передач одноступенчатого мультипликатора скорости настоящего изобретения, как представлено наилучшим образом на Фиг. 4, для изменения входной скорости его турбинного вала до выходной скорости его вала электрического генератора, коробка передач будет иметь коаксиальную пару кольцевых шестерней, включающую большую кольцевую шестерню 41, имеющую делительный диаметр А, и малую кольцевую шестерню 44, имеющую делительный диаметр D. Коаксиальная пара прямозубых шестерней включает большую прямозубую шестерню 42, имеющую делительный диаметр В, и малую прямозубую шестерню 43, имеющую делительный диаметр С. Большая прямозубая шестерня 42 зацепляется с большой кольцевой шестерней 41, и малая прямозубая шестерня 43 зацепляется с малой кольцевой шестерней 44, образуя две зацепляющиеся пары. Водило 45Е соединено с входным валом 45 коробки передач. Причем две шестерни 42 и 43 одной из двух коаксиальных пар скреплены вместе, чтобы действовать эпициклически на водиле. Одна шестерня 41 другой из двух коаксиальных пар прикреплена к каркасу коробки передач, и другая шестерня 44 соединена с входным валом 46. И четыре шестерни 41, 42, 43 и 44 удовлетворяют соотношению размеров A=K+i, В=K, C=K-j и D=K+i-j-j, где K, i и j являются целыми числами.
Тогда как выше представлено полное описание специальных вариантов выполнения, могут быть использованы различные преобразования, альтернативные конструкции и эквиваленты. В связи с этим вышепредставленное описание и иллюстрации не должны приниматься в качестве ограничения объема охраны настоящего изобретения.