ТРАНСМИССИЯ С ИЗМЕНЯЕМЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ
VARIABLE GEAR RATIO TRANSMISSION

Настоящее изобретение относится к трансмиссии с изменяемым передаточным отношением, имеющей бесступенчатое изменение передаточного отношения, например, обеспечивающей возможность первичному двигателю, такому как ветряная или приливная турбина, работающему на относительно низких, но бесступенчато изменяющихся скоростях, осуществлять плавный привод машины с постоянной скоростью, такой как синхронный генератор, без чрезмерных переходных крутящих моментов.
В частности, необходимость в повышающих трансмиссиях для ветряных турбин возникает из-за их относительно низкой скорости вращения в сравнении с предпочтительной скоростью вращения генератора, обычно 1500 оборотов в минуту. Низкая скорость турбины обуславливается тем фактом, что выработка энергии с помощью ветра является функцией ометаемой площади турбины и скорости конца лопасти. Таким образом, чем выше мощность, тем ниже скорость ротора. Фактически, мощность прямо пропорциональна величине диаметра ротора во второй степени, при этом скорость ротора обратно пропорциональна величине диаметра конца лопасти и/или корню квадратному от величины мощности ротора; например, турбина мощностью 3000 кВт будет работать на скорости 16 оборотов в минуту в сравнении со скоростью 44 оборотов в минуту для машины мощностью 400 кВт с той же скоростью конца лопасти. Так как вес ротора и крутящий момент прямо пропорциональны величине диаметра ротора в третьей степени, турбины большей мощности имеют не только больший повышающий коэффициент трансмиссии, но также более высокие входные крутящие моменты и тем самым более низкое соотношение мощность к весу. Например, хотя турбина мощностью 3000 кВт вырабатывает мощность в 7,5 раз больше, чем машина мощностью 400 кВт, ее крутящий момент и вес увеличиваются в 20,54 раза (т.е. 7,5 в степени 1,5), при этом ее передаточное отношение увеличивается в 2,74 раза, так как ее скорость уменьшается на корень квадратный от 7,5.
Так как объем, вес и цена коробки передач обуславливается ее крутящим моментом и общим передаточным отношением, существует техническая задача по уменьшению веса путем уменьшения паразитических переходных перегрузочных крутящих моментов, которые обычно возникают (и которые учитываются) во всех трансмиссиях ветряных турбин с фиксированным передаточным отношением. Они создаются случайными изменениями скорости ветра, плотности воздуха и удельной аэродинамической энергии на большой ометаемой площади турбины. Такие изменения ведут к колебаниям скорости ступицы ротора турбины на входе в коробку передач, что может происходить неоднократно за один оборот. Дополнительно это усложняется, во-первых, плавными изменениями скорости ветра и, во-вторых, резкими изменениями при порывах ветра. Так как энергия ветра прямо зависит от величины скорости воздушного потока в третьей степени, при увеличении переходной скорости на 50% аэродинамическая мощность вырастет в 3 раза. Хотя часть этой мощности будет рассеиваться за счет низкого кпд и часть за счет увеличения скорости и кинетической энергии в турбине, это ведет к тому, что для трансмиссии с фиксированным передаточным отношением при попытках увеличить скорость генератора будут создаваться дополнительные крутящие моменты. Это обусловлено тем фактом, что полярный момент инерции генератора вокруг его оси, приведенный к оси ротора турбины, умножается на величину повышающего коэффициента трансмиссии во второй степени. Таким образом, генератор, для которого требуется повышающий коэффициент 80/1, имел бы приведенную инерцию в 6400 раз больше, чем вокруг его собственной оси. Угловое отклонение на 1 градус ступицы ротора турбины от ее средней скорости вращения будет поэтому приводить к колебанию генератора на 80 градусов в том же промежутке времени.
Асинхронный генератор может использовать регулирование мощности для получения плавной электрической мощности на выходе, но это скрывает имеющуюся проблему, так как для изменения его скорости все равно требуются механические ускоряющие моменты. Такие переходные ускоряющие моменты могут только быть уменьшены за счет энергии упругой деформации в пути механической трансмиссии, и поэтому более жесткие трансмиссии будут иметь более высокие крутящие моменты.
В трансмиссии с изменяемым передаточным отношением эта проблема устраняется путем изменения ее передаточного отношения соответствующим образом в той же степени, что и переходное изменение скорости турбины. При этом момент, скорость и фазовый угол генератора сохраняются постоянными за счет того, что турбина имеет возможность ускоряться и поглощать переходной избыток мощности в форме кинетической энергии.
Коробки передач с изменяемым передаточным отношением согласно предшествующему уровню техники, например, такие как описанные в публикации WO 2004/109157, применяются в различных областях, включая ветряные турбины. Однако их сложность, например, необходимость использовать дорогостоящие компоненты, такие как муфты и альтернативные маршруты передачи мощности, ведет к увеличению их размера, веса и стоимости изготовления. Было обнаружено, что имеется потребность в простой коробке передач с изменяемым передаточным отношением, которая, в вариантах воплощения, обеспечивает управление скоростью генератора и имеет простую конструкцию.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается трансмиссия с изменяемым передаточным отношением для применения при выработке энергии на ветряных и приливных установках, выполненная с возможностью обеспечения по существу постоянной выходной скорости при входной скорости от источника движения, изменяющейся по величине, по меньшей мере, в пределах диапазона входной скорости, в котором имеет место вся выработка энергии, причем трансмиссия включает в себя главную дифференциальную зубчатую передачу, имеющую вход от источника движения и выход привода, в которой передаточное отношение входной скорости к выходной скорости является изменяемым и в которой передаточное отношение регулируется реактивным крутящим моментом, обеспечиваемым шестерней управления скоростью внутри главного дифференциала, причем трансмиссия включает в себя также вспомогательную дифференциальную зубчатую передачу, которая находится во вращательной связи с входом через первый маршрут и во вращательной связи с шестерней управления скоростью через другой второй маршрут, причем вспомогательная дифференциальная зубчатая передача включает в себя два параллельных пути мощности, один путь включает в себя гидравлическую перепускную линию, имеющую два гидравлических устройства, образующих гидравлический контур; передаваемая мощность и направление передачи мощности в гидравлическом контуре пути с перепускной линией выборочно изменяются во время работы для изменения скорости в другом пути, тем самым изменяя мощность во втором маршруте и изменяя реактивный крутящий момент шестерни управления скоростью и тем самым регулируя передаточное отношение, отличающаяся тем, что первый и второй маршруты используются для всего диапазона входной скорости.
Предпочтительно, первый и второй маршруты выполнены без муфт.
В одном варианте воплощения мощность передается между гидравлическими устройствами в одном направлении, когда входная скорость ниже заданной величины в диапазоне, и направление передачи мощности изменяется на обратное при достижении или превышении указанной скорости.
Предпочтительно, каждое гидравлическое устройство приводится на скорости, которая пропорциональна входной скорости.
Более предпочтительно, каждое гидравлическое устройство представляет собой поршневое устройство, имеющее изменяемый ход для изменения гидравлического объемного расхода или давления.
Предпочтительно, ход одного или обоих гидравлических устройств регулируется для изменения мощности, передаваемой в пути с перепускной линией.
В одном варианте воплощения главная и/или вспомогательная дифференциальные зубчатые передачи включают в себя планетарные зубчатые передачи. В этом случае главная и вспомогательная зубчатые передачи могут обе быть планетарными зубчатыми передачами, и может существовать любая одна или более из следующих планетарных компоновок: первым входом в главный дифференциал является водило главного дифференциала; выходом главного дифференциала является кольцевое зубчатое колесо главного дифференциала; шестерней управления скоростью главного дифференциала является солнечная шестерня главного дифференциала; два пути мощности второго дифференциала включают в себя водило и солнечную шестерню второго дифференциала.
Изобретение также относится к системе трансмиссии, включающей в себя (а) низкоскоростную повышающую ступень с фиксированным передаточным отношением, (б) ступень с изменяемым передаточным отношением, имеющую входной вал для приема бесступенчато изменяющейся входной скорости от ступени с фиксированным передаточным отношением и обеспечивающую постоянную выходную скорость на ее выходном валу, причем ступень с изменяемым передаточным отношением включает в себя или содержит передачу согласно любому из описанных выше аспектов.
Предпочтительно, ступень с фиксированным передаточным отношением включает в себя две планетарные ступени, соединенные последовательно. Изобретение также относится к источнику движения с гидроприводом, соединенным с возможностью передачи приводного усилия с генератором через описанную выше трансмиссию с изменяемым передаточным отношением.
Изобретение распространяется на любой описанный здесь новый признак и на любую новую комбинацию описанных здесь признаков, независимо от того, описана или нет здесь комбинация этих признаков. Например, изобретение может заключаться в трансмиссии с изменяемым передаточным отношением для применения при выработке энергии на ветряных и приливных установках, выполненной с возможностью обеспечения по существу постоянной выходной скорости при входной скорости от источника движения, изменяющейся по величине, по меньшей мере, в пределах диапазона входной скорости, в котором имеет место вся выработка энергии, причем трансмиссия включает в себя главную дифференциальную зубчатую передачу, имеющую вход от источника движения и выход привода, в которой передаточное отношение входной скорости к выходной скорости является изменяемым и в которой указанное передаточное отношение регулируется реактивным крутящим моментом, обеспечиваемым шестерней управления скоростью внутри главного дифференциала, при этом трансмиссия включает в себя также вспомогательную дифференциальную зубчатую передачу, которая находится во вращательной связи с входом через первый маршрут и во вращательной связи с шестерней управления скоростью через другой второй маршрут, причем вспомогательная дифференциальная зубчатая передача включает в себя два параллельных пути мощности, один путь включает в себя гидравлическую перепускную линию, имеющую два гидравлических устройства, образующих гидравлический контур; передаваемая мощность и направление передачи мощности в гидравлическом контуре пути с перепускной линией выборочно изменяются во время работы для изменения скорости в другом пути, тем самым изменяя мощность во втором маршруте и изменяя реактивный крутящий момент шестерни управления скоростью и тем самым регулируя передаточное отношение, характеризующееся тем, что первый и второй маршруты выполнены без муфт.
Изобретение может быть реализовано различными способами. Далее будет описан конкретный вариант воплощения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1а - схематический вид в разрезе повышающей передачи для использования с передачей, показанной на фиг.1b;
Фиг.1b - схематический вид с частичным разрезом передачи и генератора в сборе;
Фиг.2-4 - виды передач с фиг.1b, иллюстрирующие передачу мощности при различных режимах работы;
Фиг.5 - график, показывающий соотношение степеней хода используемых гидравлических устройств и скорости одного из этих гидравлических устройств;
Фиг.6 - график, показывающий зависимость мощности ротора и крутящего момента, а также скорости гидравлического устройства от скорости ротора;
Фиг.7 - график, показывающий зависимость мощности в перепускной линии от скорости гидравлического устройства; и
Фиг.8 - таблица значений переменных.
На фиг.1а показана повышающая передача, имеющая две планетарные зубчатые передачи 20 и 30, соединенные последовательно, которые преобразуют относительно медленное вращение входного вала 10 ветряной турбины в более быстрое вращение на сателлите 40. Так как передача на фиг.1а обеспечивает большое увеличение скорости вращения, из этого следует, что небольшие изменения скорости турбины на входном валу 10 ведут к большим изменениям скорости сателлита 40. Для привода синхронного генератора желательно иметь постоянную скорость, поэтому сателлит 40 соединен с входной шестерней 50 передачи с изменяемым передаточным отношением, показанной подробно на фиг.1b.
На фиг.1b показана входная шестерня 50, которая приводится в движение с переменными скоростями передачей, показанной на фиг.1а. Входная шестерня 50 приводит главный сателлит 100. Главный сателлит 100 в свою очередь соединен с водилом 110 главного планетарного дифференциала 120 и также приводит вспомогательный сателлит 200 вдоль первого маршрута 115 передачи мощности. Водило 110 приводит генератор 300 через кольцевое зубчатое колесо 140 главного планетарного дифференциала 120.
Во время работы используя реактивный крутящий момент солнечной шестерни 150 главного дифференциала можно управлять скоростью генератора 300. Во время работы, когда скорость на входе является низкой, солнечную шестерню 150 необходимо вращать в том же направлении, что и вход (водило 110) для увеличения эффективной скорости кольцевого зубчатого колеса 140 и тем самым генератора 300, и когда скорость на входе становится более высокой, солнечную шестерню 150 необходимо остановить или сместить в обратном направлении относительно входа для замедления кольцевого зубчатого колеса 140. Реактивный крутящий момент на солнечной шестерне 150 может использоваться для управления его скоростью, причем либо приводится кольцевое зубчатое колесо 140 более быстро, когда прилагается более высокий крутящий момент, либо оно приводится (смещается) в противоположном направлении, когда прилагается более низкий крутящий момент.
Реактивным крутящим моментом на солнечной шестерне управляют с помощью вспомогательной дифференциальной планетарной зубчатой передачи 220. Вспомогательный дифференциал имеет кольцевое зубчатое колесо 230, соединенное со вспомогательным сателлитом 200. Два пути мощности Р' и Р'' образованы водилом 210 и солнечной шестерней 250 вспомогательного дифференциала 220. Водило 210 находится во вращательной связи с одним из двух гидравлических устройств 180, а солнечная шестерня 250 находится во вращательной связи с другим гидравлическим устройством 500. В данном примере солнечная шестерня 250 соединена также с парой сателлитов 260, 265, которые принимают крутящий момент от или обеспечивают крутящий момент для солнечной шестерни 150 главного дифференциала 120 и образуют второй маршрут 125 передачи мощности.
Мощностью, передаваемой через гидравлическую перепускную линию, и направлением, в котором она течет, управляют путем изменения хода двух гидравлических устройств. Это в свою очередь приводит к изменению реактивного крутящего момента на солнечной шестерне 150 и, следовательно, изменяет выходную скорость главного дифференциала. Контроллер используется для отслеживания входной скорости и давления в гидравлической перепускной линии, а также для управления степенями хода в соответствующих гидравлических устройствах 500 и 180.
Передача имеет несколько режимов работы, которые описываются ниже.
Во-первых, как показано на фиг.2, когда входной вал вращается со скоростью, равной или ниже 11,5 оборотов в минуту, передача будет работать с фиксированным передаточным отношением. Гидравлическое устройство 180 будет настроено на почти максимальный ход, хотя оно будет вращаться относительно медленно, а гидравлическое устройство 500 будет настроено на почти минимальный ход, хотя оно будет вращаться относительно быстро, так, чтобы приводиться устройством 180. В результате этого мощность передается через гидравлическую перепускную линию и через передачу в направлении стрелок Р, и солнечная шестерня 150 обеспечивает максимально возможный большой крутящий момент в направлении вращения водила 110 для увеличения скорости генератора 300. Однако при этой входной скорости генератор не достигает желаемой скорости 1500 оборотов в минуту, и поэтому выходной скорости (скорости генератора) разрешено изменяться при изменении входной скорости, а генератор не соединен с энергосистемой, так как он не вращается с требуемой скоростью.
Во-вторых, как показано на фиг.3, когда скорость на входе находится в диапазоне от около 11,5 оборотов в минуту до около 17,3 оборотов в минуту, что является обычным диапазоном входной скорости, используется второй режим работы. В этом режиме генератор будет синхронизирован с энергосистемой и обеспечивает мощность для энергосистемы, и поэтому необходимо поддерживать его скорость постоянной. Следовательно, передача работает с изменяемым передаточным отношением, так как скорость входного вала будет изменяться при колебаниях скорости ветра и т.д. Реактивный крутящий момент, обеспечиваемый солнечной шестерней 150, должен быть достаточным для увеличения скорости генератора, но он должен постепенно уменьшаться, когда входная скорость увеличивается от около 11,5 оборотов в минуту до около 17,3 оборотов в минуту. Для этого изменяется величина мощности, передаваемой через гидравлическую перепускную линию. Потоком мощности через перепускную линию можно управлять путем регулирования хода одного или обоих гидравлических устройств. В этом режиме ход устройства 180 остается максимальным или почти максимальным, а ход устройства 500, вначале минимальный, увеличивается в соответствии с увеличением давления в перепускной линии, как функция входной скорости. Вследствие компоновки вспомогательного дифференциала уменьшенная мощность, текущая через перепускную линию, уменьшает в целом величину реактивного крутящего момента, создаваемого солнечной шестерней 150, что поддерживает выходную скорость к генератору постоянной при увеличении входной скорости. Когда входная скорость начинает приближаться к 17,3 оборотов в минуту, ход устройства 180 уменьшается, а ход устройства 500 увеличивается до максимума.
Когда входная скорость составляет около 17,3 оборотов в минуту, то через перепускную линию не передается никакой мощности, так как ход устройства 180 равен нулю и скорость устройства 500 равна нулю. На этой скорости величина реактивного крутящего момента, требующегося для солнечной шестерни 150, равна тому значению, которое требуется для остановки ее движения. Это является расчетной средней скоростью вращения для турбины.
Третий режим работы используется, когда скорость ротора превышает 17,3 оборотов в минуту, но не превышает 19 оборотов в минуту. Этот режим проиллюстрирован на фиг.4. Генератор все еще вырабатывает мощность на желаемой скорости вращения. Солнечной шестерне 150 обеспечивается возможность двигаться в противоположном направлении относительно водила 110, так что она эффективно приводится для замедления выхода к генератору 300. Для этого ход устройства 500 остается максимальным, а ход устройства 180 изменяется на обратный, так что мощность передается в противоположном направлении. Направление вращения двух устройств также изменяется на обратное. Компоновка вспомогательного дифференциала такова, что мощность передается в направлении стрелок Р. Когда скорость ротора увеличивается от около 17,3 оборотов в минуту до около 19 оборотов в минуту, ход гидравлического устройства 180 в обратном направлении все больше увеличивается, в результате чего больше мощности передается пути P' с перепускной линией. Это ведет к еще большему смещению солнечной шестерни 150 для дальнейшего замедления выхода.
Чтобы не допустить передачи через перепускную линию слишком большого объема мощности, тормоза 130 и/или 245 используются для замедления системы, когда скорость ротора превышает 19 оборотов в минуту. Тормоза также используются в целях обеспечения безопасности, например, во время технического обслуживания или в случае поломки какого-либо компонента.
На практике скорость ротора на входе будет изменяться постоянно и поэтому степени хода гидравлических устройств 180 и 500 будут регулироваться согласно фиг.5 для обеспечения необходимого реактивного крутящего момента на солнечной шестерне 150. На фиг.6 показано соотношение между мощностью ротора и скоростью гидравлического устройства 180. Скорость устройства 180 увеличивается, когда увеличивается скорость ротора. На фиг.7 показано, как управляется мощность в перепускной линии, когда скорость гидравлического устройства 180 (и значит скорость ротора) увеличивается. На фиг.8 представлена таблица, в которой приведены переменные системы трансмиссии и изменение каждой из них при увеличении скорости ротора. Соответствующие ходы устройств 180 и 500 могут изменяться достаточно быстро для изменения передаточного отношения и точного управления выходной скоростью. Очень высокая инерция турбины обеспечивает то, что она не будет изменять скорость быстро, и поэтому входным крутящим моментом можно очень точно управлять путем изменения передаточного отношения.
В данной области применения конкретное преимущество использования гидравлической передачи для перепуска мощности состоит в практически незначительной ее инерции в сравнении с генератором. Следует отметить, что общая инерция зубчатых колес также незначительна с практической точки зрения. Перекрестно управляемый предохранительный клапан может использоваться для отклика на любые самые внезапные колебания скорости/момента, которые потенциально могут опережать время реагирования для управления ходом устройств.
Применение здесь двух разных маршрутов 115 и 125 мощности к вспомогательному дифференциалу, используемых во всем диапазоне входных скоростей выработки мощности (второй и третий режимы выработки мощности), упрощает конструкцию трансмиссии и уменьшает ее стоимость и вес. Применение двух маршрутов означает, что не требуются муфты и т.п. для, например, изменения пути мощности.
Выше был описан и проиллюстрирован один конкретный вариант воплощения, однако специалистам в данной области техники понятно, что возможно множество вариантов, модификаций и альтернатив, не выходящих за пределы объема формулы изобретения. Например, здесь были описаны и проиллюстрированы планетарные дифференциальные зубчатые передачи, однако для получения полезного эффекта могут использоваться другие дифференциальные механизмы.