CN101725632B - 具有用于极端载荷的备选载荷路径的轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有用于极端载荷的备选载荷路径的轴承。提供了一种具有第一座圈(505)、第二座圈(515)和一个或多个滚动元件(510)的轴承。该轴承包括用于极端载荷的备选载荷路径(530)，且备选载荷路径形成于第一座圈(505)和第二座圈(515)之间。极端载荷的至少一部分转向而离开滚动元件(510)。

Description

具有用于极端载荷的备选载荷路径的轴承
技术领域
本发明大体涉及轴承，且更特别地涉及具有用于极端载荷的备选载荷路径的轴承。
背景技术
最近，作为环境安全且相对价廉的替代能源，风力涡轮机受到越来越多的注意。随着这样的不断增加的关注，已做出大量努力来发展可靠且高效的风力涡轮机。
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装到定位在桁架或管状塔架的顶部上的外壳或机舱上。公用级风力涡轮机(即设计成以便为公共电网提供电功率的风力涡轮机)可具有大型转子(例如直径为30米或30米以上)。这些转子上的叶片将风能转换成旋转扭矩或力，旋转扭矩或力驱动可通过变速箱而旋转地联接到转子上的一个或多个发电机。变速箱提高涡轮机转子的本来低的旋转速度，以便发电机高效地将机械能转换成电能，该电能被供给到公共电网中。
包括直接驱动式发电机的风力涡轮机不使用变速箱，且消除了与变速箱相关联的可靠性问题。但是，在至少一些已知的风力涡轮机中，转子轴承、倾斜轴承、发电机轴承和其它轴承可能会过早地出现故障。因为可能难以接近和更换轴承，所以轴承的故障可能会导致漫长且昂贵的维修过程。
为了有助于降低成本，同时优化涡轮机可用性，应该在需要最少的基本设施和技能的情况下，在风力涡轮机现场处迅速地进行轴承更换和/或修理。然而，风力涡轮机中所使用的已知轴承通常需要在工厂进行完全更换，或者需要劳动量大且昂贵的现场维修。
发明内容
因此，本发明的一个方面提供了具有第一座圈、第二座圈和一个或多个滚动元件的轴承。该轴承包括用于极端载荷的备选载荷路径，且备选载荷路径形成于第一座圈和第二座圈之间。极端载荷的至少一部分转向而离开滚动元件。
本发明的另一个方面提供了具有第一滑动面、第二滑动面和零个或多个滑动元件的轴承。该轴承包括用于极端载荷的备选载荷路径，且备选载荷路径形成于第一滑动面和第二滑动面之间。极端载荷的至少一部分转向而离开零个或多个滑动元件。
附图简述
图1是风力涡轮机的一个示例性构造的图示。
图2是图1所示的且包括已知的齿轮传动系的示例性风力涡轮机构造的机舱的剖视透视图。
图3是显示为连接在风力涡轮机的塔架和底板之间的一个已知的偏动轴承的剖面图。
图4是一个已知的双滚子轴承的剖面图。
图5是根据本发明的一个方面的轴承的截面图。
图6是根据本发明的另一个方面的轴承的截面图。
图7是沿图6的剖面线A-A的视图。
图8是根据本发明的又一个方面的轴承的截面图。
图9是沿图8的剖面线A-A的视图。
图10是根据本发明的再一个方面的轴承的截面图。
图11是根据本发明的另一个方面的轴承的截面图。
图12是根据本发明的又一个方面的轴承的截面图。部件列表：100风力涡轮机102机舱104塔架106转子108叶片110毂112控制面板114倾斜驱动器116轴118变速箱120发电机122联接件124偏动驱动器126偏动平台128气象杆130主轴承132主机架310轴承405内滚道415外滚道500轴承505内座圈506台肩510轴承515外座圈516台肩520实心箭头(正常载荷路径)530虚线箭头(极端载荷路径)605内座圈610轴承615外座圈620正常载荷路径630极端载荷路径750间隔元件805内座圈806台肩810轴承815外座圈820正常载荷路径830极端载荷路径850间隔元件1005内座圈1006台肩1010轴承1015外座圈1016凸出部1105第一座圈1106伸出部1110滚动元件1115第二座圈1120滚动元件1220弹簧
具体实施方式
在一些构造中，且参看图1，风力涡轮机100包括容纳发电机(图1中未示出)的机舱102。机舱102安装在高塔架104的顶部，图1中仅显示了塔架104的一部分。风力涡轮机100还包括转子106，转子包括附连到旋转毂110上的一个或多个转子叶片108。虽然图1中所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但是本发明不要求对转子叶片108的数量进行具体限制。
在一些构造中，且参看图2，各种构件容纳在风力涡轮机100的塔架104顶部的机舱102中。塔架104的高度是基于本领域中已知的因素和条件来选择的。在一些构造中，控制面板112内的一个或多个微控制器包括用于整体系统监视和控制的控制系统。一些构造中使用了备选的分布式或集中式控制架构。
在一些构造中，提供可变叶片倾斜驱动器114来控制由于风而驱动毂110的叶片108(图2中未示出)的倾斜。在一些构造中，叶片108的倾角单独地由叶片倾斜驱动器114控制。毂110和叶片108共同构成风力涡轮机转子106。
风力涡轮机的传动系包括主转子轴116(也被称为“低速轴”)，主转子轴116通过主轴承130连接到毂110上，且(在一些构造中)在轴116的相对端处连接到变速箱118上。变速箱118驱动发电机120的高速轴。在其它构造中，主转子轴116直接联接到发电机120上。高速轴(在图2中未标出)用于驱动安装在主机架132上的发电机120。在一些构造中，转子扭矩通过联接件122传递。在本发明的构造中，发电机120是直接驱动式永磁发电机。
偏动驱动器124和偏动平台126为风力涡轮机100提供偏动定向系统。气象杆128为涡轮机控制系统提供信息，该信息可包括风向和/或风速。在一些构造中，偏动系统安装在提供于塔架104顶部的凸缘上。
图3示出了一种已知的双排型轴承。这种类型的轴承可用于风力涡轮机的倾斜或偏动系统中。通常选择这种构造来补偿频繁地出现的高载荷。轴承310位于塔架104和机舱的底板或主机架132之间的接合处。风力涡轮机100可能会受偶发的强烈骤风的影响。这些骤风通常持续时间短，但是它们确实会对风力涡轮机施加极端载荷。风可能会迫使机舱倾斜而抵靠轴承310的一侧。这种力通过偏动轴承310而从主机架132传递到塔架104中。双排轴承310具有能够比已知的单排轴承承受更高的载荷的优点，但是，双排轴承的成本高得多。
图4中显示了已知的双排轴承的另一种变型。在这个轴承中，内滚道405的一部分在轴承之间延伸。外滚道415“包绕”在轴承和内滚道伸出部周围。但是，在图3和4的轴承两者中，座图之间经受的载荷通过轴承(例如球状物或球形轴承)来传递。对于承受高载荷的轴承而言，需要使用双排或三排轴承。如果也可设计更低成本的单排轴承来适应高载荷，则将是有利的。
图5示出了根据本发明的各方面的轴承。轴承500可用作倾斜轴承、偏动轴承或风力涡轮机100中的任何其它轴承。内座圈505包括台肩506，且外座圈515包含台肩516。轴承510可为球状物、球体、滚子、锥形滚子、桶形滚子、圆柱形元件或包括滑动轴承的其它轴承器件，且轴承510位于内座圈505和外座图515之间。
实心箭头520表明在正常或无载荷条件期间从外座圈515到内座圈505的载荷路径。可看到，载荷通过轴承510从外座圈515传递到内座图505。在这种状态下，轴承具有对于该轴承类型而言典型的低摩擦扭矩。在极端载荷条件期间，载荷路径改变而从外座圈515直接通到内座圈505，基本绕过轴承510。
一般针对两个主要标准-“极端”和“正常”风载荷来设计风力涡轮机构件。可在有平均数和其周围的一些波动的地方确定正常载荷。这会产生“有用的”功率，且构件起初是对抗这个重复的载荷针对有害的疲劳和累积损伤而设计的。另外，还针对极端载荷而设计构件。风力涡轮机场中的极端载荷的一个定义被定义为50年一遇的骤风(例如Ve50)。构件必须每50年经受住这“一次”。例如，50年一遇的骤风可为在五十年时段上所期望的最高期望风速。疲劳(即重复载荷)在这种情况下不一定是标准。可使用不同的设计准则来处理极端载荷情况，例如不应超过材料中的极限拉伸应力。
如IEC 61400-1风力涡轮机设计/安全标准中所定义的，有待考虑的最大风速被称为“Ve50”，其是跨越50年重现期的持续3秒平均时间的最大骤风。极端载荷可在Ve50情况期间出现。极端载荷还可在当至少部分地利用了根据本发明的方面的备选或极端载荷路径时出现。
在风力涡轮机应用中，如果风在截止速度下或在低于截止速度下且以基本恒定的速率流过叶片时，可出现正常载荷。极端载荷条件可能在当出现突然的骤风时发生，且在风力涡轮机构件上施加比正常载荷条件期间更高的载荷。极端载荷的持续时间通常比正常载荷更短。用语“极端载荷”可定义为超过正常操作载荷的任何载荷，或者将大量应力施加在轴承500上的任何载荷。通常，极端载荷可由骤风和/或大于额定风速或截止风速的风速而引起，或者在Ve50情况期间的风速引起。
内座圈和外座圈的台肩506和516在正常操作条件期间不进行接触。但是，在极端载荷条件期间，内台肩506和外台肩516彼此接触，且有效地保护轴承510不会过度变形和/或损坏。虚线箭头530示出了在极端载荷期间的载荷路径。作为一个实例，风力涡轮机的叶片可附连到外座圈515上，而毂可附连到内座圈505上。在另一个实例中，机舱底板可附连到内座圈505上，而塔架可附连到外座圈515上。这些实例仅是要说明可在风力涡轮机100中使用轴承500的几个位置，但是，将理解的是，可在需要轴承的任何位置上使用轴承500。
图6和7示出了本发明的另一个实施例。用于极端载荷的备选载荷路径还可以使用现有的硬件。轴承间隔元件750可以制造成具有略微小于轴承610的直径的外径。在正常载荷期间，载荷路径620为从外座圈615通过轴承或滚子610到达内座圈605。在极端载荷期间，内座圈和外座圈被迫彼此靠得更近，且间隔元件750成为极端载荷路径的一部分。极端载荷路径630包括外座圈615，通过轴承间隔元件750到达内座圈605。这样，就可保护轴承或滚子610不受由极端载荷造成的损伤。
图8和9示出了本发明的另一个实施例。在具有罩的轴承中，罩在极端载荷期间可成为载荷承载部件。有效地，罩850以与图6和7的轴承间隔元件类似的方式起作用。轴承或滚动元件810至少部分地包含在罩850内，且轴承810和罩850两者置于内座圈805和外座圈815之间。在正常载荷期间，载荷路径820为从外座圈815通过轴承810到达内座圈805。在极端载荷期间，载荷路径830为从外座图815通过罩850到达内座圈805。通常，罩850可包括通过一个或多个周边环连接在一起的多个间隔元件。台肩806可置于内座圈805(如图所示)和/或外座圈815上。台肩也可置于罩850上方/和或下方。
图10示出了本发明的另一个实施例，该实施例是图4中所示的轴承类型的改进。内座圈1005结合了台肩或槽1006。外座圈1015包括至少部分地延伸到槽1006中的凸出部1016。两个滚子1010置于凸出部1016的上方和下方。在正常载荷期间，载荷路径为从外座圈1015和凸出部1016起通过滚子1010到达内座圈1005。在极端载荷期间，载荷路径为从外座圈1015、凸出部1016起通过槽1006到达内座圈1005。
在本发明的另外的方面中，备选载荷路径可设置成在轴承外流过(例如通过风力涡轮机的偏动制动系统)。另外的滚子或轴承元件可添加到座圈的上方或下方，以进一步吸收极端载荷。
在1.5MW的风力涡轮机上获得了测试数据，且倾斜轴承显示了在极端载荷时的大约0.7毫米至大约1.0毫米的偏转。操作载荷在大约1,200kNm或更少的范围内。仅作为一个实例，如果台肩彼此间隔开大约0.45毫米，则球状物和滚道系统(即倾斜轴承)上的载荷将减小大约一半。将理解的是，台肩可彼此间隔开大于或小于以上实例中的量，且间隔通过具体应用的要求来确定。
将用于极端载荷的备选载荷路径结合到轴承中具有许多优点。可减小轴承的尺寸，且这会转化成更低的成本和减小的重量。塔架必须支承沉重的载荷，而且减小塔架的顶部处的重量或机舱中的重量是非常有益的。轴承还可以减小的故障率来支承极端载荷。持续更长时间的轴承节约了维护和更换成本，而且避免了风力涡轮机的停机时间。由本发明的各方面体现的轴承还不限于风力涡轮机应用。实际上，具有用于极端载荷的备选载荷路径的轴承可用于其中轴承承受频繁或间歇的极端载荷的任何应用中。航空器引擎和发电装备也可受益于本文所述的轴承。
以上描述中所提到的台肩优选地包含在轴承的润滑区内。这样就提供了清洁的接触，从而防止灰尘阻塞狭窄的间隙。当设计成这样时，也可在润滑区外建立台肩接触，从而接受阻塞间隙的可能的灰尘且在更高的操作载荷期间相互作用。或者，可应用双密封系统，其中第一及内部密封件组将润滑剂保持在内，而第二组密封件阻止灰尘进入。
图11示出了本发明的另一个实施例，该实施例结合了另外的轴承或滚子。第一座圈1105结合了伸出部1106。滚动元件1110置于第一座圈1105和第二座圈1115之间。另外的一系列滚动元件1120置于第一座圈伸出部1106和第二座圈1115之间。在极端载荷期间，极端载荷的至少一部分转向而离开滚动元件1110，且从伸出部1106引导通过滚动元件1120而到达第二座圈1115。滚动元件可这样来设计，在正常操作载荷条件期间，很少的载荷或没有载荷从伸出部1106通过滚动元件1120转移到第二座圈1115。滚动元件1120可相对于相协作的座圈或罩略微地缩小尺寸，或者也可结合间隔元件。在其它实施例中，滚动元件可设计成以便也承载正常操作载荷。滚动元件1120可为球状物、球体、滚子、锥形滚子、桶形滚子、圆柱形元件或包括滑动轴承的其它轴承器件。
图12示出了本发明的另一个实施例，该实施例结合了带状物或弹簧1220(例如波纹弹簧)。在本发明的一个实施例中，弹簧1220可为形成于“带状物”中或压印成波状图案的薄金属材料。例如，薄金属材料可为金属合金，例如镍钢合金。“带状物”或弹簧1220可具有非线性载荷偏转曲线，其开始是柔软的，但是在偏转成更平的构造之后将提供非常高的反作用。作为一个实例，弹簧1220可置于伸出部1106上，且如果需要(但不要求)，低摩擦材料可置于相对的表面上。在极端载荷期间，极端载荷的至少一部分转向而离开滚动元件1110，且从伸出部1106起通过弹簧1220而引导至第二座圈1115。弹簧1220可设计成在正常载荷期间不接触第二座圈1115，从而使得通常很少载荷或没有载荷通过弹簧1220从伸出部1106转移到第二座圈1115。将理解的是弹簧1220可附连到伸出部1106和/或第二座圈1115上。弹簧1220还可由金属、烧结金属、塑料和增强塑料材料中的一种或多种制成。
备选载荷路径还可包括载荷支承面的一个或两者上的润滑材料或低摩擦材料(例如，
Figure G2009101794905D00101
“E.I.du Pont de Nemours andCompany”的注册商标)层。一个或多个载荷支承面(在极端载荷期间)还可具有形成为特定形状的材料，以有助于吸收极端载荷。轴承的滑动元件或滚动元件还可选自金属、烧结金属、塑料、增强塑料材料中的一种或多种。
在本发明的另外的实施例中，通过轴承的第一载荷路径可具有与第二载荷路径不同的刚度。在一个实例中，第一载荷路径可具有低摩擦、低载荷承载能力和第一刚度水平，而第二载荷路径可具有更高的摩擦、更高的载荷承载能力和更大的刚度水平(与第一载荷路径相比)。可通过在两个载荷路径之间有形状差异或材料差异来获得第二载荷路径中的更高刚度。作为一个实例，第二载荷路径可包括低摩擦涂层和/或波纹材料。
虽然已经关于各种特定的实施例对本发明进行了描述，但是本领域熟练技术人员将认可，本发明可以以权利要求书的精神和范围内的修改来实践。

Claims (12)

1.一种具有第一座圈(505)、第二座圈(515)以及一个或多个滚动元件(510)的轴承，所述轴承包括：
用于正常载荷的载荷路径，该载荷路径通过所述一个或多个滚动元件(510)将载荷从所述第一座圈(505)传递到所述第二座圈(515)；和
用于极端载荷的备选载荷路径(530)，所述备选载荷路径形成于所述第一座圈(505)和所述第二座圈(515)之间，其中，所述备选载荷路径(530)基本绕过所述一个或多个滚动元件(510)。
2.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，台肩(506)形成于所述第一座圈上，所述台肩形成所述备选载荷路径的一部分。
3.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，台肩(516)形成于所述第二座圈上，所述台肩形成所述备选载荷路径的一部分。
4.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，至少一个间隔元件(750，850)设置在所述一个或多个滚动元件之间，所述至少一个间隔元件形成所述备选载荷路径的一部分。
5.根据权利要求4所述的轴承，其特征在于，所述至少一个间隔元件(850)包括形成于所述一个或多个滚动元件的至少一部分周围的罩。
6.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述一个或多个滚动元件是滚子。
7.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述一个或多个滚动元件选自以下组中的至少一个：
球状物、锥形滚子和桶形滚子。
8.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述一个或多个滚动元件选自以下组中的至少一个：
球体和圆柱形元件。
9.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述轴承在风力涡轮机的一个或多个叶片中用作倾斜轴承。
10.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述轴承在风力涡轮机的机舱和塔架之间用作偏动轴承。
11.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述轴承进一步包括：
形成于所述第一座圈(1005)中的至少一个腔体(1006)；
形成于所述第二座圈(1015)上的至少一个凸出部(1016)，所述至少一个凸出部至少部分地延伸到所述至少一个腔体中；
其中，用于极端载荷的所述备选载荷路径形成于所述第一座圈、所述至少一个凸出部、所述至少一个腔体和所述第二座圈之间。
12.一种包括第一滑动面(1106)、一个或多个滚动元件(1110)、第二滑动面(1115)以及零个或更多个滑动元件(1120，1220)的轴承，所述轴承包括：
用于极端载荷的备选载荷路径，所述备选载荷路径形成于所述第一滑动面(1106)和所述第二滑动面(1115)之间，其中，所述备选载荷路径使所述极端载荷的至少一部分转向而离开所述一个或多个滚动元件(1110)，并且通过所述零个或更多个滑动元件(1120，1220)将其从所述第一滑动面(1106)引导到所述第二滑动面(1115)。
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