CN101749196A - 风力涡轮机及装配风力涡轮机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力涡轮机及装配风力涡轮机的方法，具体而言，本发明提供了一种外罩组件(100，200，300)。该外罩组件(100，200，300)包括底座(110)、从塔架(12)延伸的支撑凸缘(138)和联接在底座和支撑凸缘之间的偏航轴承(102)，该偏航轴承包括多个水平定向的滚子(118)，滚子构造成支撑在其上的底座。

Description

风力涡轮机及装配风力涡轮机的方法

技术领域

本文描述的实施例一般地涉及用于风力涡轮机的外罩组件，更具体地，涉及外罩组件内的偏航轴承。

背景技术

至少一些已知的风力涡轮机在外罩和风力涡轮机塔之间包括偏航轴承。偏航轴承允许外罩相对于风向旋转。更具体地，偏航轴承通常包括传动装置，并且，偏航驱动马达通过接合偏航轴承的传动装置而使外罩旋转。

至少一些已知的偏航轴承是包括同心座圈(race)的回转轴承。在同心座圈之间，回转轴承可包括滚珠、垂直定向滚柱和/或滑动表面。传动装置可以位于内座圈的内表面上或外座圈的外表面上。或者是内座圈联接到外罩上且外座圈联接到塔架上，或者是内座圈联接到塔架上而外座圈联接到外罩上。联接到塔架上的座圈包括传动装置。为了控制外罩的偏航，偏航驱动马达逆着传动装置旋转以便围绕塔架使外罩枢转。当偏航驱动马达不运行时，使用偏航制动器来阻止外罩旋转。同样，在偏航期间，偏航马达逆着偏航制动器测径器驱动，该测径器部分地释放和/或接合，使得偏航运动平稳。此外，这种回转轴承需要高精度制造和/或加工，这可能是耗时和/或昂贵的。

至少一些其它已知的偏航轴承是在轴承的座圈之间不包括滚珠和/或滚子的滑动轴承。这种滑动轴承包括在其间具有润滑剂的滑动表面。然而，这种润滑剂可能劣化且/或滑动表面可能在风力涡轮机使用期间磨损。因此，需要一种不需要偏航制动器和/或高精度加工和/或制造的偏航轴承。此外，需要不包括润滑剂和/或在风力涡轮机使用期间磨损的表面的偏航轴承。

发明内容

一方面，提供一种装配风力涡轮机的方法。该方法包括将支撑凸缘联接到塔架的内表面上，和将偏航轴承定位在支撑凸缘上。偏航轴承包括多个水平地定向的滚子。外罩组件的底座(base)定位在偏航轴承上，使得底座相对塔架可旋转。

另一方面，提供一种外罩组件。该外罩组件包括底座、从塔架延伸的支撑凸缘和联接在底座和支撑凸缘之间的偏航轴承。偏航轴承包括构造成支撑其上的底座的多个水平地定向的滚子。

又一方面，提供一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括联接到支撑表面上的塔架和联接到塔架上的外罩组件。该外罩组件包括底座、从塔架延伸的支撑凸缘以及联接在底座和支撑凸缘之间的偏航轴承。偏航轴承包括构造成支撑其上的底座的多个水平地定向的滚子。

本文所描述的实施例侧向地支撑挠矩和/或扭矩，并将外罩重量支撑在平的或锥形的轴承或滑动环上。本文所描述的实施例不需要使用偏航制动器和/或高精度加工/制造的偏航轴承。此外，本文所描述的偏航轴承不是其中滑动表面可能彼此磨损的滑动轴承。

附图说明

图1是示例性风力涡轮机的侧面垂直投影图；

图2是可与图1所示的风力涡轮机一起使用的示例性外罩组件的横断面示意图；

图3是可与图2所示的风力涡轮机一起使用的轴承的顶视图；

图4是可与图1所示的风力涡轮机一起使用的第一备用外罩组件的横断面示意图；

图5是可与图1所示的风力涡轮机一起使用的第二备用外罩组件的横断面示意图。

具体实施方式

本文所描述的实施例可与铲斗型(bucket-type)偏航系统一起使用，其中挠矩和/或扭矩被侧向地支撑，并且外罩重量由平的或锥形的轴承或滑动环(例如开口针式回转轴承(open needle slew bearing))支撑。这种轴承结构不需要偏航制动器和/或轴承的高精度加工和/或制造。此外，本文所描述的实施例包括与外罩的底座接触并包括低摩擦材料的至少一个滑动垫。这种滑动垫在侧向地支撑外罩的同时允许外罩相对于塔架旋转。

图1是示例性风力涡轮机10的侧面垂直投影图。在该示例性实施例中，风力涡轮机10是近水平轴风力涡轮机。在另一个实施例中，风力涡轮机10可具有从大约1°到15°变化的向上倾斜的角度(未示出)。备选地，风力涡轮机10可以是垂直轴风力涡轮机。在该示例性实施例中，风力涡轮机10包括自支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的外罩16和联接到外罩16上的转子18。转子18包括可旋转轮毂20和联接到轮毂20上并自轮毂20向外延伸的多个转子叶片22。在该示例性实施例中，转子18具有三个转子叶片22。在一个备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片22。在该示例性实施例中，塔架12由管状钢制造，使得在支撑表面14和外罩16之间限定腔(在图1中未示出)。在一个备选实施例中，塔架12是桁架塔架。塔架12的高度基于本领域已知的因素和条件来选择。

叶片22绕转子轮毂20间隔开以便于使转子18旋转，从而使动能能够从风转化成可用的机械能，并随后转化为电能。叶片22通过将叶片根部分24在多个负荷转移区域26处联接到轮毂20上而配合到轮毂20上。负荷转移区域26具有轮毂负载转移区域和叶片负载转移区域(在图1中均未示出)。引导到叶片22上的负载经由负载转移区域26转移至轮毂20。

在该示例性实施例中，叶片22具有从大约50英尺(ft)(大约15米(m))到大约300ft(大约91m)的范围变化的长度。备选地，叶片22可具有使风力涡轮机10能够如本文所述而起作用的任何长度。例如，叶片长度的其它非限制示例包括10m或更少、20m和37m。当风从方向28冲击叶片22时，转子18绕旋转轴线30旋转。由于叶片22旋转并受到地心引力，叶片22也会受到不同的挠矩和其它运行应力。这样，叶片22可从中间或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置，并且相关压力或负荷可引入到叶片22中。此外，叶片22的桨距角，即决定叶片22相对于风向28的透视的角度，可通过桨距调节机构(在图1中未示出)改变，该桨距调节机构便于通过调节暴露于风力矢量的叶片22的表面积来增加或减少叶片22的速度。图示了对于叶片22的桨距轴线32。在该示例性实施例中，各个叶片的桨距被单独地控制。备选地，叶片桨距可对于所有叶片同时地控制。此外，在该示例性实施例中，当方向28改变时，外罩16的偏航方向可围绕偏航轴线34控制，以相对于方向28定位叶片22。

图2是可与风力涡轮机10(在图1中示出)一起使用的示例性外罩组件100的横断面示意图。在该示例性实施例中，外罩组件100可用作外罩16(在图1中示出)。同样地，图1和图2中所示的部件被类似地编号。图3是可与外罩组件100一起使用的偏航轴承102的顶视图。在图3中，为了清楚起见，轴承102的顶盖未示出。

外罩组件100包括围绕发电机106、齿轮箱108和底座110联接的外罩外壳104。发电机106和齿轮箱108支撑在底座110上。低速轴112在齿轮箱108和轮毂20之间延伸，并由主轴承114支撑在底座110上。高速轴116在齿轮箱108和发电机106之间延伸。在风力涡轮机10的运转期间，风旋转叶片22，叶片22使轮毂20和低速轴112旋转。通过齿轮箱108，低速轴112使高速轴116旋转以驱动发电机106来发电。在该示例性实施例中，高速轴116以比低速轴112的每分钟转数(rpm)更高的每分钟转数而旋转。

在该示例性实施例中，底座110联接到塔架12上以将外罩组件100紧固到塔架12上。更具体地，在该示例性实施例中，底座110使用偏航轴承102联接到塔架12上，使得外罩组件100绕偏航轴线34(在图1中示出)可旋转，如本文更详细地描述的那样。偏航轴承102在该示例性实施例中是开口针式回转轴承。备选地，偏航轴承102可以是任何合适的平滚柱轴承、锥形滚柱轴承和/或使外罩组件100能够如本文所描述起作用的滑动环。更具体地，在该示例性实施例中，偏航轴承102大体上是圆柱形的，并包括联接到保持架(cage)120上的多个滚子118。壳体122包围滚子118和保持架120。中心开口124由保持架120和/或壳体122限定。在该示例性实施例中，与已知的需要高精度加工和/或制造的偏航轴承相比，轴承102和/或滚子118的加工和/或制造不需要高精度定位。

如图3中所示，滚子118水平地定位于壳体122内以在轴承102内形成辊道(roller table)。此外，各滚子118通常相对于壳体122沿径向126排列。更具体地，各个滚子118的中心轴线128大体上与偏航轴承102的相应半径130对齐。此外，在该示例性实施例中，各个滚子118成锥形，使得各滚子118成形为截头圆锥体。滚子118定位于壳体122内，使得各滚子118的较宽末端132自滚子118的较窄末端134径向向外。备选地，且如下文更详细地描述的那样，滚子118可具有使风力涡轮机10能够如本文所描述的起作用的任何合适形状。在该示例性实施例中，底座110的部分136成形为互补和/或对应于滚子118的形状。

在该示例性实施例中，偏航轴承102支撑在支撑凸缘138上，该凸缘138从塔架12的内表面140径向地向内延伸。更具体地，支撑凸缘138绕内表面140周向地延伸。同样地，塔架12的腔142至少部分地由支撑凸缘138限定边界。腔142由塔架12的内表面140限定。在一个实施例中，支撑凸缘138与塔架12一体地形成为单一件。在一个备选实施例中，支撑凸缘138与塔架12分开地形成，并使用任何合适的紧固装置和/或技术联接到塔架12上。在该示例性实施例中，中心轴承保持器144从支撑凸缘138的上表面146向上延伸。在一个实施例中，中心轴承保持器144与支撑凸缘138一体地形成为单一件。在一个备选实施例中，中心轴承保持器144与支撑凸缘138分开地形成，并使用任何合适的紧固装置和/或技术联接到支撑凸缘138上。在该示例性实施例中，中心轴承保持器144具有与滚子118的形状互补的形状。更具体地，中心轴承保持器144具有楔形横断面形状以对应于滚子118的截头圆锥体形状。

外齿轮148联接到支撑凸缘138的至少内表面150上。更具体地，在该示例性实施例中，外齿轮148联接到支撑凸缘138的内表面150上，并联接到中心轴承保持器144的内表面152上。内表面150和内表面152大体上是共面的。备选地，内表面150和内表面152是非共面的。在该示例性实施例中，外齿轮148包括沿外齿轮148的内表面154的多个齿。外齿轮148的齿可以是使风力涡轮机10能够如本文所描述起作用的任何合适的形状。在该示例性实施例中，外齿轮148大体上是圆柱形的，并联接到至少支撑凸缘138的整个内表面150上。

在该示例性实施例中，至少一个内齿轮156或小齿轮与外齿轮148的内表面154接合和/或互连。更具体地，限定在内齿轮156的表面158内的齿与限定在外齿轮148的内表面154内的齿接合。同样地，内齿轮156的齿是与外齿轮148的齿互补的和/或与之对应。在该示例性实施例中，内齿轮156大体上是圆柱形的，并具有比外齿轮148的直径更小的直径。至少一个马达160联接到内齿轮156上，以相对于外齿轮148驱动内齿轮156。更具体地，外罩组件100包括相对于外齿轮148正好相反地间隔开的两个马达160。各个马达160包括联接到其上的内齿轮156。各马达160联接到底座110上，以使外罩组件100相对于塔架12绕偏航轴线34旋转。此外，各个马达160延伸通过偏航轴承102到达相应的内齿轮156。尽管本文描述了两个马达160和内齿轮156，但外罩组件100可包括使风力涡轮机10能够如本文所描述起作用的任何合适数量的马达160和/或内齿轮156。

外罩组件100包括联接在底座110和塔架12之间的至少一个滑动垫162。更具体地，在该示例性实施例中，滑动垫162大体上是圆柱形的，并包括联接在塔架12的内表面140周围的多个段164。段164在内表面140周围周向地联接，使得段164大体上包围底座110。滑动垫162构造成当底座110相对于塔架12移动时(例如，当底座110绕偏航轴线34相对于塔架12旋转时)减少底座110和塔架12之间的摩擦。此外，滑动垫162构造成维持相对于偏航轴线34倾斜地和/或大体上垂直地定向的推力166。同样地，滑动垫162的段164构造成减少沿滑动垫162的摩擦并维持推力166。在该示例性实施例中，滑动垫162由自动润滑固体材料，例如特氟纶、尼龙、聚酰胺和/或碳构成，和/或由弹性加压垫构成。弹性垫可以用增压介质，例如油、任何合适的液体、诸如沙和/或炭粉的细粒介质和/或诸如空气的气体来增压。此外，用增压介质填充的各个段164在其中包括孔以单独地用增压介质填充各个段164，和/或从各个段164单独地清空至少一部分增压介质。在该示例性实施例中，滑动垫162包括所有固体材料段、所有柔性垫段或固体材料段和柔性垫段的结合。

滑动垫162通过上支撑件168和下支撑件170支撑和/或紧固到塔架12上。在一个实施例中，上支撑件168和/或下支撑件170与塔架12一体地形成为单一件。在一个备用实施例中，上支撑件168和/或下支撑件170与塔架12分开形成，并使用任何合适的紧固装置和/或技术联接到塔架12上。在该示例性实施例中，滑动垫162定位于上支撑件168和下支撑件170之间，以便至少一部分滑动垫162的内表面172接近底座110。如本文使用的一样，用语“接近”指的是风力涡轮机10的一个部件定位成接近和/或直接与风力涡轮机10的另一个部件相接触。同样地，在该示例性实施例中，滑动垫162的内表面172定位成接近和/或直接接触底座110。此外，在该示例性实施例中，上支撑件168和/或下支撑件170可从塔架12去除，以便于接近滑动垫162的段。尽管在图2中未示出，但外罩组件100可包括构造成收集轴承和/或齿轮流体的平底集脂器。

为了构造包括外罩组件100的风力涡轮机10，在上支撑件168和下支撑件170之间将滑动垫162联接到塔架12上。外齿轮148至少联接到支撑凸缘138的内表面150上。偏航轴承102相对于中心轴承保持器144定位于支撑凸缘138上。至少一个马达160联接到底座110上，并且内齿轮156联接到马达160上。包括马达160和内齿轮156的底座110定位于偏航轴承102上，使得内齿轮156与外齿轮148接合。此外，底座110定位在偏航轴承102上，使得滚子118相对于塔架12旋转地支撑底座110。当底座110定位于偏航轴承102上时，底座110的一部分接近滑动垫162。当滑动垫162包括增压介质时，滑动垫162的各个段164填充有处于预定压力下的增压介质段164。

在风力涡轮机10的运行期间，马达160用来控制外罩组件100的偏航。更具体地，为了改变外罩组件100的偏航，马达160相对于外齿轮148旋转内齿轮156，从而旋转底座110。底座110通过偏航轴承102内的滚子118的旋转而相对于塔架12旋转。此外，不论底座110是否相对于塔架12旋转，滚子118的截头圆锥体形状都减少了底座110相对于塔架12的横向运动。更具体地，底座110的部分136与滚子118接触，使得滚子118反作用由底座110施加给滚子118的侧向推力166。此外，当底座110相对于塔架12侧向移动时，滑动垫162吸收由底座110所施加的推力166。更具体地，当底座110相对于塔架12侧向移动时，当底座110接触滑动垫162时，力166由滑动垫162反抗。因为滑动垫162包括低摩擦材料，当底座110与滑动垫162接触时，底座110可绕偏航轴线34旋转，大体上不引起对塔架12的底座110和/或内表面140的磨损。

在风力涡轮机10的构造和/或维护期间，滑动垫162的各个段164可以独立于滑动垫162的其它段164而移除、替换和/或调整，以便不需要移除、替换和/或调整整个滑动垫162。更具体地，当段164由固体材料形成时，至少一个段164从外罩组件100中移除以进行维护。当段164包括增压介质时，至少一个段164清空或部分地清空增压介质，以能够在段164上执行维护和/或移除段164。

图4是可与风力涡轮机10(在图1中示出)一起使用的第一备选外罩组件200的横断面示意图。外罩组件200大体上类似于外罩组件100(在图2中示出)，除了外罩组件200包括圆柱形滚子218而不是截头圆锥体滚子118。同样地，类似部件用类似标号标示。

更具体地，在该示例性实施例中，外罩组件200包括具有大体上圆柱形的滚子218的偏航轴承102。此外，外罩组件200包括大体上圆柱形的与滚子218的形状对应的中心轴承保持器244。更具体地，中心轴承保持器244联接到支撑凸缘138和/或塔架12上，或与支撑凸缘138和/或塔架12一体形成为单一件。中心轴承保持器244的内表面252定位成接近滚子218的外表面274。中心轴承保持器244也可用作滑动垫162的下支撑件，并且同样地，中心轴承保持器244的上表面276定位成接近滑动垫162的下表面278。备选地，外罩组件200包括下支撑件170(在图2中示出)，该下支撑件170与中心轴承保持器144分开。在风力涡轮机10运行期间，圆柱形滚子218大体上不实质上对抗底座110相对于塔架12的横向移动。然而，滑动垫162对抗底座110相对于塔架12的横向移动。

图5是可与风力涡轮机10(在图1中示出)一起使用的第二备选外罩组件300的横断面示意图。外罩组件300大体上类似于外罩组件100(在图2中示出)，除了外罩组件300包括保持装置380。同样地，类似部件用类似标号标示。

更具体地，保持装置380从底座110的下表面382向下延伸。保持装置380联接到底座110上，或与底座110一体形成为单一件。保持装置380包括联接到底座110上或与底座110一体形成为单一件的中心部分384。大体上圆柱形的部分386从中心部分384向下延伸通过偏航轴承102的中心开口124(在图3中示出)。在上末端388处，圆柱形部分386联接到中心部分384上，或与中心部分384一体形成为单一件。在该示例性实施例中，圆柱形部分386从中心部分384延伸超出支撑凸缘138的下表面390，使得圆柱形部分386的下末端392比支撑凸缘138的下表面390更接近支撑表面14(在图1中示出)。

此外，在该示例性实施例中，大体上圆形的臂394从圆柱形部分386的下末端392径向地向外延伸。更具体地，臂394在内齿轮156的下表面396、外齿轮148的下表面398和支撑凸缘138的下表面390的下方。臂394具有大体上平的上表面393和/或大体上平的下表面395。备选地，或另外地，上表面393和/或下表面395可大体上平行于支撑凸缘138的下表面390。

在风力涡轮机10的运行期间，保持装置380将外罩组件300紧固到塔架12上。更具体地，如果外罩组件300开始向上和/或横向地离开塔架12，则保持装置380的臂394接触下表面390、396和/或398，以将底座110紧固到塔架12上。此外，臂394也能收集轴承和/或齿轮流体。

本文所描述的外罩组件也可用在双转子风力涡轮机应用中。更具体地，在同轴逆向旋转的风力涡轮机中，各个转子的转矩是不同的。然而，上述外罩组件有助于消除双转子风力涡轮机的主机座上的转矩差异。此外，当一个转子逆风而另一个转子顺风时，本文所描述的外罩组件补偿不同的重量和/或挠矩。

上述的实施例有助于横向地支撑挠矩和/或扭矩，并有助于将外罩的重量支撑在平的或锥形的轴承或滑动环上。本文所描述的偏航轴承不需要偏航制动器和/或高精度的加工和/或制造。此外，本文所描述的实施例包括至少一个滑动垫，其与外罩的底座接触并包括低摩擦材料。上述的滑动垫在横向地支撑外罩的同时，允许外罩相对于塔架旋转。此外，滑动垫被分段以允许不需要移除、替换和/或调整整个滑动垫而移除、替换和/或调整滑动垫的段。

此外，上述的实施例提高了冷却效率，与包括传统的回转轴承和/或滑动轴承的偏航系统相比提供了更稳定的偏航系统，并且与包括高精度加工和/或制造的轴承相比降低了风力涡轮机的成本。

上文详细地描述了风力涡轮机的示例性实施例及其装配方法。该方法和组件不限于本文所描述的具体的实施例，相反，组件的部件和/或方法的步骤可单独地且与本文所描述的其它部件和/或步骤分开地使用。例如，方法也可与其它偏航系统和方法结合使用，并且不限于仅通过本文所描述的风力涡轮机和方法实施。相反地，示例性实施例可与许多其它偏航和/或旋转应用结合而实施和使用。

尽管本发明不同实施例的具体特征可在一些图中示出，而不在其它图中示出，这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征结合而被参考和/或要求保护。

本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果它们具有没有不同于权利要求的文字语言的结构元件，或如果它们包括具有无实质不同于权利要求的文字语言的等效结构元件，则这种其它示例意在属于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种外罩组件(100，200，300)，包括：

底座(110)；

从塔架(12)延伸的支撑凸缘(138)；以及

联接在所述底座和所述支撑凸缘之间的偏航轴承(102)，所述偏航轴承包括多个水平定向的滚子(118)，所述滚子构造成支撑在其上的所述底座。

2.根据权利要求1所述的外罩组件(100，200，300)，其特征在于，所述外罩组件还包括联接在所述底座(110)和所述塔架的内表面(140)之间的滑动垫(162)，所述滑动垫包括固体材料和增压垫中的至少一个，所述增压垫构造成将增压介质保持在其中。

3.根据权利要求1所述的外罩组件(100，200，300)，其特征在于，所述外罩组件还包括联接到所述支撑凸缘(138)上的外齿轮(148)。

4.根据权利要求1所述的外罩组件(100，200，300)，其特征在于，所述外罩组件还包括：

联接到所述底座(110)上的马达；以及

联接到所述马达上的内齿轮(156)，所述内齿轮和所述马达构造成相对于所述塔架(12)旋转所述底座。

5.根据权利要求1所述的外罩组件(100，200，300)，其特征在于，所述外罩组件还包括从所述主体延伸的保持装置(380)，所述保持装置构造成接触所述支撑凸缘(138)，以将所述底座(110)紧固到所述塔架(12)上。

6.根据权利要求1所述的外罩组件(100，200，300)，其特征在于，所述外罩组件还包括联接到所述支撑凸缘(138)上的中心轴承保持器(144，244)，所述中心轴承保持器构造成相对于所述支撑凸缘紧固所述偏航轴承(102)。

7.根据权利要求1所述的外罩组件(100，200，300)，其特征在于，所述多个水平定向的滚子包括多个截头圆锥体形状的滚子(118)。

8.根据权利要求1所述的外罩组件(100，200，300)，其特征在于，所述多个水平定向的滚子包括多个圆柱体形状的滚子(218)。

9.根据权利要求1所述的外罩组件(100，200，300)，其特征在于，所述偏航轴承(102)是开口针式回转轴承。

10.一种风力涡轮机(10)，包括。

联接到支撑表面(14)上的塔架(12)；和

联接到所述塔架上的外罩组件(100，200，300)，所述外罩组件包括：

底座(110)；

从所述塔架延伸的支撑凸缘(138)；和

联接在所述底座和所述支撑凸缘之间的偏航轴承(102)，所述偏航轴承包括多个水平定向的滚子(118)，所述滚子构造成支撑在其上的所述底座。

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