CN102439291A - 风力涡轮机发电机和用于风力涡轮机发电机的滚动轴承 - Google Patents

风力涡轮机发电机和用于风力涡轮机发电机的滚动轴承 Download PDF

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Abstract

为了提供用于风力涡轮机的滚动轴承和风力涡轮机，其即使在滚动轴承在内环和外环保持相对静止的同时承受大载荷时也能防止润滑状况的恶化，本发明的风力涡轮机发电机(1)用于支撑第一构件(4)和相对于第一构件旋转的第二构件(2)，包括：其上固定第一构件的内环(40)；其上固定第二构件的外环(42)；中心环(50)，设置在内环和外环之间并能够独立于内环和外环旋转；滚动元件(44)，以滚动元件能够自由滚动的方式设置在轴承环之间；以及用于使中心环(50)旋转的中心环驱动部件。

Description

风力涡轮机发电机和用于风力涡轮机发电机的滚动轴承
技术领域
本发明涉及承受风力涡轮机发电机的高静载荷的滚动轴承和采用该滚动轴承的风力涡轮机发电机。 
背景技术
风力涡轮机发电机通常由用于接收风的桨叶连接至其上的转子毂、用于将转子毂的旋转传递至发电机侧的旋转轴、塔架以及用于容纳旋转轴、发电机和类似物的短舱组成。 
在风力涡轮机发电机中，使用多种滚动轴承，如用于支撑短舱基座使得短舱基座可以旋转的轴承，以及用于支撑桨叶以便可以调整桨叶的桨距的轴承。 
该风力涡轮机发电机暴露至诸如强风之类的天气，因此滚动轴承承受大载荷。而且，从有效发电的观点看，鼓励制造较大的风力涡轮机发电机，并且风力涡轮机发电机的滚柱轴承上的载荷变大。 
为了对这种大载荷采取措施，专利文献1提出了一种滚柱轴承，其具有用于支撑桨叶的内环、中心环和外环，以便可以调整桨叶的桨距。在该滚动轴承中，桨叶固定到其上的中心环由内环和外环从两个表面支撑，以便使滚动轴承的载荷不同。 
[专利文献] 
[专利文献1]US 2008/0199315 
发明内容
同时，滚动轴承通常在旋转时承受载荷，因此在轴承环和滚动元件之间维持润滑状态。然而，关于用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，轴承环和滚动元件之间的润滑状况可能会由于下述原因而恶化。 
在风力涡轮机发电机中，根据风况，可能不能在长的时间周期内进行 桨距控制，并且轴承的内环和外环在长的时间周期内彼此相对保持静止。当轴承在内环和外环彼此相对保持静止时承受大载荷时，所述大载荷使润滑油从轴承环(内环·外环)和滚动元件之间的空间流出，并且轴承的润滑状况恶化。 
在这点上，专利文献1中披露的滚动轴承通过由内环和外环从其两侧支撑桨叶固定到其上的中心环而改善其耐用性，因为分散了轴承上的载荷。然而，对由轴承上的大载荷引起的润滑状况的恶化没有采取措施，同时桨叶的桨距是恒定的(桨叶的螺距角相对于转子毂静止)。 
而且，为了将轴承保持在润滑状态，可行的是转动短舱或规则地改变桨叶的桨距，但短舱的不必要的转动或不必要的桨距控制会降低发电效率。 
考虑到上述问题，本发明的目标是提供用于风力涡轮机的滚动轴承和风力涡轮机，即使在滚动轴承在内环和外环保持相对静止同时承受大载荷时，其也能防止润滑状况恶化。 
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，用于支撑第一构件和相对于第一构件旋转的第二构件，该滚动轴承包括：内环，第一构件固定至该内环；外环，第二构件固定至该外环；中心环，设置在内环和外环之间并且能够独立于内环和外环旋转；滚动元件，以滚动元件能够自由滚动的方式设置在内环和中心环之间以及中心环和外环之间；和用于使中心环旋转的中心环驱动部件。 
在该滚动轴承中，能够独立于内环和外环旋转的中心环设置在内环和外环之间，并由中心环驱动部件旋转，使得设置在内环和中心环之间以及中心环和外环之间的滚动元件在中心环旋转时滚动。因此，即使在轴承的内环和外环保持相对静止且轴承承受大载荷时，通过旋转中心环，也能避免轴承环和滚动元件之间的润滑状态变坏。 
而且，设置在内环和外环之间的中心环可以独立于具有固定到其上的内环和具有固定到其上的外环旋转，因此由中心环驱动部件进行的中心环的旋转不影响内环和外环以及固定至内环和外环的第一构件和第二构件。因此，不需要进行不必要的导致降低发电效率的短舱转动或桨叶的桨距控制。 
在用于风力涡轮机发电机的滚动轴承中，优选地还包括用于控制中心环驱动部件以在第一构件相对于第二构件在预定的时间周期内保持静止时旋转中心环的控制部件。在这里，代替使中心环不间断地旋转，控制部件控制使得中心环在需要时旋转。 
以这种方式，当第一构件相对于第二构件在预定时间周期内保持静止时，中心环驱动部件使中心环旋转以降低驱动中心环要求的能量。 
在上述用于风力涡轮机发电机的滚动轴承中，中心驱动单元可以包括将动力供给至驱动轴的动力源和将已经从驱动轴输出的动力传递至中心环的齿轮传动机构。 
所述动力源为用于将动力供给至驱动轴的组成元件，并且可以不限制其物理、机械或电学配置，如其能量类型、供给方法和驱动轴的结构。该动力源例如可以为根据从外电源或发电机获得电力运行的电动机。 
本文中的齿轮传动机构可以为传递动力的齿轮组，且不限于其物理或机械配置。用作齿轮传动机构的齿轮例如可以为斜齿轮、人字齿轮、齿条、锥齿轮、冠状齿轮、蜗轮或准双曲面齿轮。 
例如，中心环可以具有沿轴向方向相对于内环和外环突出的凸起部，并且齿轮传动机构包括固定至中心环驱动部件的驱动轴的第一齿轮和形成在中心环的凸起部的内或外圆周上且与第一齿轮啮合的第二齿轮。 
可替换地，齿轮传动机构可以包括固定至驱动轴的蜗轮和沿中心齿轮的轴向方向形成在中心齿轮的端面上且与蜗轮啮合的另一齿轮。 
在风力涡轮机发电机的滚动轴承用于支撑桨距控制的情况中，第一构件和第二构件中的一个为桨叶且另一个为转子毂。 
在风力涡轮机发电机的滚动轴承用作短舱转动部件的情况中，第一构件和第二构件中的一个为直立安装在基座上的塔架且另一个为短舱。 
在该风力涡轮机发电机中，如上所述，滚动轴承构造为使得能够独立于内环和外环旋转的中心环设置在内环和外环之间，并由中心环驱动部件旋转。因此，设置在内环和中心环之间以及中心环和外环之间的滚动元件在中心环旋转时滚动。因此，即使在轴承的内环和外环保持相对静止且轴承承受大载荷时，也能避免轴承环和滚动元件之间的润滑状态变坏。 
而且，设置在内环和外环之间的中心环可以独立于具有固定到其上的 第一构件的内环和具有固定到其上的第二构件的外环旋转，并且因此由中心环驱动部件进行的中心环的旋转不影响内环和外环以及固定至内环和外环的第一构件和第二构件。因此，不需要进行不必要的导致降低发电效率的短舱转动或桨叶的桨距控制。 
有益效果 
根据本发明，能够独立于内环和外环旋转的中心环设置在内环和外环之间，并由中心环驱动部件旋转，使得设置在内环和中心环之间以及中心环和外环之间的滚动元件在中心环旋转时滚动。因此，即使在轴承的内环和外环保持相对静止且轴承承受大载荷时，也能避免轴承环和滚动元件之间的润滑状态变坏。 
而且，设置在内环和外环之间的中心环可以独立于具有固定到其上的第一构件的内环和具有固定到其上的第二构件的外环旋转，并且因此由中心环驱动部件进行的中心环的旋转不影响内环和外环以及固定至内环和外环的第一构件和第二构件。因此，不需要进行不必要的导致降低发电效率的短舱转动或桨叶的桨距控制。 
附图说明
图1示出了风力涡轮机发电机的总体结构。 
图2为示出旋转轴和发电机的侧视图。 
图3为作为旋转轴和中心环驱动部件的示例性结构的短舱转动部件的截面图。 
图4为采用蜗轮传动机构作为中心环驱动部件的情况中的顶视图。 
图5为示出桨距控制机构的滚动轴承的示例性结构的截面图。 
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的优选实施方式。然而，意图是除非特别指定，尺寸、材料、形状、其相对位置和类似物应当解释为仅是图示性的，而不是限制本发明的保护范围。 
图1为关于本发明的一种实施方式的风力涡轮机发电机的总体结构。 如图1所示，风力涡轮机发电机1主要包括设置为直立在基座B上的塔架2、设置在塔架2的上端的短舱4、设置在短舱4上的旋翼毂6、以及连接至旋翼毂6的多个桨叶8。 
如图1所示，塔架2具有从基座B向上(向图1的上端)延伸的柱状形状。塔架2例如可以由单个柱状构件制造，或者由沿直立方向对齐且彼此连接的多个部件制造。如果塔架2由多个部件制成，则短舱4设置在位于塔架2顶部的部件上。 
短舱4支撑旋翼毂6并容纳传动装置10和发电机18等等。 
图2示出了短舱4内部的传动装置10和发电机18的详图。传动装置10包括连接至旋翼毂6的转子毂6A的主轴12、连接至主轴12的变速箱14以及将变速箱14联接至发电机18的联接器16。在风力涡轮机发电机1中，当桨叶8接收风时，主轴12与转子毂6A一起旋转，主轴12的旋转由变速箱14加速，随后经由联接器16输入至发电机18。而且，在短舱4下方，短舱转动机构20设置为相对于塔架2转动短舱4。 
图3图示了当本发明应用于短舱转动机构20时的示例性结构。 
短舱转动机构20包括偏航马达22，由偏航马达22的驱动旋转的小齿轮24以及与小齿轮24啮合的齿轮26，如图3所示。而且，在短舱转动机构20中，短舱4经由滚动轴承29以短舱能够相对于塔架2自由转动的方式固定至塔架2。 
滚动轴承29包括内环40和外环42，其为具有相同旋转轴的轴承环。在内环40的内圆周上，齿轮26形成为与小齿轮24啮合，并且内环40经由螺栓47A固定至塔架2，外环42经由另一个螺栓47B固定至短舱4。 
短舱4经由具有上述结构的滚动轴承29牢固地连接至塔架2，以便在偏航马达启动时，动力从小齿轮24传递至齿轮26，并且固定至滚动轴承29的外环42的短舱相对于固定至滚动轴承29的内环40的塔架转动。而且，偏航马达22由用于控制短舱的旋转的控制器60控制。此时，偏航马达22被致动以转动短舱4。 
在本实施方式中，即使在内环40和外环42彼此相对静止且承受大载荷的状态中，从保持滚动轴承29被润滑的观点看，中心环50设置在内环40和外环42之间。中心环50可以独立于内环40和外环42旋转并由中心环驱动部 件旋转。 
中心环50为具有与内环40和外环42相同的旋转轴的轴承环，并且不固定至内环40或外环42，以独立于内环40和外环42自由旋转。 
在内环40和中心环50之间以及还在中心环50和外环42之间，凹槽45设置为以滚珠44能够在其中自由滚动的方式容纳滚珠44。滚珠44为响应于每个轴承环的旋转而滚动的滚动元件的例子，并且可以由滚子代替。 
在每个轴承环之间的空间中，即，在围绕滚珠44的空间中，填充滑润剂46。任何试剂都可以用作滑润剂，只要它可以在滚珠44的表面上形成润滑涂层，并且可以降低每个轴承环之间的摩擦，油脂是它们中的一种。例如，润滑油可以用作润滑剂。 
不限制滚动轴承29的中心环驱动部件的结构，只要它能够使滚动轴承29的中心环50旋转。例如，它可以为用于驱动中心环的马达52，其经由主要包括第一齿轮54和第二齿轮56的“齿轮传动机构”将动力供给至中心环50。 
在这里，第一齿轮54固定至用于驱动中心环的马达52的驱动轴，而第二齿轮56设置在中心环50的外圆周上。 
第二齿轮56形成在中心环50的沿轴向方向突出的凸起58(相对于内环和外环突出的凸起)的外圆周上。图3图示了这种例子，第二齿轮56为形成在中心环50的凸起58的外圆周上的外齿轮，但第二齿轮56可以形成为形成在凸起58的内圆周上的内齿轮。通过在凸起58上设置第二齿轮56，可以有效地设置齿轮传动机构，而不阻碍其它轴承环(如内环40和外环42)的旋转。 
以这种方式，用于驱动中心环的马达52使中心环50旋转，以便滚珠44响应于中心环50的旋转滚动，并且滑润剂46可以恢复润滑状态。如上所述，可以独立于内环40和外环42驱动中心环50，并且因此，通过单独驱动中心环50可以将滚动轴承29仍然维持在润滑状态，即使在内环40和外环42不旋转时，如，当由风力涡轮机发电机1接收到的风况不改变时，以及短舱4不需要转动时。 
用于驱动中心环的马达52可以总是继续运转，但从将润滑状态维持到最小必须的观点来看，优选的是打开和关闭马达52。例如，优选的是由诸 如定时开关之类的日历定时器规则地启动马达52，或者仅在预计滚动轴承29的润滑状态变坏时由控制器(控制单元)60启动马达52。 
特别地，优选的是采用控制器60控制马达52，以在将短舱保持静止预定时间周期时使中心环50旋转。此时，除了短舱保持静止长的时间周期且预计润滑状态变坏的时间之外，用于驱动中心环50的马达52不启动，导致不浪费能量。 
同时，第二齿轮56可以设置在中心环50的外圆周的一部分上。也即是说，第二齿轮56不是必须设置在中心环50的整个圆周上。在这种情况中，通过由马达52使第一齿轮54往复运动，中心环50顺时针和逆时针旋转。 
而且，图3示出了设置在中心环50的沿轴向方向突出的凸起58上的第二齿轮56的例子，但第二齿轮56可以设置在中心环50的沿其轴向方向的端面上。 
图4为示出齿轮传动机构的示例性结构的顶视图，其中第二齿轮56沿中心齿轮50的轴向方向设置在中心齿轮50的端面上。在图4的齿轮传动机构中，第二齿轮56沿中心环50的轴向方向设置在中心环50的端面上，蜗轮54’固定至用于驱动中心环的马达52的驱动轴，以与第二齿轮56啮合。 
在该优选实施方式中，内环40由螺栓47A固定至塔架2，外环42由螺栓47B固定至短舱4，但是，通过由螺栓将外环42固定至塔架2并由螺栓将内环40固定至短舱4来颠倒这种结构对本领域技术人员来说是明显的。 
以这种方式，在关于本实施方式的风力涡轮机发电机1中，即使在内环40和外环42彼此相对静止且承受大载荷时，也能够通过仅旋转中心环50将滚动轴承29保持为润滑状态。 
而且，在图1和图2示出的风力涡轮机发电机1中，旋翼毂6以旋翼毂可以在水平轴线附近旋转的方式固定至短舱4，并且包括桨叶固定到其上的转子毂6A和覆盖转子毂6A的毂罩6B。 
而且，如图2所示，转子毂6A具有桨距控制机构30，其用于通过围绕桨叶8的轴线(在图2中用箭头指示的方向)转动桨叶8而调整桨叶8的螺距角。 
如图2所示，桨距控制机构30包括汽缸32和连接至桨叶8的轴34。在桨距控制机构30中，为了调整桨叶8的桨距，桨叶8经由滚动轴承36可旋转地固定至转子毂6A。 
图5为示出用于将桨叶8支撑至转子毂6A的滚动轴承36的示例性结构的截面图。在这里，相同的附图标记用于描述与第一滚动轴承29(具体地，滚珠44和滑润剂46)相同的元件，且将不再进一步说明它们。 
如图5所示，滚动轴承36包括内环70和外环72，其为具有相同旋转轴的轴承环，内环70由螺栓77固定至桨叶，外环72由螺栓78固定至转子毂6A。 
桨叶8经由滚动轴承36固定至转子毂6A，以便在图2中示出的轴34由图2中示出的汽缸32旋转时，桨叶8固定到其上的内环70相对于转子毂6A固定到其上的外环72旋转，以改变桨叶8的桨距。 
在本实施方式中，即使在内环70和外环72彼此相对静止且承受大载荷时，从保持滚动轴承36被润滑的观点看，在内环70和外环72之间设置中心环80以及用于使中心环80独立于内环70和外环72旋转的中心环驱动部件。 
中心环80为具有与内环70和外环72相同的旋转轴的轴承环，并且不固定至内环70或外环72，以独立于内环70和外环72自由旋转。 
不限制滚动轴承36的中心环驱动部件的结构，只要它能够使滚动轴承36的中心环80旋转。例如，如图5所示，它可以为用于驱动中心环的马达82，其经由主要包括第一齿轮84(小齿轮)和第二齿轮86(内齿轮)的“齿轮传动机构”将动力供给至中心环80。 
在这里，第一齿轮84固定至用于驱动中心环的马达82的驱动轴，而第二齿轮86设置在中心环80的外圆周上。 
第二齿轮86(内齿轮)形成在中心环80的沿轴向方向突出的凸起88(相对于内环和外环突出的凸起)的外圆周上。图5图示了这种例子，第二齿轮86为形成在中心环80的凸起88的内圆周上的内齿轮，但第二齿轮86可以形成为形成在凸起88的外圆周上的外齿轮。通过在凸起88上设置第二齿轮56，可以有效地设置齿轮传动机构，而不阻碍其它轴承环，如内环70和外环72的旋转。 
用于驱动中心环80的马达82可以总是继续运转，但从节能的观点来看，优选的是打开和关闭马达82。例如，优选的是由诸如定时开关之类的日历定时器规则地启动马达82，或者仅在预计滚动轴承36的润滑状态变坏时由控制器(控制单元)60启动马达82。 
特别地，优选的是采用控制器60控制马达82，以在桨叶8的桨距在预 定时间周期内不变时使中心环80旋转。此时，除了桨叶8的桨距已经在长的时间周期内未变且预计润滑状态变坏的时间之外，用于驱动中心环50的马达82不启动，导致不浪费能量。 
而且，第二齿轮86可以设置在中心环80的整个圆周上，或者部分地设置在外圆周或内圆周上。在这种情况下，通过由用于中心环80的马达82使第一齿轮84往复运动，中心环80顺时针和逆时针旋转。 
作为用于使中心环80旋转的齿轮传动机构的示例性结构，在本实施方式中，以及描述了其中第一齿轮84由小齿轮形成且第二齿轮86由内齿轮形成的情况，但不限于此。可以使用多种齿轮，如蜗轮。 
在该优选实施方式中，内环70由螺栓77固定至桨叶8，外环72由螺栓78固定至转子毂6A，通过由螺栓将外环72固定至桨叶8并由螺栓将内环70固定至转子毂6A来颠倒这种结构对本领域技术人员来说是明显的。 
以这种方式，在关于本实施方式的风力涡轮机发电机1中，即使在内环70和外环72彼此相对静止且承受大载荷时，也能够通过仅旋转中心环80将滚动轴承36保持为润滑状态。 
虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但将会理解，本发明不限于公开的示例性实施方式，在随附权利要求的保护范围内，多种修改和变形是可行的。 
在本文中说明了用于将滚动轴承(29和36)分别应用于短舱转动机构20和桨距控制机构30的优选实施方式，该滚动轴承具有中心环(50和80)和用于驱动中心环(50和80)的中心环驱动部件。然而，例如，可行的是，采用滚动轴承29和36中的一个，或者在相对旋转的两个构件(第一构件和第二构件)之间设置具有类似于滚动轴承29和36的结构的轴承。 
符号说明 
1        风力涡轮机发电机 
2        塔架 
4        短舱 
6        旋翼毂 
8        桨叶 
10        传动装置 
12        主轴 
14        变速箱 
16        联接器 
18        发电机 
20        短舱转动机构 
22        偏航马达 
24        小齿轮 
26        齿轮 
28        偏航制动器 
29        滚动轴承 
30        桨距控制机构 
32        汽缸 
34        轴 
36        滚动轴承 
40        内环 
42        外环 
44        滚珠 
46        滑润剂 
50        中心环 
52        用于驱动中心环的马达 
54        第一齿轮 
56        第二齿轮 
58        凸起 
60        控制器 
70        内环 
72        外环 
80        中心环 
82        用于驱动中心环的马达 
84        第一齿轮 
86        第二齿轮 
88        凸起 

Claims (8)

1.一种用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，用于支撑第一构件和相对于第一构件旋转的第二构件，该滚动轴承包括：
内环，第一构件固定至该内环；
外环，第二构件固定至该外环；
中心环，设置在内环和外环之间并且能够独立于内环和外环旋转；
滚动元件，以滚动元件能够自由滚动的方式设置在内环和中心环之间以及中心环和外环之间；和
用于使中心环旋转的中心环驱动部件。
2.根据权利要求1所述的用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，还包括：
控制部件，用于控制中心环驱动部件，以在第一构件相对于第二构件在预定的时间周期内保持静止时旋转中心环。
3.根据权利要求1或2所述的用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，其中，中心驱动部件包括将动力供给至驱动轴的动力源和将已经从驱动轴输出的动力传递至中心环的齿轮传动机构。
4.根据权利要求3所述的用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，其中，中心环具有沿轴向方向相对于内环和外环突出的凸起部，并且
其中齿轮传动机构包括固定至中心环驱动部件的驱动轴的第一齿轮和形成在中心环的凸起部的内或外圆周上且与第一齿轮啮合的第二齿轮。
5.根据权利要求3所述的用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，其中齿轮传动机构包括固定至驱动轴的蜗轮和沿中心齿轮的轴向方向形成在中心齿轮的端面上且与蜗轮啮合的另一齿轮。
6.根据权利要求1、2和4中任一项所述的用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，其中第一构件和第二构件中的一个为桨叶且另一个为转子毂。
7.根据权利要求1、2和4中任一项所述的用于风力涡轮机发电机的滚动轴承，其中第一构件和第二构件中的一个为直立安装在基座上的塔架且另一个为短舱。
8.一种风力涡轮机发电机，包括：
权利要求1、2、4和5中任一项的滚动轴承；
第一构件，固定至滚动轴承的内环；和
第二构件，固定至滚动轴承的外环并相对于第一构件旋转。
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