CN102472253B - 风力涡轮机主轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了风力涡轮机主轴承（1），其被实现为承载风力涡轮机（10）的轴（13），由连接到轴（13）的多个叶片（11）导致轴旋转，特征在于风力涡轮机主轴承（1）包括流体轴承（1），流体轴承具有围绕轴（13）设置的多个轴承垫（2）。本发明还描述了一种风力涡轮机（10），其包括连接到轴（13）且被实现为使轴（13）旋转的多个叶片（11），该风力涡轮机（10）包括作为主轴承（1）的风力涡轮机主轴承（1）。本发明还描述了在根据权利要求12至14中任一项所述的风力涡轮机（10）上进行维护的方法，包括步骤：停止轴（13）的旋转；操作升降设置（22）来抬升轴（13）；以及从风力涡轮机主轴承（1）的轴承壳体（3）去除风力涡轮机主轴承（1）的轴承垫（2）。

Description

风力涡轮机主轴承
技术领域
本发明描述了风力涡轮机主轴承。本发明还描述了具有风力涡轮机主轴承的风力涡轮机以及对风力涡轮机进行维护的方法。
背景技术
在用于产生电能的风能转换器（也被称为风力发电机）中使用的风力涡轮机对于从可再生资源中获得能量具有宝贵的贡献。风能转换器能够在内陆，即基于陆地的，或者在近海，即构造在沿海区域中。近海涡轮机在性能上优于内陆风力涡轮机，这是因为通常在海上盛行多风环境，而且根据其位置，基于陆地的风力涡轮机会承受持久的小风力时期且因而具有相对较低的动力输出。为此，建造了越来越多的近海涡轮机，并且近海涡轮机的数量预期在未来会继续增加。这些进展以及新型风力涡轮机具有更大的尺寸均导致了对于维修能力和稳固性的更大需求。显而易见的，近海涡轮机与基于陆地的或内陆涡轮机相比具有更大的维修成本。
目前使用了几种不同类型的风力涡轮机或风能转换器。许多使用的是毂和叶片处于其一端且变速箱处于另一端的主轴，不过还存在替代性设计。例如，Vestas 3MW V90使用结合的主轴承和变速箱，即变速箱被整合到主轴承，并且因此不具有主轴。另一风力涡轮机类型不具有变速箱，并且发电机低速旋转。这些风力涡轮机被称为“直接驱动发电机”并且因此不具有诸如此类的主轴。这些现有技术的风力涡轮机使用滚动体轴承作为主轴承来支撑转子和叶片，并且如果风力涡轮机具有主轴的话还支撑主轴。
典型的维修问题是更换不合格轴承，具体地是主轴承，其根据风力涡轮机的尺寸和风力情况而必须支撑非常大的动态负载。主轴承上的负载主要由叶片、毂和主轴的综合质量以及风速来确定。这些大的动态负载导致了风力涡轮机中相应的大的动态轴偏转。由涡轮机尺寸且因而叶片尺寸来确定风力涡轮机的最大旋转速度。具有较大叶片的较大涡轮机产生较小的最大旋转速度。例如现有2.0 MW涡轮机具有19 rpm的最大旋转速度，而3.6 MW涡轮机的最大旋转速度仅是13 rpm。在这些低速下，施加在主轴和主轴承上的动态负载会非常大，特别是在强风情况时，其中施加在轴承上的大约高于2 MN（兆牛顿）的最终力并不是罕见的。在起动或停机时，情况变得更加严峻，因为旋转速度极低，例如小于5 rpm，并且轴和主轴承之间的摩擦变得更大。明显地，轴承负载随着风力涡轮机尺寸的增加而增加。大型滚动体轴承对于材料品质非常敏感且需要正确处理和润滑，与这些问题相结合的工况使得滚子轴承或球轴承更倾向于在所需使用寿命期间失效。
因为较大的风力涡轮机由于其整体上更佳的系统效益而是理想的，所以轴承的使用寿命和性能在风力涡轮机设计中成为更加关键的方面，特别是对于近海风力涡轮机而言。常规滚子轴承与许多问题相关。滚子轴承必须被机加工至高精度，因为任何不规则均能够快速地导致材料失效。在风力涡轮机的主轴承中使用滚子轴承系统的另一个主要问题是与其维护相关的困难。例如滑动轴承或颈轴承（journal bearing）的替代方案与滚子轴承相比虽然对噪音和振动较不敏感，但是同样是不合适的，因为它们对于边缘负载不耐受，因为相对柔性的涡轮机结构的原因将产生该边缘负载。不可能在不首先拆除驱动系的情况下更换这样的轴承或轴承零件。需要适当的大型外部起重机来将毂、叶片、轴和轴承提升离开涡轮机。之后能够拆卸和更换轴承，并且之后部件必须被再次提升就位以便组装。具有必要提升能力的外部起重机导致了显著的附加成本，特别是对于近海风力涡轮机而言，因为必须通过船舶来（在良好天气情况下）运输外部起重机。
如技术人员将意识到的，在风能转换器中的这种维护过程是昂贵且耗时的，特别是在近海位置。而且，仅能够在小风力情况时执行这种维护。不过在近海位置，小风力情况会是非常罕见的。于是，具有损坏轴承的涡轮机必须被长期收拢直到风速减慢，在此期间涡轮机不能够用于产生电能。
简而言之，当前的轴承系统在用作风力涡轮机内的主轴承时不能令人满意地满足长久使用寿命和低维修的需求。
因此，本发明的目标是提供避免上述问题的用于风力涡轮机的改良轴承。
发明内容
本发明的目标通过根据权利要求1的风力涡轮机主轴承、根据权利要求12的风力涡轮机、根据权利要求15的在风力涡轮机上进行维护的方法以及通过根据权利要求16的将流体轴承作为风力涡轮机中的主轴的用法来实现。
根据本发明的风力涡轮机主轴承被实现为承载风力涡轮机的轴，由连接到轴的多个叶片来导致轴旋转，特征在于风力涡轮机主轴承包括具有绕轴设置的多个轴承垫的流体轴承。
本发明的风力涡轮机主轴承特别适用于承载轴、毂、叶片等的综合重量以及施加在这些部件上的动态负载。由于约束的结合，轴的最大许用旋转速度小。根据本发明的风力涡轮机主轴承被定尺寸且实现为用于如下的风力涡轮机中，即被实现为使轴以5 rpm - 25 rpm范围内的速度旋转，优选地以5-20 rpm范围内的速度旋转，且最优选地以5-15 rpm范围内的速度旋转。
流体轴承是支撑全部在薄的液体（通常是油）层上的负载的轴承。在下文中，术语“风力涡轮机主轴承”和“流体轴承”可以互换地使用而不以任何方式限制本发明。从诸如水力发电中使用的涡轮机中可以得知流体轴承。流体轴承还可以用于航海应用，例如船舶发动机和潜水艇推进器轴。不过，这些应用领域中使用的涡轮机是高速且低负载的应用，即转子以数百rpm的高速旋转，而施加在主轴承上的负载通常较小且是恒定的，这是由于水流具有更加恒定的属性，且这样的涡轮机极少经历起动或停机过程。不过在风能转换器中，工况是非常不同的，如背景技术部分指出的，包括低旋转速度、高负载和频繁的起动和停机。因为这些原因，在内陆和近海位置使用的现有技术的风力涡轮机尚未使用流体轴承作为主轴承，而是依赖于常规轴承，如滚子轴承。
有利的是，因此，本发明用于风力涡轮机的流体轴承提供了更加合适的轴承类型，其与常规滚子轴承相比更不易于轴承失效，且同时显著地更易于维护。例如，流体轴承的垫能够相对容易地被去除或插入，而不必须拆卸驱动系，而在滚子轴承的情况下则必须要拆卸驱动系以便通达到轴承。
在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，术语“风力涡轮机”可以被理解为指的是内陆或近海风能转换器。因为根据本发明的风力涡轮机能够包括主轴和变速箱，或者能够是直接驱动发电机，所以术语“轴”和“主轴”可以互换地使用而不会以任何方式限制本发明，并且旨在指的是由主轴承支撑的旋转零件。
根据本发明的风力涡轮机包括流体轴承作为其主轴承，该流体轴承包括围绕风力涡轮机的转子轴设置的多个轴承垫。
在根据本发明的风力涡轮机中，在保持垫继续支撑负载的时候能够去除或插入个别垫。因此与维护滚子轴承相比，根据本发明的风力涡轮机中的这种流体轴承的维护是相当容易且快捷的，在滚子轴承的维护中，如背景技术中所描述的，驱动系必须首先通过起重机被提升且之后被拆卸以便通达到轴承。因此，因为根据本发明的风力涡轮机的流体轴承比直到现在为止现有技术的风力涡轮机中所用的常规轴承类型更加稳固，所以这样的风力涡轮机将需要更少的维护并且当需要维护时能够更快速且在更少劳力的情况下被执行。这些原因使得根据本发明的风力涡轮机特别有益于近海位置。因为与需要高精度机加工的常规滚子轴承相比，流体轴承的制造更加简明且经济，因此对于内陆位置而言，本发明的风力涡轮机也明显地是有吸引力的。
根据本发明，在这样的风力涡轮机上进行维护的方法包括如下步骤：停止轴的旋转；操作升降设置来抬升轴；以及从风力涡轮机主轴承的轴承壳体去除风力涡轮机主轴承的轴承垫。这种非常简明的方法与现有技术的风力涡轮机相比是令人满意的，具有滚子轴承作为主轴承的现有技术的风力涡轮机必须具有更加复杂的维护过程，并且需要外部起重机来从涡轮机拆开并提升毂、叶片、轴和轴承。之后，能够更换轴承并且之后所有部件必须被提升就位以便组装。在根据本发明的方法中，能够在不拆卸驱动系的情况下从轴承壳体容易地去除轴承垫。根据本发明的方法的明显优点在于减少了成本，因为不需要具有大提升能力的昂贵的外部起重机。而且，因为能够在不必须拆卸驱动系的情况下在根据本发明的主轴承上容易地实现维护，所以在维护期间稳定的小风速天气情况不是绝对必要的。因此，非常令人满意地减少了维护期间风力涡轮机长时间停机的风险。
如下面的描述所示的，通过从属权利要求给出了本发明的具体有利实施例和特征。
风能转换器的动力输出在很大程度上取决于其尺寸。大体而言，具有较长叶片且因而具有较大主轴的风力涡轮机能够产生更多的电能。因此，在本发明的优选实施例中，风力涡轮机主轴承被实现为承载具有至少40厘米直径（在主轴承的区域内）的轴，更优选地该直径至少50 cm，并且最优选地该直径至少80 cm。主轴承通常围绕轴的最大直径设置，通常处于毂端（直径可以朝向变速箱端显著减小）。例如，1.3 MW风力涡轮机在主轴承处能够具有大约55 cm的轴直径，而2.3 MW风力涡轮机在主轴承处可以具有大约80 cm的轴直径。3.6 MW风力涡轮机的主轴承处的轴甚至能够具有100 cm或更大的直径。根据本发明的流体轴承特别适用于承载这样的大型涡轮机的负载以及在工作期间施加的任意动态负载。根据本发明的且用作主轴承的流体轴承应当不会与在一些风力涡轮机中用于其他目的的常规流体轴承混淆，例如所述风力涡轮机也可以装备有例如在变速箱内或之外的常规流体轴承作为驱动组件的一部分，该常规流体轴承直径上非常小。这样的流体轴承的一种示例是Main Metall International AG制造的流体动力学“Norixlager”，其具有最大6 cm的内直径并且预计用于变速箱或发电机中的高旋转使用。如技术人员将知道的，这样的常规流体轴承不被设计成当主轴在风力涡轮机中以低旋转速度旋转时工作并且不能够承受风力涡轮机中产生的偏转。
流体轴承的轴承垫优选地被设置在外部容纳结构或主轴承壳体内。轴承垫可以在下文中被总体地称为“垫设置”。轴承壳体优选地被实现为还容纳用于润滑轴承的流体。这样的流体可以是具有例如ISO VG 46 - ISO VG 460粘度的适当的油或润滑剂。
在理想情况下，风能转换器的叶片导致转子绕其中心纵向轴线平缓旋转。不过，一些横向力也可施加在转子轴上，该转子轴会因为大的动态负载而在一定程度上运动且弯曲，并且流体轴承的轴承垫应该优选地能够适应这些运动。因此，根据本发明的流体轴承优选地被实现为使得轴承垫可倾斜以适应轴的偏转。在外部轴承壳体中存在大量可倾斜安装轴承垫的方式。例如，轴承垫和外部容纳结构可以实质上以“单件”方式来实现，例如通过柔性连接件将轴承垫连结到轴承壳体。
在本发明的优选实施例中，流体轴承的轴承垫包括枢轴承从而将轴承垫可倾斜地连接到轴承壳体。枢轴承能够包括针对每个轴承垫的球-窝设置（ball and socket arrangement），使得轴承垫的外表面包括窝槽，并且“球”或半球是外部容纳结构的一部分。这些流体轴承类型也被称为“倾斜垫流体轴承”（tilting-pad fluid bearing）。在下文中，为了简明，术语“流体轴承”和“倾斜垫流体轴承”可以被互换地使用而不以任何方式限制本发明。
根据本发明的流体轴承的轴承垫能够是形状对称的。可替代地，不对称形状可以是优选的。例如，轴承垫在横截面上可以呈现基本“不等边”三角形形状。轴承垫的这种形状可允许轴承垫更好地适应操作期间施加在主轴上的动态负载。
根据本发明的流体轴承能够被实现为流体静力学和/或流体动力学轴承。在作为流体动力学轴承操作期间，当转子运动时，润滑剂在轴承垫下方被汲取，该轴承垫由于流体压力而稍倾斜。“倾斜”程度取决于负载和旋转速度。当润滑剂或流体在轴承垫下方被汲取时，在轴承垫和转子之间产生加压流体的“楔”（wedge）。
此外，这样的流体动力学轴承在起动时会因为轴承垫和轴之间的大摩擦而经受增大的磨损，直到在轴承垫下方已经汲取了足够的润滑剂。这样的起动摩擦能够减少轴承的使用寿命。
因此，在本发明的优选实施例中，流体轴承被实现为流体静力学轴承并且优选地包括具有位于轴承垫的内表面上的多个腔室的轴承垫，其中腔室包括用于向轴承垫的内表面喷射流体润滑剂的流体入口。以此方式，能够在非常高压力下在轴承垫下方直接向主轴的表面喷射润滑剂，从而在这两个表面之间迫使形成润滑剂层，并且允许主轴甚至在起动时在理想的小摩擦下运动。因为在轴承垫和主轴之间喷射的高压流体导致轴承垫被流体膜抬升和支撑，所以压力更均匀地分布于垫，并且因此轴承垫的载重能力增加。最终，这可以延长轴承的使用寿命并且减少维护工作。在下文中，腔室还可以被称为“穴”或“凹槽”。
由于轴承垫和主轴之间的流体而导致的压力分布在轴承垫的内表面上是不均匀的，而是在朝向轴承垫的“后边缘”的区域内呈现最大压力区，这是由于轴和垫之间的相对旋转导致的。因此，在本发明的具体优选实施例中，基于轴承垫的内表面上的相对压力分布来选择腔室或穴在轴承垫的内表面上的位置。以此方式，能够在轴承表面上的理想位置处发生油喷射。最优选地，腔室或穴的位置与轴承垫的内表面上的低相对压力的区域一致或对应，以便当流体被喷射到这样的腔室内时，轴承垫的内表面上流体的总体压力更均匀地分布。能够通过计算轴承垫上的压力分布、将这个压力分布转换成多个“等压线轮廓”（isobar contour）并且确定低压等压线轮廓相对于轴承垫内表面的位置，从而确定低压区域。之后，腔室可以优选地被形成在轴承垫内表面上从而遵循等压线轮廓，更优选地遵循与低压区域对应的等压线轮廓，或者至少部分地与其一致。之后，流体能够被更加优化地喷射到轴承垫的内表面上。例如，在基本矩形轴承垫内表面的外部角隅区域中设置四个腔室的情况下，在风力涡轮机的起动期间和/或操作期间喷射到这些腔室中的流体导致压力基本均匀分布于轴承垫内表面，使得轴承垫承载的负载更均匀地分布。
明显地，根据本发明的风力涡轮机中所用的流体轴承可以被实现为混合轴承，其中一个或更多个垫包括如上所述的腔室以用于在高温时喷射流体，并且其中旋转主轴的自由表面上的流体同样在轴承垫的下方被汲取。
可以基于风力涡轮机的预期功能及其尺寸（例如能够基于其未来的位置以及其运转所处的工况）来选择轴承垫所用的材料。例如，在预计用于大动力产出且因而具有相应尺寸的风力涡轮机中，转子施加在轴承上的负载会非常大，大约2 MN。这些负载能够被预先计算，并且能够相应地选择材料。轴承材料的示例可以是硬化钢或抛光钢，或者具有白金属（也被称为“Babbitt”或“Babbitt金属”）薄涂层的钢。
在本发明的另一优选实施例中，轴承垫的内表面包括具有低弹性模量的聚合物衬底，例如PTFE（聚四氟乙烯）、PVDF（聚偏氟乙烯）、POM（聚甲醛）、PEEK（聚醚醚酮）等的材料。这些材料具有理想的稳定性和刚性，并且是轻质的，具有低摩擦系数，并且能够浸入油中而不被损坏。使用这样的材料作为轴承的内表面能够是有利的，因为具有这些性质的聚合物在压力下将稍稍变形，使得轴承具有更多的“灵活性”。这允许在流体动力学操作期间产生更佳的流体膜厚度。聚合物层的厚度能够取决于流体轴承的使用条件以及轴承垫的尺寸。对于流体静力学轴承而言，上述腔室还能够被切入聚合物衬底中或从聚合物衬底切除。
用于风力涡轮机的流体轴承的垫设置能够包括相对于转子被适当地设置且由外部容纳结构保持就位的多个轴承垫。优选地，至少三个轴承垫围绕转子轴以环或环形设置的方式来设置。例如，环形设置能够包括围绕转子基本均匀设置且由适当轴承保持就位的三个轴承垫，其中所述适当轴承例如上面已经描述的枢轴承。在本发明的另一优选实施例中，垫设置包括围绕转子轴设置的两个或更多个轴承垫环形设置。在这样的情况下，例如使用两个这样的环形设置且每个具有三个轴承垫，则使用更小的轴承垫就足够了，因为负载被分布于所有的六个轴承垫上。
在根据本发明的风力涡轮机的另一优选实施例中，风力涡轮机包括例如千斤顶的升降设置，以用于抬升例如主轴的相关零件，从而减少主轴承上的负载，以便有助于去除、插入或维护在轴承壳体的下方区域内的轴承垫。如技术人员将意识到的，这样的简单千斤顶非常容易被安装到风力涡轮机机舱壳体中。使用这样的千斤顶，主轴或转子能够被提升并固定从而支撑负载并保持轴稳定。之后，因为轴承垫不再处于任何负载下，所以它们能够容易地在单次操作中被更换。如果存在处于环形设置的三个或更多个垫，则在维护期间能够一次去除一个垫且同时剩余的垫继续支撑轴或转子。使用处于环形设置的至少三个垫是有利的，因为当去除一个轴承垫时至少两个垫可有效地支撑轴。可以在不抬升主轴的情况下容易地去除处于轴承壳体的上方区域内的轴承垫，因为当轴不旋转时轴的重量由下方区域内的垫承载。
具有主轴的风力涡轮机能够具有一个或更多个轴承，例如主轴承包括根据本发明被置于毂端（在此负载最大）的流体轴承，以及在变速箱中支撑主轴的另一端的常规滚子轴承。在风力涡轮机操作期间并且取决于风力情况，轴向负载还可以被施加在轴上。为了避免材料损坏，风力涡轮机优选地包括多个推力轴承，其被设置成例如围绕轴并且被实现为适应轴的这种轴向运动。这些轴向负载通常沿“下游”方向被施加，即沿轴沿背离毂的方向被施加。这些推力轴承垫还可以被实现成是可倾斜的。为了吸收可能沿相反方向意外地被施加的负载，风力涡轮机还可以优选地包括在主轴的前端处的“限位挡块”（bump stop），例如在主轴承和毂之间的适当位置处的限位挡块。
结合附图参考下述详细描述将显而易见到本发明的其他目标和特征。不过应该理解，附图仅用于图释的目的并且不作为对本发明限制的限定。
附图说明
图1示出了示例性常规风力涡轮机的基本元件的示意绘图；
图2示出了贯穿本发明的第一实施例中的风力涡轮机的相关零件的径向和纵向示意性横截面；
图3示出了贯穿本发明的第二实施例中的风力涡轮机的相关零件的径向示意性横截面，其示出去除了轴承壳体和轴承垫以便维护；
图4以分解图示出了图3的径向示意性横截面，其示出了轴承壳体的零件被拆下以便维护；
图5示出了在用于流体动力学倾斜垫流体轴承的轴承垫的内表面上的三维压力分布的二维绘图；
图6示出了在代表轴承垫的内表面的表面上图5的压力分布的等压线标绘；
图7基于图6的等压线标绘示出了轴承垫的内表面上的腔室的可能布局；
图8示出了具有腔室的轴承垫，其中所述腔室使用图7所述技术被置于轴承垫的内表面内；
图9示出了在具有静止轴的图8的轴承垫的内表面上的三维压力分布的二维绘图；
图10示出了在具有旋转轴的图8的轴承垫的内表面上的三维压力分布的二维绘图；
图11示出了根据本发明的另一实施例的流体轴承内的轴承垫的第二设置。
在附图中，自始至终，类似附图标记指代类似物体。图中的物体不必成比例绘制。
具体实施方式
图1示出了示例性现有技术风力涡轮机20的基本元件的示意绘图，在本例中，是风力涡轮机的机舱设置，其具有在由塔201承载的壳体200内的驱动系和变速箱。为了简洁，仅示出相关元件。
风力涡轮机20的叶片11借助于变桨轴承120被固定到毂12或整流罩12，其中所述叶片11的数量通常但不必须是三个，使用所述变桨轴承120所述叶片11能够例如在暴风情况期间被收拢。在正常操作中，风在叶片11上施加压力，这导致整流罩12和附接的主轴13旋转。使用变速箱14和发电机140将旋转能量转换为电能。在这里能量转换的细节是无关紧要的，因而将不会更具体地进行解释。包括主轴13、变速箱14等的驱动组件被安装在机舱基板17上。机舱壳体200的内部的尺寸可以大约近似3 m高和10 m长。主轴13的尺寸能够是大约40 cm – 100 cm或者更大。
叶片11、毂12、主轴13和未被列出的其他元件的综合重量所施加的以及由风施加的力所导致的负载主要由主轴承15承载，该主轴承15定位成靠近主轴13的整流罩端。作为变速箱14的一部分的附加轴承（图中未示出）能够承载小部分负载。在常规风力涡轮机中，主轴承15是滚子轴承。在机舱中的起重机16用于在维修期间将小的部件和工具吊起到机舱中。对于较重的部件，或者为了提升毂、叶片和轴，需要外部起重机（图中未示出）。这样的外部起重机必须被运输到风力涡轮机，如背景技术中解释的。
图2示出了贯穿风力涡轮机10的相关零件的横向横截面（图的左手侧）和纵向横截面（右手侧），其包括根据本发明的倾斜垫流体轴承1。在右侧的纵向横截面实质上是沿横向横截面中所示的虚线获得的并且示出了叶片11、毂12、主轴13和变速箱14。为了简明，省去了不相关的零件，例如机舱基板、发电机等，不过本领域的技术人员将意识到这些元件当然是需要的。
在根据本发明的风力涡轮机10的这种实施例中，主轴承1包括倾斜流体轴承1，并且主轴13被成形为借助于导致主轴13的圆筒形区域130的较厚零件来适应流体轴承1的轴承垫2。如横向横截面中能够清楚看到的，为了吸收沿方向D（其主要对应于主风向）的轴向负载，多个推力轴承垫18沿主轴的“下半部分”的后方外边缘设置。沿相反方向的轴向负载（其更小且较不经常发生）能够由适当的限位挡块19吸收，该限位挡块19位于主轴的下半部分的前方外边缘上的一点。
在左手侧的横向横截面中，能够看到轴承垫2的第一设置，其包括围绕主轴13的外表面以环形设置定位的三个轴承垫2。在纵向横截面中，仅能够看到轴承垫2中的两个。为了简明，在这幅图中仅大致示出轴承垫2的形状，不过将在下文中更具体地描述。此外，轴承壳体3被简单地示作闭合圆，不过下文将在图3和图4中更详细地描述。轴承垫2可以借助于适当的轴承（未示出）被可倾斜地固定到轴承壳体3。轴承垫被示为具有不对称横截面，即不等边三角形的形式且三角形的外“角”（限定了垫倾斜所绕的点或轴线）位于轴承壳体处且较长边在轴的旋转方向上。轴承垫的不对称形式最佳地匹配了轴的旋转方向。
为了简明，在横向横截面中轴承壳体3仅被示为圆，该轴承壳体3装备有适当的密封件（未示出）以便容纳任意润滑流体。为了通达到轴承垫2以便维护，千斤顶22被安装在机舱基板上并且能够用于将主轴13抬升足够的量以便允许去除下方轴承垫2之一。
图3示出了贯穿根据本发明的风力涡轮机10的相关零件的横向横截面，其示出了包括顶部元件34、侧元件33和基底元件35的轴承壳体。这些元件33、34或部段能够被理想地定尺寸，以便它们能够被容易地提升，例如使用内部起重机来提升。在这种示例中，轴承壳体容纳四个轴承垫2，其中一个被去除以便维护（如箭头所指）。附图示出了围绕主轴13设置且使用球-窝枢轴承30被固定到轴承壳体的垫2。附图还示出了沿主轴13的下部区域定位的一系列推力轴承垫18’。在主轴承13下方，放置了贮存器32或贮槽32以便收集润滑流体并使其返回到泵（图中未示出）。
图4示出了在上文的图3中所述的轴承壳体的分解图。这幅图示出了如何能够容易地提升或去除轴承壳体的各元件33、34以便允许通达到轴承垫2。取决于要更换哪个或哪些轴承垫2，可以提出侧元件33，或者可以抬升顶部元件34。在不需要昂贵的外部起重机（如上文在常规风力涡轮机的维护背景下所描述的）的情况下，能够容易地去除和更换这些元件33、34。在右手侧，附图示出了轴承垫2被去除以便更换或维修（如箭头所指）。
图5示出了在用于流体动力学倾斜垫流体轴承的轴承垫的内表面上的三维压力分布的二维绘图，其中在轴旋转时，在轴承垫下方汲取润滑流体。X和Y轴线分别代表轴承垫的宽度（跨过轴承壳体）和长度（沿主轴的周界）。所示尺寸仅是示例性的，并且对于大多数风力涡轮机构造而言0.5 m × 0.7 m的轴承垫表面将是足够的。为了简化表达，由X和Y轴线界定的平面所得到的“轴承表面”被表示为是平的，而在实际上其可以是弯曲的区域从而适应轴的曲率。通过平行于Y轴线的箭头来给出主轴的旋转方向R，而轴承垫的“后边缘”与X轴线一致。如技术人员所公知的，压力分布源自垫和轴之间速度的差异以及倾斜垫轴承和旋转轴之间形成的加压液体的会聚“楔”（converging wedge）。压力的单位是MPa（兆帕斯卡），并且所示的值同样仅是示例性的。如能够从附图中看出的，示出了压力的峰值。峰值压力相对于轴承垫的位置可以取决于轴承垫连接到轴承壳体的方式，例如枢轴承的位置。操作期间压力的量以及构建的压力分布取决于多个因素，例如主轴的旋转速度和轴承上的外力，这主要由风速和轴承垫所承载的机器的旋转质量来确定。
图6示出了图5的压力分布在代表轴承垫的内表面的表面上的等压线标绘。轮廓线呈现了朝向轴承垫的后边缘的密度，在此压力急剧增加。能够看到低压区朝向轴承垫内表面的边缘和角隅区域，在此等压线或轮廓线进一步分开。
图7示出了基于图6的等压线标绘腔室或凹槽在轴承垫的内表面上的可能布局。如附图所示，凹槽主要“遵循”对应较低压力的区域内的轮廓。
图8示出了具有使用上文图7所述的技术所放置的在轴承垫2的内表面内的腔室C1、C2、C3、C4的轴承垫2。在这种实施例中，通过具有低弹性模量的聚合物衬底50来得到轴承垫2的内表面。这种衬底50能够根据设计需求而具有一定厚度。腔室C1、C2、C3、C4能够延伸到例如具有大约5 cm厚度的轴承垫2内5 mm深度。对于流体静力学操作而言，腔室C1、C2、C3、C4配备有流体入口F1、F2、F3、F4以便在操作期间在高压下喷射流体。
图9示出了在轴静止时图8的轴承垫2的内表面上的三维压力分布的二维绘图。这个附图示出了，即使在静止时，施加在轴承垫内表面上的压力仍相对均匀地分布。最高压力的区域与穴C1、C2、C3、C4一致，因为流体被喷射到这些区域内，从而导致轴承垫2被推离主轴并由流体膜支撑。这种均匀流体压力分布在起动条件期间是特别有利的，因为显著减小了由于摩擦导致的磨损。这种操作模式被称为流体静力学操作。
图10示出了当轴旋转并且流体在高压下喷射到腔室内时图8的轴承垫2的内表面上的三维压力分布的二维绘图。这种操作模式被称为混合操作并且是流体静力学和流体动力学操作的结合。该附图示出了在流体静力学操作期间使用这样的腔室来喷射流体的优点。与图5的流体动力学压力分布相比，带有穴的轴承垫所获得的流体静力学压力分布显示出压力更均匀地分布在轴承垫的内表面上，并且减小了峰值压力和低压区域之间的差。
图11示出了根据本发明的用于风力涡轮机的倾斜垫流体轴承内的轴承垫2的第二设置的非常简化的示意图。主轴13被简单地表示为圆筒体，不过技术人员将意识到其形式可以显著不同于这种表示。
在这种认识下，轴承垫2被实现为弯曲部段且枢轴承位于轴承垫“背面”和轴承壳体（图中未示出）内侧之间，以便将轴承垫可倾斜地固定到轴承壳体。附图表示出了针对这种枢轴承在各轴承垫2的外表面上的窝槽62。枢轴承能够是简单的球-窝轴承，如技术人员公知的。枢轴承将轴承垫2固定到轴承壳体且同时允许轴承垫2动态地适应在操作期间主轴13的旋转速度和施加在主轴13上的变化力。轴承垫2的形式可以是不对称地以便适应轴13的旋转方向R，如上所述。
这里，每个均包括三个轴承垫2的两个环形设置被设置成围绕风力涡轮机的主轴13。一些或全部轴承垫2可以具有如上所述的穴或腔室的特征。例如，位于主轴13“下方”且承载其重量的轴承垫2可以具有穴以用于在高压时喷射流体从而将主轴13“推”离轴承垫2，且同时可以在主轴13的“顶部上”具有无穴轴承垫2的情况下获得令人满意的操作。
虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，不过将理解，在不脱离本发明范围的情况下能够对其作出大量额外的改进和变型。
为了简明，应该理解，贯穿本申请使用“一”或“一种”并不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。除非另做声明，否则“单元”或“模块”能够包括多个单元或模块。

Claims (19)

1.一种风力涡轮机主轴承（1），其被实现为承载风力涡轮机（10）的轴（13），由连接到该轴（13）的多个叶片（11）导致该轴旋转，其中所述风力涡轮机主轴承（1）包括具有绕所述轴（13）设置的多个轴承垫（2）的流体轴承（1），其特征在于：轴承垫（2）包括位于所述轴承垫（2）的内表面上的多个腔室（C1、C2、C3、C4），其中腔室（C1、C2、C3、C4）包括流体入口（F1、F2、F3、F4）以用于将流体润滑剂喷射到所述轴承垫（2）的所述内表面；并且基于在所述轴承垫（2）的所述内表面上的相对压力分布来选择腔室（C1、C2、C3、C4）的位置。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机主轴承，其特征在于风力涡轮机主轴承（1）被实现为承载的轴（13）具有至少40厘米的直径（Ds）。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机主轴承，其特征在于风力涡轮机主轴承（1）被实现为承载的轴（13）具有至少50厘米的直径（Ds）。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机主轴承，其特征在于风力涡轮机主轴承（1）被实现为承载的轴（13）具有至少80厘米的直径（Ds）。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机主轴承，其特征在于所述风力涡轮机主轴承（1）被实现为使得所述轴承垫（2）可倾斜以适应所述轴（13）的偏转。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机主轴承（1），其特征在于所述风力涡轮机主轴承（1）包括轴承壳体（3），并且其中所述风力涡轮机主轴承（1）的轴承垫（2）包括枢轴承（30）从而将所述轴承垫（2）可倾斜地连接到所述轴承壳体（3）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机主轴承（1），其特征在于轴承垫（2）具有根据所述轴（13）的旋转方向（R）而选择的不对称结构。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机主轴承（1），其特征在于腔室（C1、C2、C3、C4）的位置对应于所述轴承垫（2）的所述内表面上的低相对压力区域。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机主轴承（1），其特征在于基于代表所述轴承垫（2）的所述内表面上的低相对压力区域的特定等压线轮廓来选择腔室（C1、C2、C3、C4）的位置。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机主轴承（1），包括多个腔室（C1、C2、C3、C4），其中所述腔室（C1、C2、C3、C4）设置成朝向所述轴承垫（2）的所述内表面的角隅区域。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机主轴承（1），包括四个腔室（C1、C2、C3、C4），其中所述腔室（C1、C2、C3、C4）设置在基本矩形轴承垫（2）的内表面的外部角隅区域中。
12.根据权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机主轴承（1），其特征在于轴承垫（2）的内表面衬有聚合物衬底（50）。
13.根据权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机主轴承（1），其特征在于绕所述轴（13）设置的至少一个轴承垫（2）环形设置。
14.一种风力涡轮机（10），包括被连接到轴（13）且实现为使所述轴（13）旋转的多个叶片（11），并且包括用于所述轴（13）的主轴承（1），其特征在于所述主轴承（1）是根据权利要求1-13中任一项所述的风力涡轮机主轴承（1）。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机（10），其特征在于绕所述轴（13）设置的多个推力轴承（18，18’）。
16.根据权利要求14所述的风力涡轮机（10），其特征在于绕所述轴（13）设置的多个推力轴承（18，18’）以及设置在所述轴（13）的前端处的限位挡块（19），其被实现为适应所述轴（13）的纵向运动。
17.根据权利要求14所述的风力涡轮机（10），其特征在于升降设置（22），其用于抬升所述风力涡轮机（10）的元件以便有助于去除、插入或维护所述风力涡轮机主轴承（1）的轴承垫（2）。
18.一种在根据权利要求14-17中任一项所述的风力涡轮机（10）上进行维护的方法，包括步骤：
-停止所述轴（13）的旋转；
-操作升降设置（22）来抬升所述轴（13）；以及
-从所述风力涡轮机主轴承（1）的所述轴承壳体（3）去除所述风力涡轮机主轴承（1）的轴承垫（2）。
19.一种将流体轴承（1）作为风力涡轮机（10）中的主轴承（1）的用法，其中所述流体轴承（1）包括绕所述风力涡轮机（10）的轴（13）设置的多个轴承垫（2），由连接到所述轴（13）的多个叶片（11）来导致该轴旋转，轴承垫（2）包括位于所述轴承垫（2）的内表面上的多个腔室（C1、C2、C3、C4），其中腔室（C1、C2、C3、C4）包括流体入口（F1、F2、F3、F4）以用于将流体润滑剂喷射到所述轴承垫（2）的所述内表面；并且基于在所述轴承垫（2）的所述内表面上的相对压力分布来选择腔室（C1、C2、C3、C4）的位置。
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