CN102562454B - 变桨齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变桨齿轮。用于风轮机转子叶片的系统包括变桨系统，该变桨系统包括变桨轴承(11，12)以及风轮机轮毂，所述变桨轴承附接至轮毂并且能附接至风轮机转子叶片，并且所述用于风轮机转子叶片的系统还包括联接至变桨系统的变桨齿轮(14)。变桨齿轮包括分立的第一区段(16)以及分立的一个或更多个其它区段(17)，每个区段都具有用于与诸如小齿轮的致动器啮合的多个轮齿。至少第一区段通过可释放的紧固件保持到位并且沿着变桨齿轮延伸预定的量。第一区段沿着变桨齿轮延伸的预定的量基于变桨齿轮的预期磨损确定。

Description

变桨齿轮

技术领域

本发明涉及风轮机，并且更具体地，涉及用于改变风轮机叶片的桨距的变桨齿轮装置。

背景技术

图1示出了风轮机1，该风轮机包括安装有机舱3的塔架2。至少一个风轮机叶片5安装在轮毂6上以形成转子4。轮毂6经由从机舱前部伸出的低速轴(未示出)连接至机舱3。图1所示的风轮机可以是家用或照明用的小型风轮机，或者可以是大型风轮机，例如，那些适于在风电场上进行大规模发电用的大型风轮机。在大型风轮机的情况下，转子的直径可以高达150米以上。

风轮机的转子叶片被设计成借助于它们的空气动力学形状从风中以及随后由风引起的旋转汲取功率。对于水平轴风轮机来说，转子轮毂附接至安装在风轮机塔架上的机舱，叶片围绕转子轮毂旋转，并且转子的旋转使驱动轴转动，该驱动轴又连接至产生电力的发电机。对于水平轴风轮机来说，为了进行有效的操作并从风中汲取最大的功率，风轮机机舱以及风轮机转子旋转所绕着的轴线的角度形成为尽可能最大程度地迎风，使得转子的旋转轴线与风向对准。

美国专利申请US 2005196280描述了一种用于风轮机的偏航系统，所述风轮机包括固定至地面的塔架以及容纳发电机的机舱。塔架和机舱由偏航系统接合，该偏航系统允许机舱根据风向相对于塔架进行取向，并且需要由偏航系统实现360度的旋转。该偏航系统包括固定至塔架的齿圈，用于使机舱相对于塔架旋转。齿圈被划分成均匀尺寸的带轮齿的圆形区段。

现代风轮机通过使叶片绕着纵向轴线变桨而进出迎风来控制转子上的负载。图2示出了位于轮毂3与叶片(未示出)之间的已知的变桨装置。变桨轴承7被定为在轮毂与叶片之间。齿轮9形成于变桨轴承7上，并且扭矩被施加到该齿轮以通过小齿轮8转动变桨轴承。小齿轮由诸如液压缸或电动马达的致动器或马达转动，以提供用于使叶片变桨的扭矩并将叶片保持在给定位置。诸如如图2所示的已知变桨装置使用形成为围绕整个变桨轴承周面延伸的单体式变桨齿圈。

风轮机叶片的变桨可用于实现两个目的。主要目的在于将迎角控制在所谓的“操作范围”之内，以在风轮机被用于从迎风汲取能量时控制转子的速度和功率。机械地调节转子叶片的桨距角可以控制气动迎角，并因此控制发电机的输入功率，这在风轮机领域是已知的。大多数的叶片变桨发生在大约5°的窄范围内。例如，如果将桨距角看作是叶片末端的旋转平面与叶片末端的弦线之间的夹角，并且将0°桨距看作是风轮机叶片末端的弦线平行于叶片末端的旋转平面时的桨距，那么大多数变桨可能发生在-2°和+2°之间。考虑到例如功率控制等的其它因素，通常来说，大约30°至35°的变桨范围是足以将叶片控制在操作范围之内的变化范围，当桨距角按上述方式确定时，这可对应于叶片从-5°到30°的变桨。然而，变桨机构的第二任务是通过使转子叶片变桨成完全出风以尽可能地降低升力系数来为转子提供气动制动(已知为顺桨)。这需要大约90°至100°的总变桨范围。当从迎风汲取能量时，在运行期间的大部分时间内，变桨机构将在下述功率控制或操作范围内进行调节，该功率控制或操作范围在大约30°或可能35°的变桨范围内，并且尤其是在大约5°至10°的十分窄的范围内；仅有小部分时间需要将变桨机构变桨到大约90°的顺桨或停机位置。

与风轮机变桨轴承相关的独特问题在于，变桨轴承不像传统齿轮系统那样操作，而是必须按照与其它齿轮系统(例如，偏航系统)不同的方式来考虑。变桨齿轮在不必改变叶片桨距的长时间段内是不活动的。在风轮机被用于从迎风汲取能量的情况下，当叶片变桨时，仅需要相对小的旋转来控制转子的速度和功率，所述相对小的旋转处于所谓的变桨“操作范围”之内。结果是，小齿轮在大部分时间内啮合齿轮面的很短的区段并在该很短的区段上行进。通常，这相当于由齿圈的一部分的角度限定的大约30°至35°的齿轮面，而且磨损程度尤其高的是大约5°至10°的区段。这导致加速磨损，并且当齿轮的覆盖操作范围内的调节的那个很小的区段被磨坏时，整个齿轮都必须被更换。由于齿轮被直接形成在叶片变桨轴承上，因此整个变桨轴承或变桨轴承圈都必须被更换，而这是昂贵且困难的。

申请人意识到，风轮机变桨控制系统上的齿圈在使用期间容易疲劳，并因此认为能够克服疲劳损坏并允许容易地更换齿圈的改进装置会是有利的。具体地，申请人认为，一种能够被安装到风轮机中并且在安装之后在需要的情况下能够被容易地修复的新式齿圈会是有利的。

发明内容

本发明由现在将要进行说明的主要方面限定。有利的特征由其它方面来阐述。

本发明的实施方式提供了一种用于风轮机转子叶片的系统或设备，该系统/设备包括变桨系统，该变桨系统包括变桨轴承以及风轮机轮毂，所述变桨轴承附接至所述轮毂并且能附接至风轮机转子叶片，并且所述系统/设备还包括变桨齿轮，该变桨齿轮通过联接至所述变桨系统的部件而被联接至所述变桨系统。所述变桨齿轮可被联接至变桨轴承，在该情形中，变桨轴承和变桨齿轮可被看作是能够连接叶片和轮毂的子组件。另选地，变桨轴承可被联接至轮毂，这可被看作是能够连接变桨轴承的子组件。

所述变桨齿轮(优选是齿圈)包括分立的第一区段以及分立的一个或更多个其它区段，每个区段都具有用于与诸如小齿轮的致动器啮合的多个轮齿。

至少所述第一区段由可释放的紧固件附接或通过可释放的紧固件保持到位，并且沿着所述变桨齿轮的周面延伸预定的量，所述可释放的紧固件被附接或联接至变桨系统的部件，例如轮毂或变桨轴承。所述预定的量优选地基于所述变桨齿轮的预期磨损确定。所述预期磨损与变桨齿轮上由小齿轮在变桨齿轮的表面上来回移动引起的磨损有关。具体地，如本文所述，当运动时，小齿轮大部分时间都在变桨齿轮的相对窄的轮齿范围上运动。可以基于小齿轮最频繁地经过的区域来确定变桨齿轮最有可能经受比其它部分更大的磨损的部分或位置。因此，第一区段延伸的预定的量可被认为是在磨损发生之前对风轮机运行时变桨齿轮的区域将经受磨损的高磨损区域的估计、预期或预先确定。因此，第一区段的尺寸可确定成使该区段在变桨齿轮预期将要经历高磨损或者比该变桨齿轮的其余部分更大的磨损的区域或部分上延伸。

优选地，每个区段抵接一个或更多个其它区段而在齿轮的周面的至少一部分上形成连续齿轮面。更优选地，齿轮面所覆盖的范围小于齿轮的整个周面。

优选地，所述齿轮的所述第一区段的周向延伸距离小于齿轮的其它区段的周向延伸总距离。理想地，第一区段沿齿轮延伸的量被设置成使得该第一区段覆盖那些频繁接触小齿轮的齿轮区段，且因此可被设置成对应于当风轮机从迎风汲取能量时叶片在操作范围内所需的旋转范围，使得在使用的情况下当风轮机叶片在操作范围内变桨时小齿轮仅啮合所述第一区段。第一区段沿齿轮延伸的量可小于覆盖整个操作范围所需的范围，且因此第一区段可仅围绕该整个操作范围的一部分延伸，优选地，围绕使用最多的部分延伸。

第一区段可沿齿轮延伸以限定具有20°至60°之间的角度的区段，该角度由穿过所述第一区段的两端的相交半径限定。更优选地，该区段具有在30°至50°之间的角度。仍更优选地，第一区段具有在30°至35°之间的角度。实施方式还可使用更小的区段，例如在4°至10°之间的区段。优选地，较小的区段可被布置成使得：假如0°桨距被看作是风轮机叶片末端的弦线平行于叶片末端的旋转平面时的桨距，那么当叶片在-2°和+2°之间的位置变桨时，该较小区段与小齿轮接触。大多数的变桨发生在-2°和+2°之间。

当在共用齿轮上使用多个致动器或小齿轮时，上述的“第一”区段可被布置成接触每个小齿轮。

齿轮区段中的一些或全部可经由诸如螺栓或夹具的可移除紧固件联接至轮毂或变桨轴承，以允许更换磨损的区段/扇区。

所述第一区段可由与其它区段不同的材料构成，由此所述第一区段的材料的硬度大于用于所述其它区段的材料的硬度且因此更耐磨。因此，不同的区段可由制造该区段的材料来限定。

齿轮可通过凸缘联接至所述变桨轴承或轮毂，所述凸缘在使用时能被连接至所述变桨轴承并且被设置成将所述齿轮支撑在所述变桨轴承的旋转轴线与变桨轴承周面之间。优选地，所述凸缘在使用时沿与所述变桨轴承的旋转轴线大致垂直的方向延伸。所述凸缘可包括第一部分和第二部分，并且在使用时，所述第一部分可连接至所述变桨轴承并且支撑所述第二部分，使得沿着所述变桨轴承的旋转轴线，所述第二部分与所述叶片末端之间的距离小于所述变桨轴承与所述叶片末端之间的距离；并且所述第二部分延伸到所述变桨轴承的所述周面与所述变桨轴承的旋转轴线之间的空间内。

风轮机可使用本文中根据本发明的实施方式所描述的系统/设备来形成。

本发明的实施方式可提供一种制造本文所述类型的系统/设备或变桨子组件的方法。该方法包括：设置变桨轴承，该变桨轴承用于实现风轮机轮毂与叶片之间的相对旋转。形成变桨齿轮的分立的第一区段，该第一区段具有与小齿轮啮合的多个轮齿。分立的第一区段被形成为使其沿变桨齿轮的预定的量延伸。在形成该区段之后，将该区段连同变桨齿轮的其余部分联接至变桨系统的部件，例如轮毂或变桨轴承。如本文所述，变桨齿轮的其余部分包括分立的至少一个其它区段，该其它区段具有用于接合小齿轮的多个轮齿。至少所述分立的第一区段使用可释放的紧固件安装或联接至变桨系统的部件，例如轮毂或变桨轴承。所述分立的至少一个其它区段中的一些或全部也可按照与第一区段相同的方式来联接或安装。

优选地，基于所述变桨齿轮的预期磨损来确定所述分立的第一区段沿所述变桨齿轮延伸的量。所述方法还可包括步骤：基于所述变桨齿轮的预期磨损来确定所述分立的第一区段应当沿所述变桨齿轮延伸的量。

所述系统/设备或变桨子组件是在将变桨齿轮安装到风轮机中之前并且在风轮机或变桨系统使用变桨齿轮以调节叶片的桨距之前制造的。

本发明的实施方式还提供了一种制造本文所述类型的风轮机转子或风轮机的方法。该方法包括：设置本文所述类型的系统/设备、变桨子组件或变桨齿轮；以及将所述系统/设备、变桨子组件或变桨齿轮安装到风轮机转子或风轮机中。所述系统/设备、变桨子组件或变桨齿轮在风轮机转子或风轮机使用变桨齿轮之前作为完整单元安装。

附图说明

现将仅以实施例的方式参照附图来描述本发明的实施方式，附图中：

图1是水平轴风轮机的前视图；

图2是示出已知的变桨控制系统的示意图；

图3是根据本发明实施方式的齿圈的一部分的剖视图；

图4是根据本发明实施方式的齿圈的剖视图，其中包括齿圈支撑装置；

图5是图3中的齿圈支撑装置的放大图；

图6是根据本发明实施方式的齿圈安装凸缘、齿圈和小齿轮沿着线X-X的剖视图，但是其中不包括齿轮安装特征；以及

图7示出了变桨齿轮被联接至轮毂而不是联接至变桨轴承的布置的实施例。

具体实施方式

图3示出了根据本发明实施方式的叶片变桨轴承的截面。叶片变桨轴承包括第一圈11和第二圈12，这两个圈共用共同的中心并且布置成第一圈围绕第二圈。变桨轴承包括位于第一圈和第二圈之间的接触滚子13，以允许所述第一圈和第二圈相对于彼此旋转。第二圈或内圈12的内周面形成有齿轮14。该齿轮(在该实施例中是齿“圈”)接合小齿轮15，该小齿轮由诸如电动马达或液压马达的致动器或马达驱动。叶片联接至变桨轴承的其中一个圈，通常是联接至内圈12，并且另一圈联接至风轮机的轮毂，使得转子叶片可以绕着纵向轴线相对于轮毂旋转。

齿圈14包括至少两个扇区或区段。第一扇区16围绕变桨轴承内圈12的内周面延伸一定度数。第二扇区17定位在第一扇区16附近，并且优选在接合处18抵接第一扇区。每个区段围绕内周面延伸的程度可由将该区段的每端连接至变桨轴承的旋转轴线的半径之间形成的角度限定，如图3所示。第一扇区围绕变桨轴承内圈的内周面所覆盖的角度对应于叶片在操作范围内所需的旋转量。第一扇区围绕变桨轴承内圈的内周面延伸的角度可在4°至60°之间，优选在30°至50°之间，更优选为大约40°，甚至更优选地，在30°至35°之间。第二扇区围绕内周面延伸的角度可在40°至90°之间，优选在50°至80°之间，甚至更优选为大约70°。可以提供更多的扇区以实现高达360°的覆盖，但是通常来说，不必使环形齿轮围绕整个内周面延伸就可达到所需的变桨量。虽然每个扇区可被划分为更多的扇区，但优选使用尽可能少的扇区，因为相邻扇区之间的接合处是潜在的薄弱部位。

风轮机叶片变桨系统在操作期间的大部分时间内在-2°与+2°之间的位置变桨。因此，更具针对性的布置可提供定位在4°和10°之间的区段，使得当叶片在-2°与+2°之间的位置变桨时，该区段由小齿轮接触。

为使转子叶片绕其纵向轴线旋转，可以通过马达来使小齿轮15旋转。小齿轮啮合齿圈14并向其施加力，从而使齿圈和变桨轴承圈12连同叶片一起相对于变桨轴承圈11和轮毂旋转。小齿轮可以根据叶片的桨距角是要增加还是减小而顺时针或逆时针旋转。

转子叶片和齿轮被排列成使得，通过作用在齿圈的第一扇区上的小齿轮来实现控制功率所必需的操作范围中需要的相对窄的变桨范围。因此，齿圈的第一扇区也被称为变桨轴承圈的功率控制扇区。与功率控制范围通常所需要的变桨程度相比，当叶片需要变桨到更大程度时(例如，在顺桨期间)，小齿轮将经过接合处18并作用在第二扇区上。具体扇区所覆盖的度数(即，经过扇区端部的相交半径之间所限定的角度)通常直接对应于使用该扇区能将转子叶片变桨的度数。

可在单个齿圈上提供多个小齿轮，以减少每个小齿轮必须传递的扭矩的量并将负载分散到整个齿圈上。优选地，小齿轮围绕齿圈周面均匀分布，例如三个小齿轮，每个小齿轮布置成以120°间隔开。在这种实施例中，变桨齿轮可被设置成使得在操作范围内运行时每个小齿轮接触不同的“第一”扇区。如上所述，每个第一扇区将围绕变桨轴承的周面延伸一定度数。相应的第二扇区可定位成邻近于各自的第一扇区，优选在接合处抵接各自的第一扇区。第一扇区围绕变桨轴承所覆盖的角度将对应于叶片在操作范围内所需的旋转量，或者覆盖更小的角度，使得每个第一区段在风轮机叶片频繁运行的变桨范围内啮合给定的小齿轮。

齿圈扇区可经由任何合适的可移除紧固件附接至变桨轴承。例如，齿圈可包括顶表面和底表面上的凸缘，该凸缘延伸到变桨轴承内圈上并接着用螺栓固定到位，并且变桨轴承内圈中形成有相应的孔以接收前述螺栓。作为替代方式，齿轮面中可形成有凹槽，该凹槽接收优选以径向方式直接穿入到内圈中的可释放的紧固件。例如，螺钉或螺栓可穿过轮齿之间形成的孔或凹槽并进入到变桨轴承的对应孔或凹槽中。

由于第一扇区被设置为最常使用的齿圈扇区，小齿轮经过该扇区的次数比经过齿圈的其它部分的次数要多得多，因此该第一扇区更容易由于磨损而被损坏。这导致齿圈上不均衡的磨损分布。在本发明的实施方式中，由于第一扇区与齿圈的其余部分是分离的，因此不必更换整个齿圈，而是可以只简单地更换磨损程度较大的第一扇区。

许多不同的材料可用于制造齿圈。这些材料可包括钢、不锈钢、热处理不锈钢、碳钢、铬钢、锰钢、钼钢、镍铬钢、铝、铜、铸铁、塑料或尼龙。一些材料可提供强度或硬度方面的益处并且较耐磨但可能较昂贵，而其它材料可能较便宜但也较不耐磨。本发明的实施方式可针对第一扇区使用第一材料，并针对第二扇区使用第二材料。例如，第一扇区16可由热处理不锈钢构成，而第二扇区17可由常规的钢构成。这意味着，较坚硬的材料集中在最被需要的功率控制扇区。因此，齿圈可直接结合到变桨轴承、与变桨轴承一体形成或直接形成在变桨轴承上，但是将要经受较更高磨损的区段由较硬的材料形成，以增加该区段的寿命并因此增加整个齿圈的寿命。另选地，由不同材料制成的不同部分或扇区可经由可移除的紧固件附接至变桨轴承，如上所述。

图4示出了齿圈被安装在凸缘上而不是直接安装在变桨轴承上的另选实施方式。轮毂51附接至变桨轴承52，叶片53通过包括多个构件的叶片联接装置70联接至变桨轴承。设置有变桨圈致动器系统，该变桨圈致动器系统包括用于产生扭矩的AC同步马达或液压马达55以及小齿轮54和齿圈57，该小齿轮和齿圈用于将扭矩传递至变桨轴承52以使风轮机叶片绕其纵向轴线旋转。变桨圈致动器系统通过附接至叶片联接装置的其中一个构件的安装凸缘56联接至叶片联接装置70。

轮毂51附接至在PCT申请No.WO2007/006301中描述的变桨轴承52。叶片53附接或联接至变桨轴承52。变桨轴承包括至少一个外圈58、至少一个中圈60以及至少一个内圈59。轮毂包括用于叶片单元中的每个的安装区域，该安装区域包括用于经由至少一个变桨轴承附接叶片单元的至少两个同心的负载传递表面61/62。这些负载传递表面可由至少一个沟槽分离。变桨轴承在负载传递表面处通过诸如螺钉、螺栓或螺柱的紧固件附接至轮毂。

叶片可使用紧固件经由叶片联接装置70附接至变桨轴承的中圈，所述紧固件例如是可延伸到负载传递表面61/62之间的沟槽中的螺钉、螺栓或螺柱。该布置提供了供紧固件穿过变桨轴承的直接路径，使得紧固件可以是大致笔直的紧固件，例如在变桨轴承端或叶片联接凸缘端由螺母紧固的笔直螺栓75。

叶片联接装置可包括叶片联接凸缘。该叶片联接凸缘限定用于容纳转子叶片紧固件的至少一部分的进入空间，该部分允许接近紧固件，以使得紧固件能被拧松和移除/更换。叶片联接凸缘包括用于联接至变桨轴承52的变桨轴承联接部以及用于联接至转子叶片的叶片联接部。在变桨轴承联接部和叶片联接部之间定位有中间区段。叶片联接凸缘设置成使得在使用时，叶片联接部沿叶片的纵向方向与轮毂变桨轴承间隔开。叶片联接凸缘限定一个或更多个进入空间，用于紧固件将转子叶片附接至叶片联接部以及将变桨轴承联接部附接至变桨轴承。这种布置允许叶片被安装到三圈变桨轴承的中圈/中间圈上。优选地，叶片被直接安装至叶片联接凸缘。优选地，在使用时，尤其是参照与变桨轴承的旋转轴线平行的纵向轴线，前述一个或更多个进入空间定位在变桨轴承和叶片之间。叶片联接凸缘优选地限定用于由紧固件将转子叶片附接至叶片联接部的一个或更多个内部进入空间以及用于由紧固件将变桨轴承联接部附接至变桨轴承的一个或更多个外部进入空间，或者另选地，限定用于由紧固件将转子叶片附接至叶片联接部的一个或更多个外部进入空间以及用于由紧固件将变桨轴承联接部附接至变桨轴承的一个或更多个内部进入空间。在一些实施方式中，由于叶片联接凸缘在叶片的纵向方向上将叶片联接紧固件与轮毂变桨轴承间隔开，因此可以将叶片紧固件或其一部分定位到轮毂变桨轴承的上方；即，当沿着叶片的纵向方向观察时，叶片紧固件可以定位在轮毂变桨轴承的上方。优选地，中间区段沿叶片的纵向方向将叶片联接部与轮毂变桨轴承间隔开，并且还将叶片联接部与变桨轴承联接部间隔开。甚至更优选地，叶片联接部沿轮毂变桨轴承的旋转轴线的径向方向相对于变桨轴承联接部偏移，这可通过下述方式来实现：中间区段相对于轮毂变桨轴承的旋转轴线以一角度延伸，叶片联接凸缘或中间区段优选地沿在变桨轴承内圈和变桨轴承外圈之间穿过变桨轴承结构的中心并且穿过叶片的升力中心的线延伸。中间区段所延伸的角度沿其长度优选是均匀的，从而产生例如烟囱或锥形的区段。叶片联接凸缘可被设置成在叶片联接凸缘和叶片之间提供平滑的、均匀的或齐平的表面。优选地，由叶片联接凸缘以及叶片联接凸缘在叶片的纵向方向的延伸所产生的进入空间允许叶片紧固件被支撑在变桨轴承和叶片之间的位置处，因此，在使用时，沿着与变桨轴承的旋转轴线平行的纵向方向，在变桨轴承与叶片紧固件之间存在间隙。叶片联接部在径向方向可具有比中间区段大的尺寸，以便在叶片联接部上或叶片联接部中限定容纳紧固件并允许紧固件是大致笔直的紧固件的部分。叶片联接凸缘可全部或部分由与用于轮毂变桨轴承的材料相同的材料(例如，钢)制成。在其它实施方式中，变桨轴承联接部和叶片联接部分别通过紧固件附接至变桨轴承和叶片，并且叶片紧固件和变桨轴承紧固件是共轴的。

如上所述，本发明的实施方式提供了一种用于风轮机的系统。该系统包括变桨系统，该变桨系统包括叶片变桨轴承和风轮机轮毂，所述变桨轴承附接至风轮机轮毂并且设置成能附接至风轮机转子叶片。叶片变桨轴承用于使转子叶片相对于轮毂变桨。整个变桨轴承组件(包括具有与诸如小齿轮的致动器啮合的齿轮面的齿轮)通过联接至变桨轴承或联接至轮毂而以可释放的方式联接至变桨系统，以使得变桨齿轮在致动器的作用下引起轮毂与变桨轴承的相关部件之间的旋转。将齿轮面以可释放的方式联接至变桨系统可允许容易地更换整个齿轮，而不需要移除诸如变桨轴承的大型部件。

如上所述，本发明的实施方式可包括变桨齿轮组件，该变桨齿轮组件包括具有与诸如小齿轮的致动器啮合的齿轮面的齿轮，所述变桨齿轮组件通过联接至变桨轴承或通过联接至轮毂而以可释放的方式联接至变桨系统，以使得变桨齿轮在致动器的作用下引起轮毂与变桨轴承的相关部件之间的相对旋转。将整个齿轮面以可释放的方式联接至变桨系统可允许容易地更换整个齿轮，而不需要移除诸如变桨轴承的大型部件。虽然可以直接安装至变桨轴承，但是优选地，所述变桨系统包括用于将所述齿轮联接至所述变桨系统的凸缘或者构件，所述凸缘是用于将一个部件连接至另一个部件的突出的支撑件。所述凸缘被支撑在所述变桨系统上并且布置为支撑所述齿轮以使所述齿轮与所述变桨轴承或轮毂分开或者分离，优选地，使得所述齿轮和齿轮面被支撑在所述变桨轴承的旋转轴线与变桨轴承周面之间，特别地，在圆形或者椭圆形变桨轴承的情形中，是在所述变桨轴承的旋转轴线与筒体的弯曲壁之间，所述筒体的弯曲壁穿过所述变桨轴承周面并且平行于所述变桨轴承的旋转轴线。所述凸缘优选地沿着大致垂直于所述变桨轴承的旋转轴线的方向延伸。通过设置凸缘或者支撑件来保持齿轮，所述齿轮不必直接附接至，或者形成为所述变桨系统的部件(特别是所述变桨轴承)的一部分，并且可以移动到远离所述变桨轴承和/或所述轮毂的位置。这允许所述变桨齿轮被支撑在远离所述变桨轴承或所述轮毂的更便利位置处，在该位置处变桨齿轮可被容易地移除，并且在确定将所述齿轮和相应的小齿轮布置在何处时允许更多的设计灵活性。

所述凸缘可以包括第一部分和第二部分，所述第一部分连接至所述变桨轴承并且支撑所述第二部分，以使所述第二部分沿着平行于变桨轴承轴线的线与所述变桨轴承分开一段距离以使所述第二部分保持远离所述变桨轴承，处于比所述变桨轴承更接近叶片末端的位置处。所述第二部分然后延伸进入到所述变桨轴承的周面与所述变桨轴承的旋转轴线之间的空间。这允许所述凸缘以与叶片安装装置一体成型或者可附接到叶片安装装置的方式而联接至所述叶片安装装置，在叶片安装装置中，由于所述第一部分可以是所述安装组件的一部分，所以安装组件将叶片连接至所述变桨轴承。这还允许将具有变桨系统的叶片安装到三圈变桨轴承的中圈上。

参照图5，该图5示出了齿圈安装凸缘、变桨轴承以及齿轮和小齿轮装置的放大图，所述齿圈安装凸缘包括用于将凸缘联接至变桨轴承52的第一部分91以及朝向变桨轴承的旋转轴线径向向内延伸的第二部分92，齿圈被附接至所述第二部分上。第一部分沿着从变桨轴承到叶片末端的方向延伸，以将第二部分92支撑在比叶片末端与变桨轴承之间的距离更接近叶片末端的位置中。优选地，第二部分以与变桨轴承的旋转轴线大致垂直的角度向内延伸，但是第二部分还可能以比大致90°更大或更小的角度延伸，以提供具有倾斜侧面的锥形形状。

变桨轴承可使用诸如螺钉或螺栓的一个或更多个可释放的紧固件安装到变桨轴承上或安装至凸缘。当使用凸缘时，齿轮可被支撑在凸缘的内周面附近并位于凸缘与变桨轴承的旋转轴线之间。凸缘(优选为环形)可形成有一个或更多个孔，以允许位于变桨轴承与轮毂之间的诸如螺母和螺栓的可释放的紧固件67能够被调节或更换。所述孔可按照对应于紧固件在变桨轴承与风轮机轮毂之间的径向位置的预定半径分布，并且可定尺寸成以便允许接近该紧固件。

图6示出了齿圈安装凸缘、齿圈和小齿轮沿着图5中的线X-X的剖视图，但是未示出将在下文更详细描述的附接组件98。齿圈安装凸缘的第一部分和第二部分成形为中心位于变桨轴承的旋转轴线上的环形。第一部分和第二部分优选地一体形成为单件，但是可通过诸如焊接或使用螺栓的合适方法结合到一起。第一部分沿变桨轴承的旋转轴线的方向的尺寸优选地大于第二部分的尺寸，使得相对于叶片末端而言，第二部分被支撑在沿变桨轴承的旋转轴线比变桨轴承自身更远的一定距离处。这允许齿圈安装凸缘将齿圈装置联接至三圈变桨轴承的中圈。这还能确保第二部分延伸到将变桨轴承附接至轮毂的螺母67上。

第二部分92通过附接组件98附接至齿圈97。在该实施方式中，齿圈组件被示出为包括两个同轴齿圈，该两个同轴齿圈的中心位于变桨轴承的旋转轴线上并且沿变桨轴承的轴向方向分离。附接组件包括用于将齿圈固定到位的螺栓和螺母，但是齿圈还可以通过任何其它合适的紧固件连接至齿圈安装凸缘。其它实施方式可使用单个齿圈或者不止两个齿圈。另选地，变桨齿轮可与齿圈安装凸缘的内周面一体地形成。小齿轮54啮合一个或更多个齿圈97。小齿轮由马达(例如，AC同步马达或液压马达)驱动。小齿轮被附接至轮毂51。

本发明的实施方式可包括联接至变桨轴承的两个或更多个齿轮97，优选是环形齿轮，该环形齿轮沿着变桨轴承的旋转轴线分离。这种实施方式可能需要或可能不需要联接凸缘，因为两个环形齿轮都可直接联接至诸如变桨轴承或轮毂的变桨系统部件。联接至一个或更多个致动器(例如，电动马达或液压马达)的一个或更多个小齿轮54被设置成啮合所述两个或更多个环形齿轮中的一个或更多个，并使转子叶片与变桨轴承一起旋转。通过使两个或更多个环形齿轮啮合公共小齿轮或者每个环形齿轮啮合单独的小齿轮来使变桨轴承旋转，这减少了环形齿轮的重量，因为沿变桨轴承的旋转轴线分离的两个环形齿轮能够被制造得比单个环形齿轮更轻质，同时还能沿变桨轴承轴线覆盖相同的长度。这两个或更多个环形齿轮优选地安装成绕公共中心旋转，优选地，环形齿轮被设置成绕变桨轴承的旋转轴线旋转，并且每个环形齿轮的轮齿沿着与变桨轴承的旋转轴线大致平行的线与其它环形齿轮的轮齿对齐。当使用不止一个齿圈时，在其中一个齿圈上的一个区段和相邻区段(例如，第一区段和第二区段)之间的接合处可从另一环形齿轮的相应区段和相邻区段(例如，第一区段和第二区段)之间的接合处偏移。这避免了高负载被同时施加至这些接合处区域。此外，在两个区段之间的接合处的区域中的齿轮面可被设置成减少由小齿轮施加到齿轮面上的负载，这可通过例如经由机加工或研磨齿轮面的轮齿来减小该轮齿在接合处区域中相对于齿轮面的其它轮齿的高度来实现。优选地，所述两个或更多个环形齿轮中的至少一个被安装成使得其能够相对于变桨轴承的旋转轴线独立于变桨轴承旋转较小的量，例如1°至5°；或者对应于环形齿轮上单个轮齿所占据的环形齿轮周面。这通过允许在相对定位的齿圈中有一些活动空间而允许在两个或更多个齿圈的对齐中有轻微变化。齿圈可优选地用可释放的紧固件直接附接至变桨轴承，或者可经由凸缘联接至变桨轴承，使得齿圈不与变桨轴承直接接触。同样，优选地，齿圈通过可释放的紧固件附接至联接凸缘，以允许更换和调节齿圈或齿圈的区段。

由于不必使叶片能够变桨360°，因此齿圈安装凸缘不需要围绕叶片根部的整个周面延伸。实际上，齿圈安装凸缘可围绕叶片根部的周面的仅一部分延伸，该部分例如覆盖与齿圈大致相同的周面区段。

为了使叶片变桨，扭矩由马达的轴产生并且被传递到小齿轮。小齿轮旋转并将扭矩传递到齿圈，因而使得齿圈和叶片的附接负载随变桨轴承的中圈旋转。

以与上述方式相同的方式，齿圈97包括两个或更多个扇区。每个扇区可由不同的材料构成。与其它扇区相比，小齿轮频繁经过的高磨损扇区可以被更频繁地更换，从而降低了成本和维修负担。

已经描述了齿圈被联接至变桨轴承的实施例，其中驱动小齿轮联接至轮毂，使得变桨马达的扭矩因此被传递到变桨轴承，从而引起叶片与轮毂之间的相对旋转。然而，齿圈可被联接至轮毂，而小齿轮被联接至变桨轴承。图7示出了这种替代性布置的实施例，其中小齿轮1154经由马达1155联接至变桨轴承1152，所述马达通过支撑装置1158附接至变桨轴承。支撑装置可直接附接至变桨轴承或者可按照与联接上述变桨齿轮凸缘类似的布置联接至叶片联接凸缘或形成为该叶片联接凸缘的一部分。变桨齿轮1157利用朝向变桨轴承的旋转轴线径向向内延伸的齿轮安装凸缘1156以可释放的方式联接至轮毂。齿轮安装凸缘1157可具有与变桨齿轮被联接至变桨轴承的实施方式中所述的特征相同的特征，但是将理解的是，在该实施例中，将不需要如图5所示的部分91，因为凸缘可被直接联接至轮毂。

已经描述了变桨齿轮或齿圈由多个区段形成的实施方式，所述多个区段中的至少第一区段能够通过可释放的紧固件被附接，以有助于现场修复磨损的区段。变桨齿轮优选在制造地点形成为带有可移除的区段/部分，而不是当变桨齿轮已位于风轮机内时在现场形成可移除的区段以及供安装可拆卸的区段的相应凹部或接合部分。鉴于此，在制造时或在此之前，基于如上所述的变桨齿轮的估计或预期的磨损来预先确定可移除/可拆卸的区段的尺寸。这有利于在风轮机的整个运行寿命中修复变桨齿轮的表面。

Claims (23)

1.一种用于风轮机转子叶片的系统，该系统包括：

变桨系统，该变桨系统包括变桨轴承和风轮机轮毂，所述变桨轴承附接至所述轮毂并且能附接至风轮机转子叶片；以及

联接至所述变桨系统的变桨齿轮，该变桨齿轮包括分立的第一区段以及分立的一个或更多个其它区段，每个区段都具有用于与小齿轮啮合的多个轮齿；

其中，至少所述第一区段通过可释放的紧固件保持到位并且沿着所述变桨齿轮延伸预定的量，并且

其中，所述变桨齿轮通过凸缘联接至所述变桨轴承；所述凸缘在使用时连接至所述变桨轴承并且设置成将所述齿轮支撑在所述变桨轴承的旋转轴线与所述变桨轴承的周面之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一区段沿着所述变桨齿轮延伸的所述预定的量基于所述变桨齿轮的预期磨损确定。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述变桨齿轮是具有周面的环形齿轮，并且每个区段抵接一个或更多个其它区段而在所述变桨齿轮的所述周面的至少一部分上形成连续的齿轮面。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述齿轮的所述第一区段的周向延伸距离小于所述其它区段的周向延伸距离。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一区段沿着所述齿轮延伸的量对应于所述叶片在操作范围内所需的变桨旋转量的至少一部分。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一区段沿着所述齿轮延伸所覆盖的区段具有在20°和60°之间的角度、或在30°和50°之间的角度、或在30°和35°之间的角度。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述齿轮的所述区段通过可移除的紧固件联接至所述变桨轴承或所述轮毂。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一区段由第一材料构成，并且所述其它区段由不同的材料构成。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一材料的硬度大于用于所述其它区段的材料的硬度。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述凸缘在使用时沿与所述变桨轴承的旋转轴线大致垂直的方向延伸；

其中，所述凸缘包括第一部分和第二部分，并且其中，在使用时：

所述第一部分连接至所述变桨轴承并且支撑所述第二部分，使得沿着所述变桨轴承的旋转轴线，所述第二部分与叶片末端之间的距离小于所述变桨轴承与所述叶片末端之间的距离；

并且，所述第二部分延伸到所述变桨轴承的所述周面与所述变桨轴承的所述旋转轴线之间的空间内。

11.根据权利要求1或2所述的系统，所述变桨齿轮被布置成啮合两个或更多个小齿轮，使得每个小齿轮能接触不同的分立的第一区段，每个第一区段对应于叶片的操作范围内的叶片变桨运动。

12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述可移除的紧固件是螺栓或夹具。

13.一种风轮机转子，该风轮机转子包括根据前述权利要求1至12中任一项所述的系统。

14.一种风轮机，该风轮机包括根据前述权利要求1至12中任一项所述的系统。

15.一种变桨子组件，该变桨子组件用在权利要求1至12中任一项所述的系统中，所述变桨子组件包括：

变桨轴承，该变桨轴承能被附接至风轮机轮毂以及风轮机叶片；以及

联接至所述变桨轴承的变桨齿轮，该变桨齿轮包括分立的第一区段以及分立的一个或更多个其它区段，每个区段都具有用于接合小齿轮的多个轮齿；

其中，至少所述第一区段通过可释放的紧固件保持到位并且沿着所述变桨齿轮延伸预定的量，所述预定的量基于所述变桨齿轮的预期磨损确定。

16.一种制造根据权利要求1至12中任一项所述的系统的方法，该方法包括：

设置变桨轴承；

形成变桨齿轮的分立的第一区段，该第一区段具有用于接合小齿轮的多个轮齿，所述分立的第一区段基于所述变桨齿轮的预期磨损而沿着所述变桨齿轮延伸预定的量；

将所述变桨齿轮的所述第一区段以及其余部分联接至轮毂或变桨轴承，所述其余部分具有至少一个分立的其它区段，所述至少一个分立的其它区段具有用于接合小齿轮的多个轮齿，至少所述分立的第一区段使用可释放的紧固件安装。

17.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括以下步骤：基于所述变桨齿轮的预期磨损，确定所述分立的第一区段应当沿着所述变桨齿轮延伸的量。

18.一种制造根据权利要求15所述的变桨子组件的方法，该方法包括：

设置变桨轴承；

形成变桨齿轮的分立的第一区段，该第一区段具有用于接合小齿轮的多个轮齿，所述分立的第一区段基于所述变桨齿轮的预期磨损而沿着所述变桨齿轮延伸预定的量；

将所述变桨齿轮的所述第一区段以及其余部分联接至轮毂或变桨轴承，所述其余部分具有至少一个分立的其它区段，所述至少一个分立的其它区段具有用于接合小齿轮的多个轮齿，至少所述分立的第一区段使用可释放的紧固件安装。

19.根据权利要求18所述的方法，该方法还包括以下步骤：基于所述变桨齿轮的预期磨损，确定所述分立的第一区段应当沿着所述变桨齿轮延伸的量。

20.一种制造根据权利要求13所述的风轮机转子的方法，该方法包括：

设置根据权利要求1至12中任一项所述的系统；以及

将所述系统安装到风轮机转子中，

其中，所述系统在由所述风轮机转子使用所述变桨齿轮之前进行安装。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述系统作为完整的单元进行安装。

22.一种制造根据权利要求14所述的风轮机的方法，该方法包括：

设置根据权利要求15所述的变桨子组件；以及

将所述变桨子组件安装到风轮机中，

其中，所述变桨子组件在由所述风轮机使用所述变桨齿轮之前进行安装。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述变桨子组件作为完整的单元进行安装。