CN102588219A - 风轮机叶片的滑动轴承和具有滑动轴承的风轮机操作方法 - Google Patents

风轮机叶片的滑动轴承和具有滑动轴承的风轮机操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风轮机叶片的滑动轴承和具有滑动轴承的风轮机操作方法。一种用于将风轮机的叶片安装到轮毂的滑动轴承组件包括：可安装到所述叶片或所述轮毂中的一个的外构件；和可安装到所述叶片或所述轮毂中的另一个且可相对于所述外构件移动的内构件。所述滑动轴承还包括流体腔，该流体腔与所述外构件或所述内构件中的一个相关联并且布置成面对该外构件或该内构件中的另一个。所述流体腔联接到压力源以建立所述内构件和所述外构件之间的加压流体膜。一种方法包括：监控所述流体膜的至少一个参数；比较所述至少一个参数和阈值标准；以及假如超过所述阈值标准，则改变所述风轮机的动态状态和/或改变所述叶片轴承组件的状态。

Description

风轮机叶片的滑动轴承和具有滑动轴承的风轮机操作方法
技术领域
本申请总体上涉及风轮机，并且更具体地涉及用于将风轮机叶片可旋转地安装到风轮机的轮毂的滑动轴承设计。
背景技术
风轮机被用来利用可再生资源产生电能，而不燃烧矿物燃料。通常，风轮机将来自风的动能转化成机械能，于是随后将机械能转化成电能。水平轴风轮机包括：塔架；位于塔架的顶点处的机舱；以及被支撑在机舱中的转子。转子直接或间接地联接到被收纳在机舱中的发电机。转子包括中心轮毂和多个叶片(例如三个叶片)，所述多个叶片安装到中心轮毂并且从该中心轮毂径向延伸。叶片可以相对于轮毂旋转从而使叶片变桨而进出风。
典型的现代风轮机具有多个可动部，以便于将风的动能转化成电能。因而，风轮机通常包括多个轴承，所述轴承以相对有效、低摩擦的方式提供相邻部分之间的相对运动。例如，在许多风轮机中，风轮机叶片可旋转地安装到轮毂，使得变桨机构可以被用来控制叶片相对于风向的变桨(例如使叶片绕其纵向轴线旋转)，从而使风轮机的操作最优化。
常规地，这种叶片轴承被构造为滚子元件轴承，滚子元件轴承表征为具有设置在彼此相对移动的两个部件之间的结构元件。例如，传统的叶片轴承可以包括安装到转子轮毂的外圈、安装到风轮机叶片的内圈、以及多个滚珠轴承，所述多个滚珠轴承设置在这两个座圈之间用于支撑负载并且提供叶片和轮毂之间的大致低摩擦的相对运动。滚子元件轴承因多种原因而失效，但是最终其寿命受表面疲劳和磨损的限制。这种寿命有限的部件需要定期维护从而避免较大规模的失效模式。更换部件以及维护这种寿命有限部件增加了操作风轮机的总成本。
虽然滚子元件轴承对于它们的预期目的是足够的，但是制造商不断努力以改进风轮机的设计、操作成本和功能性。更具体地，风轮机和轴承制造商努力实现改进的或替代的设计，从而延长轴承(包括叶片轴承)的工作寿命。
发明内容
根据本发明的实施方式解决了传统叶片轴承组件的这些和其它不足。在这点上，用于将转子叶片安装到风轮机的转子轮毂上的滑动轴承组件包括：外构件，该外构件构造成安装到所述风轮机的所述叶片或所述轮毂中的一个并且具有环形腔；以及内构件，该内构件构造成安装到所述风轮机的所述叶片或所述轮毂中的另一个并且定位在所述环形腔中，使得所述内构件和所述外构件可相对于彼此移动。滑动轴承还包括与所述外构件或所述内构件中的一个相关联的多个流体腔，其中所述流体腔面对所述外构件或所述内构件中的另一个。所述流体腔构造成操作地联接到流体源和压力源，用于在所述内构件和所述外构件之间建立加压流体膜。所述流体膜进而构造成支撑所述叶片的载荷，从而维持所述内构件和所述外构件分离，但是仍允许它们之间的相对运动。
在一个实施方式中，所述滑动轴承组件包括多个衬垫，所述多个衬垫联接到所述外构件和所述内构件中的一个，所述流体腔被限定在所述衬垫的面对所述外构件或所述内构件中的另一个的表面中。所述衬垫大体上可以是拱形的并且还可以诸如经由弹簧可移动地联接到所述外构件或所述内构件中的一个。所述衬垫构造成吸收所述叶片的纵向载荷。为了吸收所述叶片的径向载荷，所述滑动轴承组件还可以包括大致设置在所述内构件和所述外构件之间的支撑外壳。理想地，所述支撑外壳由低摩擦材料形成，所述低摩擦材料使对所述外构件和所述内构件之间的相对运动的阻力最小化。
在一个实施方式中，所述内构件形成为环形座圈，所述环形座圈具有内表面、外表面、上表面以及下表面。所述内表面可以包括多个齿，所述多个齿构造成与变桨机构协同操作以使所述外构件或所述内构件中的一个相对于另一个运动。所述外构件也可以形成为环形座圈，该环形座圈具有外壁、联接到该外壁的上壁、以及联接到该外壁的下壁，其中所述外壁、所述上壁以及所述下壁形成所述环形腔的边界。在示例性实施方式中，至少一个衬垫可以联接到所述上壁的下表面，并且至少一个衬垫可以联接到所述下壁的上表面。另外，所述内构件可以构造成安装到所述转子叶片，并且所述外构件可以构造成安装到所述转子轮毂。
在另一个实施方式中，风轮机包括：塔架；位于该塔架的顶部附近的机舱；转子，该转子具有轮毂和多个叶片，所述多个叶片从所述轮毂延伸并且构造成与风相互作用以使所述转子旋转；以及叶片轴承组件，该叶片轴承组件用于将所述叶片可旋转地安装到所述轮毂。所述叶片轴承组件可以构造为滑动轴承组件，该滑动轴承组件包括：外构件，该外构件构造成安装到所述风轮机的所述叶片或所述轮毂中的一个并且具有环形腔；以及内构件，该内构件构造成安装到所述风轮机的所述叶片或所述轮毂中的另一个并且定位在所述环形腔中，使得所述内构件和所述外构件可相对于彼此移动。所述滑动轴承还包括与所述外构件或所述内构件中的一个相关联的多个流体腔，其中，所述流体腔面对所述外构件或所述内构件中的另一个。所述风轮机还可以包括：变桨系统，该变桨系统用于使所述叶片相对于所述轮毂旋转；以及泵，该泵用于加压所述叶片轴承组件的所述内构件和所述外构件之间的流体膜。
在又一个实施方式中，风轮机具有叶片轴承组件，所述叶片轴承组件包括：联接到转子叶片或轮毂中的一个的外构件；联接到转子叶片或轮毂中的另一个的内构件；以及流体膜，所述流体膜使所述外构件和内构件分离，所述风轮机还包括能够改变风轮机的动态状态的至少一个子系统，操作该风轮机的方法包括：监控流体膜的指示叶片上的负载的至少一个参数；比较所述至少一个参数和阈值标准；以及当所述至少一个参数满足所述阈值标准时，执行下列步骤中的至少一个：i)改变所述风轮机的动态状态以减小所述叶片上的负载；和ii)改变叶片轴承组件的状态从而更好地吸收所述叶片上的负载。在一个实施方式中，监控所述流体膜的至少一个参数包括监控该流体膜的压力、该流体膜的温度、和/或该流体膜的厚度。在一个实施方式中，改变所述风轮机的动态状态还可以包括：使所述机舱相对于所述塔架偏航；使所述叶片变桨；和/或施加制动以使所述转子的速度减缓。而且，在一个实施方式中，改变所述轴承组件的状态从而更好地吸收所述叶片上的负载包括增大所述流体膜的压力。
在再另一个实施方式中，用于风轮机的控制系统包括：可操作地联接到所述叶片轴承组件控制器；能够改变所述风轮机的动态状态的至少一个子系统；以及用于监控所述流体膜的指示叶片上的负载的至少一个参数的至少一个传感器。所述至少一个传感器可操作地联接到所述控制器并且构造成发送与所述至少一个参数中的值对应的信号到所述控制器。所述控制器构造成当由所述至少一个传感器发送的所述至少一个参数的值满足阈值标准时，发送信号到所述至少一个子系统以改变所述风轮机的动态状态，从而降低所述叶片上的负载。另外或另选地，所述控制器可以构造成当由所述至少一个传感器发送的所述至少一个参数的值满足所述阈值标准时，发送信号到所述叶片轴承组件以改变该叶片轴承组件的状态从而更好地吸收所述叶片上的负载。
在又另一个实施方式中，风轮机包括：塔架；位于所述塔架的顶部附近的机舱；转子，该转子具有轮毂和多个叶片，所述多个叶片从所述轮毂延伸并且构造成与风相互作用以使所述转子旋转；叶片轴承组件，该叶片轴承组件用于将所述叶片可旋转地安装到所述轮毂，所述叶片轴承组件包括滑动轴承组件，该滑动轴承组件具有联接到所述转子叶片或所述轮毂中的一个的外构件、联接到所述转子叶片或所述轮毂中的另一个的内构件、以及使所述内构件和所述外构件分离的流体膜；能够改变所述风轮机的动态状态的至少一个子系统；以及控制系统，该控制系统具有可操作地联接到所述叶片轴承组件的控制器、能够改变所述风轮机的动态状态的至少一个子系统、以及用于监控所述流体膜的指示叶片上的负载的至少一个参数的至少一个传感器。
附图说明
并入该说明书并且组成该说明书的一部分的附图示出了本发明的各种实施方式，并且和在上文给出的本发明的概括描述和在下文给出的实施方式的详细描述一起用来说明本发明的实施方式。
图1是风轮机的示意性立体图；
图2是图1的风轮机的一部分的放大立体图；
图3是根据本发明的实施方式的叶片轴承组件的分解立体图；
图4是大致沿线4-4截取的图2所示的叶片轴承组件的剖面图；
图5是图4所示的叶片轴承组件的一部分的放大剖面图；
图6是根据本发明的替代实施方式的类似于图5的放大剖面图；以及
图7是示出根据本发明的实施方式的操作风轮机的方法的流程图。
具体实施方式
参照图1和图2并且根据本发明的实施方式，风轮机10包括：塔架12；设置在塔架12的顶点处的机舱14；以及转子16，所述转子16可操作地联接到被收纳在机舱14内的发电机(未示出)。除发电机之外，机舱14还收纳有将风能转化成电能所需的各种各样的部件以及操作、控制和最优化风轮机10的性能所需的各种部件。塔架12支撑由机舱14、转子16以及风轮机10的被收纳在机舱14内的其它部件带来的负载，并且该塔架12还操作以视情况将机舱14和转子16举起到地平面或海平面以上的高度，在该高度下通常发现有更低湍流的更快移动气流。
被描绘成水平轴风轮机的风轮机10的转子16用作机电系统的原动机。超过最小水平的风将致动转子16并且使其沿大体上垂直于风向的方向旋转。风轮机10的转子16包括中心轮毂18和多个叶片20，所述多个叶片20在绕中心轮毂18周向分布的位置处从该中心轮毂18向外伸出。在代表性实施方式中，转子16包括三个叶片20，但是数量可变。叶片20构造成与经过气流相互作用以产生导致中心轮毂18绕纵向轴线22旋转的升力。叶片20的设计和构造为本领域普通技术人员所熟悉并且将不再进一步详细描述。
风轮机10可以被包括在属于风电场或风场的类似风轮机的集合之中，该风电场或风场用作通过输电线与电力网(诸如三相交流(AC)电力网)连接的发电站。电力网通常包括发电厂的网络、传输电路以及由输电线的网络连接的变电站，该输电线将电力传输到呈电力设施的终端用户及其它用户形式的负载。在正常情况下，如本领域普通技术人员所公知的，电功率被从发电机供应到电力网。
根据本发明的实施方式，叶片20被安装到轮毂18从而可绕大致沿叶片的长度方向(例如沿从叶片根部到其末端的方向)延伸的叶片纵向轴线24旋转，如由图2中箭头26所示。在这点上，风轮机10包括总体上以28示出的叶片轴承组件，该叶片轴承组件便于将叶片20可旋转地安装到轮毂18。在本发明的一个方面，叶片轴承组件28不是常规的滚子元件类型的，而是被设计为滑动轴承。更具体地，在示例性实施方式中，叶片轴承组件28表征为静压滑动轴承。
一般而言，滑动轴承相对于滚子元件轴承具有增加的工作寿命。寿命增加的主要原因在于，不同于滚子元件轴承，滑动轴承不具有设置在两个相对可动部件之间的用于支撑负载且便于低摩擦运动的结构元件。替代地，滑动轴承通常具有设置在两个相对可动部件之间的用于支撑负载并且便于相对运动的流体膜。因此，可以避免与滚子元件相关联的磨损和疲劳问题以及与滚子元件的更换和维护相关联的成本。因此，滑动轴承代表对于滚子元件轴承的有吸引力的替换物。另选地，滑动轴承被设计成消除或最小化面-面接触，从而可以以甚至更低的摩擦来操作，这可以进一步提高效率。
存在两种主要类型的滑动轴承：静压轴承和动压轴承，每种轴承通常均具有：外构件，该外构件限定围绕内构件紧密地装配的开口；以及内构件和外构件之间的流体膜。在动压轴承中，内构件的旋转自加压(self-pressurize)夹在构件的面对表面之间的流体膜从而支撑负载并且维持内构件和外构件分离。除非内构件以足够大的速度旋转，否则流体膜可能不能够完全支撑负载并且维持内构件和外构件彼此分离。在该情况下，动压轴承不会在全膜条件下操作，而是在边界条件下操作，在该边界条件下，负载由流体膜部分地承载并且通过与外构件直接表面接触来部分地承载。在边界条件下操作动压轴承能引起磨损或损坏，从而可能显著缩短轴承的工作寿命。
在另一方面，静压轴承包括外泵，该外泵使围绕内构件的流体膜加压(与内构件的具体动态状态无关)以支撑负载并且维持内构件与外构件分离，即使当内构件相对于外构件缓慢旋转或根本不旋转时也是如此。为了实现流体膜的外部加压，静压轴承通常包括多个袋或腔，所述多个袋或腔通常形成在面对表面中，所述袋被供应有来自外部贮存器并且由外泵加压的润滑液体(例如，油、润滑脂等)。
当应用于叶片轴承组件时，在风轮机10的正常操作条件下，叶片20和轮毂18之间存在相对小和/或间歇性的相对运动。在这点上，在大多数情况下，叶片20相对于轮毂18的位置大致是固定的。然而，有时，可能需要相对于轮毂18移动叶片20。例如，当通过例如使叶片20绕轴线24旋转来调节叶片20的变桨时，这种移动将是最常发生的。因此，如所实施的，叶片轴承组件通常缺少支撑动压滑动轴承设计所必需的充分动态条件。因此，为了获得本发明的各种实施方式中的滑动轴承的利益，叶片轴承组件28可以构造为静压滑动轴承。
图3和图4示出了构造为滑动轴承并且更具体地构造为静压滑动轴承的叶片轴承组件28的示例性实施方式。在这点上，叶片轴承组件28包括外构件30和可相对于该外构件30移动的内构件32。例如，并且如将在下文更加详细地讨论的，内构件32能够诸如绕轴线24相对于外构件30旋转。在该示例性实施方式中，外构件30构造成联接到转子轮毂18并且内构件32构造成联接到风轮机10的叶片20。然而应当认识到，在替代实施方式中，外构件30可以联接到叶片20并且内构件32可以联接到转子轮毂18(未示出)。根据被构造为滑动轴承的叶片轴承组件28，外构件30和内构件32由外部加压的流体膜分离(图5)。
内构件32可以构造成环形座圈(例如，平面图中大致圆形)，也就是说，在一个实施方式中，大体上实心并且横截面大致是矩形。本发明不如此受限，因为内构件32另选地可以是中空的和/或具有其它横截面形状。无论如何，内构件32通常包括：内表面34；大致与内表面34相反的外表面36；在内表面34和外表面36之间延伸的上表面38；以及也在内表面34和外表面36之间延伸并且大致与上表面38相反的下表面40。内表面34限定内构件32中的中心开口42，如图中所示。内构件32可以由包括诸如钢的各种金属的任何适当材料形成。应当理解，术语“内”、“外”、“上”和“下”在本文用来便于全面且完整描述和理解本发明的方面并且不会将本发明限于任何具体的坐标系和/或定向。那些本领域普通技术人员将理解并意识到，本发明的方面与定向、坐标系以及这些具体描述性术语的使用无关。
如上所述，在一个实施方式中，内构件32构造成被联接到风轮机叶片20。在这点上，叶片20具有大致圆柱形的根端44，该根端44限定端面46，该端面中形成有多个盲螺纹孔48。内构件32还包括靠近内表面34但略在内表面34靠外的多个通孔50，当叶片20被定位在内构件32附近时，所述多个通孔50大致与叶片20的根端44中的孔48对准。诸如螺栓等的紧固件52可以例如经由下表面40插入通孔50内以便将叶片20紧固到内构件32。在一个实施方式中，中心开口42的横截面尺寸可以与被限定在根端44中的开口54的横截面尺寸对应，使得内构件32的内表面34大致与叶片20的根端44的内表面56齐平。然而其它布置是可能的。例如，在替代实施方式中，内表面34可以从根端44的内表面56靠内(例如内构件32中的较小的中心开口42)，内表面34也可以从根端44的内表面56靠外。因此，图中所示的具体构造不是限制性的。
现在转向外构件30，该外构件30也构造为环形座圈(例如平面图中大致圆形)，但是该外构件30具有大致C形的横截面轮廓，该C形横截面轮廓限定构造成在其中接纳内构件32的环形腔58(图4)。在这点上，外构件30包括：外壁60；联接到外壁60的上端的上壁62；以及联接到外壁60的下端并且大致与上壁62相对的下壁64。外构件30不包括内壁，因此沿着其内部方位是敞开的，从而给环形腔58提供通路并且提供具有C形轮廓的外构件30。
在示例性实施方式中，外壁60在平面图中大致是圆形的并且横截面是矩形的，因此外壁60通常包括：内表面66；大致与内表面66相反的外表面68；在内表面66和外表面68之间延伸的上表面70；以及也在内表面66和外表面68之间延伸并且大致与上表面70相反的下表面72。上壁62具有板状或盘状构造，并且包括：内表面74；大致与内表面74相反的外表面76；在内表面74和外表面76之间延伸的上表面78；以及也在内表面74和外表面76之间延伸并且大致与上表面78相反的下表面80。下壁64类似于上壁62，并且包括：内表面82；大致与内表面82相反的外表面84；在内表面82和外表面84之间延伸的外表面86；以及也在内表面82和外表面84之间延伸并且大致与上表面86相反的下表面88。
上壁62可以联接到与其外表面76相邻的外壁60，使得外表面68、76大致齐平并且上壁62从外壁60向内突出。类似地，下壁64可以联接到与其外表面84相邻的外壁60，使得外表面68、84大致齐平并且下壁64从外壁60向内突出。这样，上壁62、外壁60和下壁64限定环形腔58的三个边界侧。在一个实施方式中，上壁62和下壁64可以包括通孔，并且外壁60的上表面70和下表面72可以包括用于接纳螺纹紧固件等的螺纹孔，该螺纹紧固件(未示出)将壁牢固地联接在一起。外壁60、上壁62和下壁64中的每一个均可以由包括(例如且不限于)钢或其它金属的适当材料形成。
如上所述，在一个实施方式中，外构件30可以构造成联接到风轮机10的轮毂18。在这点上，轮毂18包括开口90以及在开口90周围间隔开并靠近开口90的多个通孔92。外构件30(并且更具体地其下壁64)还包括朝其下表面88敞开的多个盲螺纹孔94，当外构件30定位在轮毂18附近时，螺纹孔94大致与轮毂18中的通孔92对准。诸如螺栓等的紧固件52可以经由例如轮毂18的内部插入通孔92内，以便将外构件30紧固到轮毂18。在一个实施方式中，开口90的横截面尺寸可以与由下壁64的内表面82限定的开口96的横截面尺寸对应，使得下壁64的内表面82大致与限定轮毂18中的开口90的内表面98齐平。然而其它布置是可能的，并且内表面82、98不必彼此齐平。
为了实施本发明的滑动轴承方面，在一个实施方式中，外构件30包括总体上以100示出的多个衬垫，每个衬垫均能够建立和/或维持流体膜102，用于以基本上无接触的方式将内构件32支撑在外构件30内，但是允许内构件32和外构件30之间的相对运动(图5)。如图中所示，上壁62的下表面80包括联接到其上的至少一个(优选地多个)衬垫100，并且下壁64的上表面86也包括联接到其上的至少一个(优选地多个)衬垫100。如所示的，下表面80和上表面86中的每个上存在六个衬垫100。然而，应当认识到，取决于具体应用，更多或更少的衬垫100可以联接到下表面80和上表面86。还应当认识到，下表面80和上表面86在每个表面上可以具有相同数量的衬垫100或者具有不同数量的衬垫100。
虽然图中所示的实施方式示出了联接到外构件30的衬垫100，但是应当认识到，在替代实施方式中，衬垫100可以联接到内构件32。更具体地，在这种替代实施方式中，衬垫100可以联接到内构件32的上表面38和下表面40。另外，虽然图示出了用于建立和/或维持流体膜102的单独的衬垫100，但是在其他替代实施方式中，衬垫100可以被省除并且流体膜102被直接建立在外构件30和内构件32的表面之间。例如，流体袋或腔(见下文)可以直接形成在上壁62的下表面80和下壁64的上表面86中(未示出)。另选地，流体腔可以直接形成在内构件32的上表面38和下表面40中(未示出)。
在示例性实施方式中，每个衬垫100的构造基本上相同并且一个衬垫的描述将足以用作叶片轴承组件28中的每个衬垫100的充分描述。在这点上，衬垫100具有大致拱形形状，并且包括：大致拱形内表面104；大致拱形外表面106；构造成联接到上壁62或下壁64的适当表面的接合表面108；支撑表面110，所述支撑表面110与接合表面108相反、背离联接到衬垫100的表面且面对内构件32；以及一对间隔开的端面112、114。衬垫100可以联接到上壁62的下表面80，使得衬垫100的内表面104从上壁62的内表面74靠外，并且外表面106从外壁60的内表面66靠内。类似地，衬垫100可以联接到下壁64的上表面86，使得衬垫100的内表面104从下壁64的内表面82靠外，并且外表面106从外壁60的内表面66靠内。另外，在相邻对的衬垫100之间可以存在间隙116，该间隙的尺寸取决于用于叶片轴承组件28中的衬垫100的数量和长度。
衬垫100中的每个均包括形成在支撑表面110中的流体袋或腔118，从而面对内构件32或向内构件32敞开。在替代实施方式中，其中衬垫100联接到内构件32，流体腔118可以布置成使得面对外构件30(并且更具体地，其表面80、86)(未示出)或向外构件30(并且更具体地，其表面80、86)(未示出)敞开。腔118可以具有各种构造，包括例如且不限于矩形构造、弯曲或拱形构造、或楔形构造，各种构造中的每个均在共有的美国申请序列号12/883,695和12/883,702中更详细地描述，上述申请中的每篇均以引用方式全部并入本文。每个腔118均可以具有大约2mm的深度，诸如最大深度或平均深度。当然，腔118的深度可以根据具体应用而变化，但是通常是期望大约2mm或更深。每个衬垫100均包括向支撑表面110中的腔118敞开的至少一个端口120。端口120作为高压端口操作，用于将流体引入叶片轴承组件28并且使流体膜102加压(为了说明性目的而在图中放大)。在这点上，至少一个流体端口120可以可操作地联接到构造成使流体膜102加压的压力产生装置(例如，以122示意性示出的泵)。泵122应当被规定规格从而使流体膜102充分加压到一定水平，在极端情况下(诸如，停顿条件或其它高负载动态条件下)，该水平支撑内构件32上的负载。
泵122可以可操作联接到用于供给流体的流体源或贮存器124，该流体在操作期间在衬垫100的支撑表面110和内构件32之间形成流体膜102。如图5所示，泵122可以可操作地联接到以126示意地示出的控制器，所述控制器用于控制泵122的操作并从而使流体膜102加压。控制器126可以是专用于控制泵122的单独的控制器。另选地，控制器126可以是用于控制风轮机10的总体操作的较大控制系统的一部分。以128示意地示出的阀可以设置在联接高压端口120和泵122的线路中，从而使叶片轴承组件28中的流体膜102与泵122选择性地隔离。阀128可以可操作地联接到控制器126以用于选择性地开启以及关闭阀128。应当认识到，每个衬垫100均可以可操作地联接到其自身专用的泵122、贮存器124和阀128。另选地，衬垫100可以共同地可操作地联接到单个泵122、贮存器124和阀128。
在一个实施方式中，衬垫100中的端口120也可朝其接合表面108敞开，接合表面108进而与外构件30的上壁62和下壁64中的流道130流体连通。另外或另选地，端口120可以朝向衬垫100的内表面104(图4中的双点划线所示)敞开。这种替代端口为接近具有流体供应管的衬垫100提供另一选择。衬垫100可以由任何合适材料形成，所述材料包括例如并不限于复合材料、金属、塑性材料或其组合。另选地，在一个实施方式中，衬垫100可以利用诸如螺栓等的适当紧固件(未示出)被分别紧固到上壁62的下表面80和下壁64的上表面86。然而，如下文更详细地讨论的，其它布置也是可能的。
图4和图5示出了根据示例性实施方式的组装好的叶片轴承组件28。在这点上，内构件32定位在外构件30的环形腔58中，使得内构件32的外表面36面对外壁60的内表面66；内构件32的上表面38面对上壁62的下表面80；并且内构件32的下表面40面对下壁64的上表面86。更具体地，当被组装时，内构件32的上表面38面对安装在上壁62的下表面80上的衬垫100的支撑表面110，并且内构件32的下表面40面对安装在下壁64的上表面86上的衬垫100的支撑表面110。
使用中，泵122可以诸如由控制器126致动，从而在内构件32的每一侧上的衬垫100的支撑表面110与内构件32的上表面38和下表面40之间建立加压流体膜102。如上所说明的，由于该外部加压，流体膜102能够支撑内构件32上的负载，而与该流体膜102中产生的动压力(如果有的话)无关。因此，流体膜102基本上避免外构件30和内构件32之间的面-面接触。应当注意，期待内构件32的载荷主要沿轴向或纵向(即，主要沿着轴线24引导)。因此，叶片轴承组件28构造成使得衬垫100和所得到的流体膜102支撑内构件32的纵向载荷(例如，由叶片20产生的)。然而，叶片轴承组件28还可以构造成也吸收一些径向载荷。
由于径向载荷同纵向载荷相比相对不重要的预计，所以可以采取不同方法来吸收内构件32的径向载荷。在这点上，外壁60的内表面66可以包括联接到其上并且构造成支撑内构件32的径向载荷的径向轴承支撑壳体132。在一个实施方式中，支撑壳体132可以构造为环形带，该环形带具有：外表面134，该外表面诸如通过紧固件、粘合剂等联接到外壁60的内表面66；以及内表面136，该内表面构造成面对内构件32的外表面36。支撑壳体132构造成由适当的低摩擦材料形成，该低摩擦材料不仅提供沿径向的支撑，而且提供内构件32在外构件30内的低摩擦旋转。作为示例并且不加限制地，支撑壳体132可以由聚四氟乙烯(PTFE)或能够经受住强加在其上的预期径向负载的其它适当的低摩擦材料形成。
如上所述，在大多数情况下，内构件32(因此，例如，叶片20)的位置被相对于外构件30(因此，例如，轮毂18)固定。无论如何，叶片轴承组件28的加压流体膜102支撑内构件32的主要载荷并且允许转子16能够以其预定方式起作用(即，流体膜102基本上维持外构件30和内构件32分离)。另外，然而，当希望相对于外构件30移动内构件32时，叶片轴承组件28允许它们之间的这种相对运动。例如，风轮机10可以包括叶片变桨系统，该叶片变桨系统在图4中以138的双点划线示出，其用于调节叶片20相对于风向(并且相对于轮毂18)的变桨。在这点上，内构件32的内表面34可以构造成与用于使内构件32相对于外构件30旋转的变桨机构协同操作。更具体地，内构件32的内表面34可以包括肋140，该肋具有构造成与可操作地联接到变桨控制电机146的齿轮144配合的多个齿142。变桨控制电机146可以联接到用于控制叶片20的变桨的控制器，诸如控制器126或风轮机控制器(在下文更详细地讨论)。应当认识到，变桨系统138可以包括可操作地联接到带齿肋140的用于使叶片20变桨的多个变桨电机146并且不限于本文所示的具体构造。
在图5所示的实施方式中，衬垫100可以通过诸如螺纹紧固件等(未示出)被牢固地固定到外构件30的表面80、86。因而，衬垫100不能相对于外构件30的支撑表面80、86移动。在图6中相同的附图标记指示图5中相同的特征，且图6示出了替代实施方式，其中衬垫100可移动地联接到外构件30的表面80、86。更具体地，衬垫100可以安装到外构件30的表面80、86从而朝向内构件32偏置。在一个实施方式中，偏置力可以由每个衬垫100上的一个或更多个弹簧148提供，以将衬垫100联接到外构件30的表面80、86。其它偏置机构(包括例如气动致动器或液压致动器)也可是可能的，以在衬垫100上产生朝向内构件32的偏置力。
这种衬垫100上的偏置力维持衬垫100的支撑表面110紧贴内构件32的面对表面38、40，使得流体膜102在操作期间不被破坏(例如，维持流体膜102内的压力)。另外，衬垫100可移动地联接到外构件30向叶片轴承组件28提供了自对准特征。在这点上，例如，假如叶片20在其联接到轮毂18时略微未对准，则衬垫100略微移动的能力继而会允许叶片轴承组件28能够更容易地吸纳该未对准。这方面允许叶片轴承组件28能够在其实施中更稳固。
在根据本发明的实施方式的一个方面中，叶片轴承组件28的部件可以构造成可以相对快速且方便的方式更换。在这点上，传统滚子元件叶片轴承组件的更换常常需要从轮毂18上完全移除叶片20。因此这需要起重机和其它重型设备，以实现叶片轴承更换。结果，传统叶片轴承的更换常常是费时的、劳动密集且昂贵的。
在本设计中，衬垫100构造成在不从轮毂18移除叶片20的情况下可被更换。在这点上，下壁64上的衬垫100可以从轮毂18内部被接近。为了接近上壁62上的衬垫100，在外构件30的外壁60中能够形成多个检修孔150(在图5中以双点划线示出)。检修孔150可以由可移除门或舱口、可滑动门或其它可移除覆盖物覆盖，所述覆盖物为环形腔58提供选择性入口，使得上壁62上的衬垫100可以被更换。除衬垫100之外，支撑壳体132可经由例如外壁60中的检修孔150被更换。
在另一方面，风轮机10可以包括具有以152示意地示出的风轮机控制器的控制系统，所述风轮机控制器可操作地联接到叶片轴承组件28以基于叶片轴承组件28中的某些条件控制风轮机10的操作。在一示例性实施方式中，当在叶片轴承组件28中存在潜在的破坏或不合需要的情况时，控制器152可以构造成改变风轮机10的动态状态或者另外或另选地修改叶片轴承组件28本身的特征或特性，从而减小对叶片轴承组件28形成破坏的可能性。这样，可以延长叶片轴承组件28的工作寿命。
为此，风轮机控制器152可以可操作地联接到一个或更多个子系统(具有可以是单独的或一体形成在控制器152内的控制器)，以改变风轮机10的动态状态。作为示例并且不加限制地，控制器152可以可操作地联接到：i)用于控制转子16关于塔架12的偏航的偏航控制器(未示出)；ii)用于控制叶片20相对于风向的变桨的变桨控制器(未示出)；和/或iii)用于阻止转子16绕纵向轴线22旋转的制动系统(未示出)。这些各种子系统具有影响风轮机10的动态状态的能力。更具体地，并且如在下面更详细地讨论的，这些子系统能够影响叶片20上的载荷，这进而影响叶片轴承组件28的操作。上面提供的子系统是示例性的并且那些本领域普通技术人员可以认识到影响风轮机10的动态状态的其它子系统。除上述以外，风轮机控制器152可以进一步可操作地联接到叶片轴承组件28并且能够影响该叶片轴承组件28的状态从而更好地吸收叶片20上的负荷。
根据本发明的方面，并且参考图7，控制器152可以监控与叶片轴承组件28的操作相关联的一个或更多个参数，如步骤154所示。在一示例性实施方式中，监控的参数通常指示施加到叶片的负载；在下面更详细地描述了其若干实施例。然后将监控的参数与存储在控制器152中的阈值相比，如步骤156所示。假如监控的参数小于阈值，则风轮机10继续操作而没有来自该特殊控制系统的干涉。在另一方面，假如监控的参数满足或超过阈值，则控制器152构造成改变风轮机10的操作从而降低叶片20上的负载、和/或改变叶片轴承组件28的运行条件从而更容易地吸收叶片20上的负载。
假如超过阈值，则控制器152可以构造成改变风轮机10的动态状态，以降低叶片上的负载，如步骤158所示。在这点上，控制器152可以构造成使转子16相对于塔架12偏航，从而使转子16离开风，如步骤160所示。另外或另选地，控制器152可以构造成使转子叶片20变桨以使其离开风，从而降低转子16的驱动力，从而降低叶片20的载荷，如步骤162所示。更进一步另外或另选地，控制器152可以构造成施加制动，从而使转子16的角速度减慢，如步骤164所示。那些本领域普通技术人员可以认识到在达到监控的参数中的阈值时降低叶片20上的载荷的其它方式，并且本发明的实施方式不限于如上所述的。无论如何，用这样的方式改变风轮机10的动态状态构造成防止或降低破坏叶片轴承组件28和缩短其工作寿命的可能性。
因为叶片轴承组件28构造为静压滑动轴承，所以另一个选择是可用的。在这点上，并且进一步如图7所示，假如超过阈值，则控制器152可以构造成增大叶片轴承组件28的外构件30和内构件32之间的流体膜102的加压，如步骤166所示，使得叶片轴承组件28可以更好地吸收叶片20上的负载。这可以例如通过增大泵122的输出来实现。类似于上述，改变叶片轴承组件28中的流体膜102的加压构造成防止或降低破坏叶片轴承组件28并缩短其工作寿命的可能性。
在一个实施方式中，可以实施各种技术，其中流体膜102的一个或多个特性可以被监控以提供叶片20上的负载的指示。在这点上，以168(图5)示意地示出的一个或多个传感器可以与衬垫100和内构件32之间的流体膜102连通，以用于监控流体膜102的至少一个特性。传感器168可以进一步可操作地联接到控制器152，以在叶片轴承组件28中可能存在潜在破坏或不期望的状况时影响风轮机10的操作。
在一个实施方式中，由传感器168监控的流体膜102的特性是压力。在这点上，传感器168可以是能够测量流体膜102在某些位置处的压力的压力传感器，该位置可以通过定位衬垫100和/或内构件32中的一个或更多个适当端口来选择。这种压力传感器在现有技术中通常是已知的并且是市场上可买到的。因此，压力传感器的详细描述被认为是不必要的。压力传感器可操作地联接到控制器152并且构造成发送指示叶片20上的负载的压力信号。假如如由压力传感器指示的压力超过阈值，则通过改变风轮机10的动态状态或者通过加压流体膜102可以改变风轮机10的操作，如在上面更完整说明的。
在另一个实施方式中，由传感器168监控的流体膜102的特性是温度。在这点上，传感器168可以是能够测量流体膜102在某些位置处的温度的温度传感器，该位置通过定位衬垫100和/或内构件32中的一个或更多个适当端口来选择。这种温度传感器在现有技术中通常是已知的并且是市场上可买到的。因此，温度传感器的详细描述被认为是不必要的。温度传感器可操作地联接到控制器152并且构造成发送指示叶片20上的负载的温度信号。假如如由温度传感器指示的温度超过阈值，则通过改变风轮机10的动态状态或者通过加压流体膜102可以改变风轮机10的操作，如上所述。
在又一个实施方式中，由传感器168监控的流体膜102的特性是膜厚度。在这点上，传感器168可以是能够测量或指示流体膜102在某些位置处的厚度的膜厚度传感器或接近传感器(proximity sensor)。作为示例并且不加限制地，膜厚度传感器可以根据感应理论或电容理论(例如，接近传感器)操作。这种传感器在现有技术中通常是已知的并且且市场上可买到的。因此这种类型的传感器的详细描述被认为是不必要的。还可以使用根据多种其它原理或理论操作的其它传感器。接近传感器可操作地联接到控制器152并且构造成发送指示叶片20上的负载的距离信号。假如如由接近传感器指示的膜厚度超过阈值(例如，降低到阈值以下)，则通过改变风轮机10的动态状态或者通过增加流体膜102的加压可以改变风轮机10的操作，如在上面更完整地说明的。
通过监控叶片20上的负载，可以避免在对叶片轴承组件28潜在有害的情况期间操作风轮机10。这种控制系统应该增加叶片轴承组件28的工作寿命，从而降低与风轮机10的整个操作相关联的更换和维护费用。
虽然已经通过各种实施方式的描述说明了本发明并且虽然已经相当详细地描述了这些实施方式，但是申请人的目的不是将所附的权利要求的范围限制或以任何方式限制在这种细节中。本领域技术人员容易看出附加的优点和变型。例如，虽然已经描述了实施方式具有多个离散的衬垫100，但是应当认识到，可以使用具有单个周向连续流体腔或离散数量的流体腔的单个周向连续衬垫(例如圈环)。因此，本发明在其更宽泛的方面因而不限于具体细节、代表性方法以及所述和所示的说明性实施例。因此，在不脱离概述性发明概念的精神或范围的情况下，可偏离这种细节。

Claims (21)

1.一种用于将风轮机的转子叶片安装到转子轮毂的滑动轴承组件，该滑动轴承组件包括：
外构件，该外构件构造成被安装到所述风轮机的所述叶片和所述轮毂中的一个并且包括环形腔；
内构件，该内构件构造成被安装到所述风轮机的所述叶片和所述轮毂中的另一个并且定位在所述环形腔中，使得所述内构件和所述外构件能够相对于彼此移动；
多个流体腔，所述多个流体腔与所述外构件和所述内构件中的一个相关联，这些流体腔面对所述外构件和所述内构件中的另一个，
其中所述流体腔构造成与流体源和压力源操作联接，以在所述内构件和所述外构件之间建立加压流体膜，该流体膜构造成支撑所述叶片的载荷，从而维持所述内构件和所述外构件分离，但是仍允许所述内构件和所述外构件之间的相对运动。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承组件，该滑动轴承组件还包括联接到所述外构件和所述内构件中的一个的多个衬垫，所述流体腔被限定在所述衬垫的面对所述外构件和所述内构件中的另一个的表面中。
3.根据权利要求2所述的滑动轴承组件，其中，所述衬垫是大致拱形的形状。
4.根据权利要求2或3所述的滑动轴承组件，其中，所述衬垫以可移动的方式联接到所述外构件和所述内构件中的一个。
5.根据权利要求4所述的滑动轴承组件，其中，所述衬垫通过至少一个弹簧联接到所述外构件和所述内构件中的一个，所述弹簧将所述衬垫朝向所述外构件和所述内构件中的另一个偏压。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的滑动轴承组件，该滑动轴承组件还包括支撑壳体，该支撑壳体设置在所述内构件和所述外构件之间并且构造成支撑所述滑动轴承组件的至少部分载荷。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的滑动轴承组件，其中，所述内构件形成为环形座圈，该环形座圈具有内表面、外表面、上表面以及下表面，并且所述外构件形成为环形座圈，所述外构件的该环形座圈具有外壁、联接到该外壁的上壁、以及联接到该外壁的下壁，所述外壁、所述上壁以及所述下壁形成所述环形腔的边界。
8.根据权利要求7所述的滑动轴承组件，其中，所述内构件的所述内表面包括多个齿，所述多个齿构造成与变桨机构协作，以使所述外构件和所述内构件中的一个相对于所述外构件和所述内构件中的另一个移动。
9.根据权利要求7或8所述的滑动轴承组件，其中，至少一个衬垫联接到所述上壁的下表面，并且至少一个衬垫联接到所述下壁的上表面。
10.一种风轮机，该风轮机包括：
塔架；
机舱，该机舱位于所述塔架的顶部附近；
转子，该转子具有轮毂和多个叶片，所述多个叶片从所述轮毂延伸并且构造成与风相互作用以使所述转子旋转；
叶片轴承组件，该叶片轴承组件用于将所述叶片以可旋转的方式安装到所述轮毂，所述叶片轴承组件包括根据权利要求1-10中任一项所述的滑动轴承组件；以及
变桨系统，该变桨系统用于使所述叶片相对于所述轮毂旋转。
11.根据权利要求10所述的风轮机，该风轮机还包括泵，该泵用于使所述叶片轴承组件的所述外构件和所述内构件之间的所述流体膜加压。
12.一种操作具有叶片轴承组件的风轮机的方法，该叶片轴承组件包括联接到转子叶片和轮毂中的一个的外构件、联接到所述转子叶片和所述轮毂中的另一个的内构件、以及使所述外构件和所述内构件分离的流体膜，所述风轮机还具有能够改变其动态状态的至少一个子系统，所述方法包括：
监控所述流体膜的指示所述叶片上的负载的至少一个参数；
将所述至少一个参数和阈值标准比较；以及
当所述至少一个参数满足所述阈值标准时，执行下列步骤中的至少一个：i)改变所述风轮机的动态状态以降低所述叶片上的负载；和ii)改变所述叶片轴承组件的状态从而更好地吸收所述叶片上的负载。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，监控所述流体膜的所述至少一个参数还包括下述的至少一种：监控该流体膜的压力；监控该流体膜的温度；以及监控该流体膜的厚度。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，改变所述风轮机的动态状态以降低所述叶片上的负载还包括以下步骤中的至少一个：i)使所述机舱相对于所述塔架偏航；ii)使所述风轮机的所述叶片变桨；以及iii)施加制动以使所述转子的速度减慢。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，改变所述轴承组件的状态从而更好地吸收所述叶片上的负载还包括：增加所述流体膜中的压力。
16.一种风轮机，该风轮机包括：
塔架；
机舱，该机舱位于所述塔架的顶部附近；
转子，该转子具有轮毂和多个叶片，所述多个叶片从所述轮毂延伸并且构造成与风相互作用以使所述转子旋转；
叶片轴承组件，该叶片轴承组件用于将所述叶片以可旋转的方式安装到所述轮毂，所述叶片轴承组件包括滑动轴承组件，该滑动轴承组件具有联接到所述转子叶片和所述轮毂中的一个的外构件、联接到所述转子叶片和所述轮毂中的另一个的内构件、以及使所述外构件和所述内构件分离的流体膜；
至少一个子系统，所述至少一个子系统能够改变所述风轮机的动态状态；以及
控制系统，该控制系统用于控制所述风轮机的操作，所述控制系统包括：
控制器，该控制器与所述叶片轴承组件和所述至少一个子系统操作联接；和
至少一个传感器，所述至少一个传感器用于监控所述流体膜的指示叶片上的负载的至少一个参数，所述至少一个传感器与所述控制器操作联接并且构造成发送与所述至少一个参数的值对应的信号到所述控制器；
其中所述控制器构造成当由所述至少一个传感器发送的所述至少一个参数的值满足阈值标准时，发送信号到所述至少一个子系统，以改变所述风轮机的动态状态，从而降低所述叶片上的负载。
17.根据权利要求16所述的风轮机，其中，所述至少一个子系统选自由下列系统组成的组：用于控制所述机舱相对于所述塔架旋转的偏航控制系统；用于控制所述多个叶片的变桨的变桨控制系统；用于降低所述转子的速度的制动系统；或它们的组合。
18.根据权利要求16或17所述的风轮机，其中，所述至少一个传感器选自由下列传感器组成的组：压力传感器、温度传感器、膜厚度传感器或它们的组合。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的风轮机，其中，所述控制器构造成当所述至少一个参数的值满足所述阈值标准时，改变所述风轮机的动态状态以降低所述叶片上的负载。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的风轮机，其中，所述控制器构造成当所述至少一个参数的值满足所述阈值标准时，改变所述叶片轴承组件的状态以更好地吸收所述叶片上的负载。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的风轮机，该风轮机还包括泵，该泵与所述控制器操作联接并与所述叶片轴承组件操作联接，当所述至少一个参数的值满足所述阈值标准时，所述控制器致动所述泵以增大所述内构件和所述外构件之间的所述流体膜的压力。
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