CN103189643B - 油润滑的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种润滑方法和一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括具有毂的转子，转子由主轴承支撑，该主轴承具有两个相对的轴承座圈，轴承座圈被润滑区域中的可转动地适配的轴承滚子同轴地间隔开，润滑区域被轴承座圈之间的油密封环密封。润滑区域包括可操作地连接至油供应源的一个或多个入油口，和一个或多个出油口。出口与润滑区域的最低点之间的竖直距离是外轴承座圈的内径的0‑0.2倍。入口和油供应源配置为所供应的油流量不超过一个或多个出口的排出容量。

Description

油润滑的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及风力涡轮机并且涉及用于这种风力涡轮机的润滑方法。风力涡轮机包括具有毂的转子，转子被主轴承支撑，主轴承具有：连接至毂的转动式轴承座圈、不动式轴承座圈、和在两种轴承座圈之间的润滑区域，该润滑区域被轴承座圈之间的油密封环密封。根据本发明的润滑系统和方法特别用于直驱式风力涡轮机，该直驱式风力涡轮机在发电机的转动部分和转子的毂之间是无齿轮连接的。

背景技术

直驱式风力涡轮机能设有单个主轴承，以承载发电机转子和转子与毂及转子叶片的组件。这些主轴承一般都非常大。为了润滑风力涡轮机轴承，通常使用润滑油脂而不是润滑油，以减少渗漏的损失，虽然油在较长的使用期限通常具有更好的润滑效果、更有效地去除污物并增加散热。

EP1710432A1公开了无齿轮直驱式风力涡轮机，其中转子被主轴承完全承载。主轴承设有具有入油口槽道和出油口槽道的油润滑系统，该油润滑系统布置成总是将期望的油量提供到润滑区域中，以希望在润滑油泵故障的情况下确保通过被动的喷溅润滑提供备用。已产生的储油器形成了在其自身重力作用下的油柱积聚压力、达到了渗漏危险大大增加的程度。另外，大量污物在润滑区域的最低点处被收集，从而形成损坏轴承座圈或轴承滚子的潜在原因。

本发明的目的是提供用于风力涡轮机（特别是直驱式风力涡轮机）中的主轴承的油润滑系统，该油润滑系统具有润滑油渗漏可能性较小的机构。

发明内容

本发明的目的通过一种风力涡轮机实现，该风力涡轮机包括具有毂的转子，转子由主轴承支撑，该主轴承具有被润滑区域中的可转动地适配的轴承滚子同轴地间隔开的两个相对的轴承座圈，该润滑区域被轴承座圈之间的油密封环密封，其中润滑区域包括可操作地连接至油供应源的一个或多个入油口和一个或多个出油口，出油口中的至少一个与润滑区域的最低点之间的竖直距离是外轴承座圈的内径的0-0.2倍，其中一个或多个入油口与油供应源配置成在重力作用下所供应的经过润滑区域的油流量不超过一个或多个出油口的排出容量。这种情况下，润滑区域中不留下永久的油体积。结果，油密封环上的压力被最小化，从而导致基本较小的渗漏。

在这方面，油流量是采取连续相的形式的油流。油不喷溅。

一个或多个出油口设置成干油箱循环润滑能通过泵的作用在整个润滑区域实现。出口能被布置和配置成例如在外轴承座圈或内轴承座圈的最低点处或附近使润滑油在重力作用下的流出量基本最大化。例如，在外轴承座圈是不动式的情况下，出油口中能被定位在外轴承座圈的底部区域中、位于内座圈的最低点下方，或者在内轴承座圈是不动式的情况下，出油口中能被定位在内座圈中的与外座圈的所述底部区域径向相对的区域中。

两个轴承座圈包括被轴承滚子同轴地间隔开的内轴承座圈和外轴承座圈。通常，轴承座圈中的一个是不动式的，而另一个轴承座圈是转动式的。一个或多个出口位于不动式轴承座圈中，该不动式轴承座圈能是内轴承座圈或外轴承座圈。轴承滚子例如能包括圆柱形和/或圆锥形元件。

由于失去喷溅润滑能力，能借助泵的作用通过循环润滑进行润滑。经过一个或多个入口的油的供应例如能是连续的或间歇性的。对于尺寸一般设置成用于兆瓦级（multi-MW）直驱式风力涡轮机的轴承，大约5l/min的油流基本提供了充分的润滑。该流量可能是双倍或三倍的，以提供额外的稳健性（robustness）或冷却。

在润滑区域的一部分中，油随着转动式轴承座圈的转动自由地流动，而在润滑区域的其余部分中重力迫使油逆着转动式轴承座圈的转动而流动。为了提供整个润滑区域上油的均匀分布，就转动式轴承座圈的转动而言，一个或多个入油口中的至少一个能定位在润滑区域的最低点的后面小于180°，例如小于90°处。

为了另外地减小渗漏的风险，润滑区域能设有吸气泵，该吸气泵布置成提供润滑区域中的负压空气压力。该压力例如能保持在-5·10⁴－-10³帕的水平，以弥补密封件中的毛细效应和在最低出口下方收集的油产生的可能的压力。这有效地减小了例如由微小的损坏或轴承密封件的磨损所引起的渗漏，并且有助于减少维护成本。

在特定的实施例中，出口能连接至通向储油器的排出管线，储油器又连接至通向入口的供给管线，其中泵布置成使油循环经过油路，该油路由轴承、出口、排出管线、储油器、供给管线和入口构成。一个或多个过滤单元能布置在该油路中，以去除污物和污染物。

在正常的工作条件下，在储油器中的油的体积例如能是保留在轴承中（例如由于粘着）和在排出管线和供给管线中的油的量的两倍或更多倍。为了弥补启动期间由于排空排出管线或由于过滤器更换的损失所需的油，能在储油器中使用更大量的油。对于常规的兆瓦级直驱式风轮机，在储油器中的油量例如能是大约20－50升或更多，如果期望的话。

选择性地，能提供一个或多个冗余润滑系统。例如，两个系统能同时被提供动力，而不管是否其中一个润滑系统发生故障。可选地，能提供例如能被自备电源致动的第三润滑系统，自备电源不被整个系统的故障或电网断电干扰。这种系统能用于为备用的风力涡轮机提供残留润滑（survival lubrication），通常是约1－5升每小时。

利用根据本发明的润滑系统，在润滑区域的底部处的油积聚能通过使经过一个或多个入油口的油流量小于总合出口开口的最大总排出容量而被有效地防止。为此，入口的总积聚开口面积例如能小于出口的总积聚通流开口面积。可选地，如果使用可调整的入口和/或开口，一个或多个入油口和/或一个或多个出油口能被控制成经过入油口的油流量小于出油口的最大总排出容量。

利用根据本发明的风力涡轮机的润滑系统，油能在重力作用下经过一个或多个出口被排出。在出口处不需要泵，虽然能使用一个或多个泵，如果期望的话。如果使用排出泵，该排出泵例如能布置在出口和可能使用的储油器之间。润滑系统中的泵的数量能被最小化，例如，只有单个泵向入油口提供油流量。

油密封环例如能是接触密封环，如唇形密封件。密封环例如能由橡胶或弹性材料制成。

由于水平轴线风力涡轮机通常使它的转子以0－5度或更大的角度倾斜，轴承通常布置成以与竖直方向成类似倾斜角度而大体竖直。利用具有倾斜的水平轴线的风力涡轮机，在出油口和轴承座圈的最低点之间的竖直距离（如本发明所述的）是沿着相应倾斜的竖直方向的距离。

附图说明

将参考附图说明本发明，其中：

图1:以部分剖视图的方式示意性地示出根据本发明的风力涡轮机;

图2:以剖视图的方式示出图1的风力涡轮机的主轴承；

图3:示意性地示出图1中的风力涡轮机的润滑系统；

图4：示意性地示出具有根据本发明的润滑系统的风力涡轮机轴承的替代性配置；

图5示出直驱式兆瓦级风力涡轮机的主轴承；

图6示出直驱式兆瓦级风力涡轮机的主轴承的另一配置。

具体实施方式

图1示出具有塔2和在塔2的顶部上的舱3的风力涡轮机1的上部。锥形环4包括：具有较大直径的一侧5，在这里其附连至舱3；和具有较小直径的另一侧6，在这里其附连至主轴承7，主轴承7具有不动式内座圈8和转动式外座圈9（见图2）。包括（具有叶片12的）毂11的转子10附连至主轴承7的转动式座圈9并能围绕中心轴线X转动。具有永磁体的发电机转子14通过凸缘16附连至主轴承7的转动式座圈9并且由没有齿轮传动的转子10直接驱动。具有导电绕组的定子17安装在锥形环4上。在转子14上的永磁体沿着定子17的绕组转动，以引起经过绕组的电流。舱3能围绕竖直轴线转动，以将转子10偏转为朝向风。

主轴承7位于锥形环4和转子10之间，且被设计成吸收转子10上的重力载荷和空气动力载荷。

在图2中，主轴承包括圆柱形元件19，但是其他合适类型的滚子也能被使用。油密封环23、24密封外座圈9和内座圈8之间的间隙25。间隙25的容积形成润滑区域。

包括储油器18的润滑单元布置在舱内，以提供对主轴承7的润滑。泵28将油从储油器18经过供给管线20泵送至在润滑区域25中的入油口33。返回管道21引导从润滑区域25中的出口36返回到储油器18。出口36在间隙25的最低点附近。

图3示意性地示出风力涡轮机1的主轴承7的润滑系统。主轴承7的转动式外座圈9沿着附图中用“B”表示的方向转动。储油器18包括泵单元28。供给管线29从储油器18通向过滤单元30并且从过滤单元30到达布置在主轴承7的不动式内座圈8中的入油口33。主轴承7的内座圈8还设有在内座圈8的最低点处或附近的出油口36。入油口33位于主轴承7的润滑区域的最高点处。来自入口33的流动的油在重力作用下流到出口36。

图4示意性地示出无齿轮直驱式风力涡轮机的轴承40的可选的配置。轴承40包括被滚子元件43同轴地间隔开的不动式外轴承座圈41和转动式内座圈42。在内轴承座圈和外轴承座圈之间的空间限定在轴向两侧被油封件（未示出）密封的润滑区域44。外轴承座圈41包括第一入油口45和第二入油口46，第二入油口46所处的高度低于第一入油口45。外轴承座圈41还包括在润滑区域44的最低点处的出油口47，出油口47被布置且成形为使从系统排出的油量最大化。

从转动式内轴承座圈42的转动（附图中的箭头C）意义上讲，第二入油口46以角度α定位在出口47后面。在该特定实施例中，该角度α小于100°。从第二入口46流动的油的一部分沿着与内轴承座圈42的转动方向相反的方向在重力作用下流动经过最短的路径到达出口47。油的另一部分与转动式内轴承座圈42一起转动并且流动较长的路径到达出口47。由于第二入油口46的定位，润滑区域44的在入口45和46之间的部分被充分润滑。在润滑区域44的其他部分中，油借助重力沿着与内轴承座圈42的转动方向相反的方向流动，并且其被提供到的范围或多或少地与油沿着转动式内轴承座圈42的转动方向相一致的方向流动的部分相同。

出油口47布置在润滑区域的最低点处或附近并且可操作地连接至将油返回到储油器的排油管线（未示出）。出油口47的容量大于两个入油口45、46的总合容量。这种情况下，防止了油的积聚（渗漏的驱动力）。

在润滑区域44中，油从入口45、46流到在润滑区域的最低点处或附近的出油口47。在重力作用下，油借助出油口47不喷溅地流回到储油器，在这里其被泵单元再循环、经过过滤器和入口返回到润滑区域44内，其方式类似于图1-3中示出的系统。

主轴承7的润滑区域44还可操作地连接至吸气泵38，吸气泵38配置成提供润滑区域44中的负压空气压力。

在公开的实施例中，（最低的）出口被布置且配置成使润滑油在重力作用下的流出最大化，以避免在润滑区域的底部处的润滑油积聚。这能通过将出口布置在不动式轴承座圈的最低点处或附近而实现，该不动式轴承座圈能是内轴承座圈或外轴承座圈。如果出口只是在距离润滑区域的最低点的短距离处，则也能避免油积聚，如在图5和6中示出的。

图5示出直驱式兆瓦级风力涡轮机的主轴承50，其具有不动式外轴承座圈51和转动式内轴承座圈52。在轴承座圈51、52之间是具有入油口54和出油口55的环形润滑区域53。出油口55定位在外轴承座圈51的底部区域56中、在内轴承座圈52的最低点57下方。可选地，如果在这种结构中内轴承座圈52是不动式座圈，那么出口能定位在内轴承座圈52的与外轴承座圈51的所述底部区域56在径向上相对的区域58中。

图6示出直驱式兆瓦级风力涡轮机的主轴承60，其具有不动式外轴承座圈61和转动式内轴承座圈62。在轴承座圈61、62之间是具有入油口64和出油口65的环形润滑区域63。出油口65定位在外轴承座圈61的底部区域66中。在润滑区域的出口65和最低点67之间的竖直距离Z最多是对应于润滑区域63的径向宽度的一半的距离W。

独立的第二或另外的润滑系统能在润滑系统故障时被提供。可选地，其他类型的冗余候补系统（例如依靠自备电源运行的系统）也能被使用。

Claims (21)

1.一种风力涡轮机，其包括具有毂的转子，该转子由主轴承支撑，该主轴承具有被润滑区域中的可转动地安装的轴承滚子同轴地间隔开的两个相对的轴承座圈，该润滑区域被轴承座圈之间的油密封环密封，其中润滑区域包括可操作地连接至油供应源的一个或多个入油口以及一个或多个出油口，其中所述一个或多个入油口与油供应源配置成通过重力供应经过润滑区域的油流量不超过所述一个或多个出油口的排出容量，其中出油口被布置在外轴承座圈或内轴承座圈的最低点处且配置成借助重力使润滑油的流出量基本最大化，油通过泵送从所述出油口到入油口被再循环。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中外轴承座圈是不动式的并且出油口中的至少一个被定位在外轴承座圈的底部区域中且位于内轴承座圈的最低点下方，或者其中内轴承座圈是不动式的并且出油口中的至少一个被定位在内轴承座圈中且在与外轴承座圈的所述底部区域径向相对的区域中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中外轴承环是不动式的，并且在出油口中的至少一个与润滑区域的最低点之间的竖直距离最多是润滑区域的径向宽度的一半。

4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中就转动式的轴承座圈的转动而言，一个或多个入油口中的至少一个定位在润滑区域的最低点的后面小于180°处。

5.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中润滑区域包括距离所述一个或多个出油口一定距离的一个或多个抽吸开口，抽吸开口与一个或多个吸气泵连通，以提供在润滑区域中的负压气压。

6.根据权利要求中1或2所述的风力涡轮机，其中所述一个或多个出油口连接至通向储油器的排出管线，储油器又连接至通向入油口的供给管线，其中泵布置成使油通过油路循环，所述油路由所述主轴承、所述出油口、所述排出管线、所述储油器、所述供给管线和所述入油口构成。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中所述油路经过至少一个过滤器。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中风力涡轮机包括一个或多个冗余润滑系统。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中冗余润滑系统同时被提供动力。

10.根据权利要求8或9所述的风力涡轮机，其中冗余润滑系统包括能由自备电源致动的应急系统，所述自备电源不受整个系统故障或电网故障干扰。

11.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中内轴承座圈是不动式的，并且所述一个或多个出油口布置在不动式的内轴承座圈中。

12.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中外轴承座圈是不动式的，并且一个或多个出油口布置在不动式的外轴承座圈中。

13.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中就转动式轴承座圈的转动而言，一个或多个入油口中的至少一个定位在润滑区域的最低点的后面小于90°处。

14.一种润滑风力涡轮机的主轴承的方法，该风力涡轮机包括具有毂的转子，该转子由主轴承支撑，该主轴承具有被润滑区域中的可转动地安装的轴承滚子同轴地间隔开的两个相对的轴承座圈，该润滑区域被轴承座圈之间的油密封环密封，其中润滑区域被从一个或多个入油口行进到一个或多个出油口的油流润滑，该一个或多个出油口被布置在外轴承座圈或内轴承座圈的最低点处且配置成通过重力使润滑油的流出量基本最大化，其中来自所述一个或多个入油口的油流量不超过所述一个或多个出油口的排出容量，其中油通过泵送从排出部分到入油口被再循环。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在润滑期间，润滑区域受到负压气压。

16.根据权利要求14所述的方法，其中再循环的油在经过入油口之前被过滤。

17.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其中油在重力作用下通过所述一个或多个出油口被排出。

18.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其中油借助泵被排出。

19.根据权利要求17所述的方法，其中油借助泵被排出。

20.根据权利要求18所述的方法，其中油借助泵吸入口到润滑区域的出油口之间的直接连接部分被排出。

21.根据权利要求19所述的方法，其中油借助泵吸入口到润滑区域的出油口之间的直接连接部分被排出。