CN103649526B - 风力涡轮机转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机转子，其包括毂、多个叶片以及用于使叶片大致沿着其纵向轴线转动的至少一个变桨系统，所述变桨系统包括马达、驱动小齿轮、被布置成与驱动小齿轮啮合的齿轮以及变桨轴承，该变桨轴承包括连接到毂的外轴承环、连接到叶片的内轴承环以及在这两种轴承环之间的一排或多排滚动元件，所述滚动元件允许两种轴承环相对于彼此转动，其中内轴承环具有内侧部，并且其中一加强盘径向地固定到内轴承环的内侧部。

Description

风力涡轮机转子

本申请要求2011年7月13日提交的欧洲专利申请EP11382235.7和2011年9月13日提交的系列号为No.61/534,028的美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及风力涡轮机转子，更具体地，本发明涉及包括至少一个机电变桨机构的风力涡轮机转子。本发明还涉及包括该风力涡轮机转子的风力涡轮机，以及制造用于这种风力涡轮机转子的变桨轴承的方法。

背景技术

现代的风力涡轮机常常用来将电力供应到输电网络中。风力涡轮机总体上包括转子和多个叶片，该转子具有转子轮毂。转子设定为在叶片上的风的影响下转动。转子轴的转动直接地驱动（“直驱式”）或者利用齿轮箱驱动发电机转子。

通常设置在风力涡轮机上的重要辅助系统是变桨系统。变桨系统用来改变风力涡轮机叶片的位置以改变风力条件。变桨系统通常包括回转轴承，该回转轴承包括外环、内环以及这两个环之间的一排或多排滚动元件，这些滚动元件允许两个环相对于彼此转动。

在某些情况下，变桨轴承还可以包括与驱动小齿轮啮合的齿轮。当阵风撞击在叶片上时，风力可以用来大致使叶片弯曲。这种弯曲具有的效果是载荷传递到轴承。这样，轴承的一些滚动元件可能承载比其它滚动元件大的载荷，从而使变桨轴承变形。作用在轴承上的载荷可能导致从动齿轮（齿冠）和驱动小齿轮之间的线性接触和载荷传递从其标称位置移动，从而这种系统的齿轮啮合（和轴承）可能会变形。

处理这种不均匀分布载荷的一种方式是使得轴承较大，以增加其刚度并且限制其变形。然而，这将增加设计的重量和成本。

文献US7780417描述了一种设置在转子叶片和变桨轴承之间的刚性元件，其经由连接构件连接到变桨轴承。但是这种类型的方案可能相当复杂且昂贵。

因此，仍然需要提供强健的机电变桨轴承，该机电变桨轴承在风力涡轮机操作期间减小其变形并且是节省成本的。

发明内容

在第一个方面中，提供一种风力涡轮机转子，其包括毂、多个叶片和至少一个变桨系统，所述变桨系统用于使叶片大致沿着其纵向轴线转动。变桨系统包括马达、驱动小齿轮、被布置成用以与驱动小齿轮啮合的齿轮以及变桨轴承。变桨轴承包括连接到毂的外轴承环、连接到叶片的内轴承环以及在这两种轴承环之间的一排或多排滚动元件，所述滚动元件允许两种轴承环相对于彼此转动，其中内轴承环具有内侧部，并且其中加强盘径向地固定到内轴承环的内侧部。

根据这个方面，变桨轴承包括加强件，该加强件可以径向地固定到内轴承环的内侧部，从而增大固定有叶片的轴承环上的轴承的径向刚度。同时，这样的加强件提高了叶片与轴承之间的连接的刚度。该加强件提供的刚度有助于滚动元件与轴承的环中加工的滚道之间的正确接触。从而，加强盘可以提高机电变桨轴承的可靠性和耐久性。

在一些实施例中，加强盘的外径可以稍稍大于内轴承环的内径，使得加强盘和内轴承环可以进行收缩配合。这样，一旦组装之后，加强盘和内轴承环就不能够分开，从而形成大致一体的部件。

在这种大致一体的部件中，加强盘可以吸收内部张力，并且可以将它们转化为在其整个表面上分布的均匀张力。从而，加强盘可以允许不同的齿轮设计而不会歪曲作用在轴承上的载荷，也就是避免了轴承的变形。

在一些实施例中，加强盘可以由与内轴承环和外轴承环不同的材料制成，例如可以由较廉价的材料制成。从而，加强的轴承可以是节省成本的。

在一些实施例中，齿轮可以大致覆盖内轴承环或外轴承环的整个内侧部或外侧部。在其它情况下，其可以覆盖内轴承环或外轴承环的内侧部或外侧部的一部分。这可以显著减少使用的齿轮材料的量。

在一些实施例中，齿轮或齿轮部分可以沿轴向通过螺纹连接到加强盘。这样，在需要的情况下，齿轮或齿轮部分可以容易地修复和/或更换。另外，这样的轴向螺纹连接可以从毂的内侧部分容易地触及。

在一些实施例中，变桨系统还可以包括润滑系统，该润滑系统包括布置在加强盘上的至少一个润滑剂收集器和/或至少一个润滑剂进给器。这样，润滑系统的各部件可以布置在大致为闭合区域的叶片根部或毂的内侧。因此，不需要额外的覆盖件或任何其它的保护装置。

另一个方面涉及风力涡轮机，其包括基本上如上所述的风力涡轮机转子。

另一个方面涉及制造用于基本上如上所述的风力涡轮机转子的变桨轴承的方法。

在一些实施例中，该方法可以包括：

●加热内轴承环，

●将加强盘布置在内轴承环的内侧部上，以及

●在加强盘布置在内轴承环中的情况下冷却内轴承环。

在其它情况下，该方法可以包括：

●低温处理加强盘，以及

●将加强盘布置在内轴承环的内侧部上。

在审查说明书的情况下，本发明实施例的额外的目的、优点和特征对于本领域技术人员而言将会是明显的，或者可以通过实施本发明而得以了解。

附图说明

以下将参考附图，借助非限制性例子来描述本发明的具体实施例，其中：

图1和2示出了同一个实施例的两个不同的透视图；

图3示出了另一个实施例的仰视图；

图4示出了沿着图2的线A-A的横截面图；

图5示出了图3所示实施例的部分横截面图；

图6a-6b示出了另一个实施例；

图7a–7b示出了另一个实施例；以及

图8示出了另一个实施例的横截面图。

具体实施方式

图1示出了根据第一实施例的轴承的俯视透视图。图2示出了同一个实施例的仰视透视图。

轴承可以包括外轴承环21、具有内侧部（参考图5的222）的内轴承环22以及这两个轴承环之间的一排或多排滚动元件（还可参见图4和5），滚动元件可以允许两个轴承环相对于彼此转动。轴承还可以包括齿轮223，该齿轮223可以与驱动马达的驱动小齿轮（均未示出）啮合。另外，加强环23可以径向地固定到内轴承环22的内侧部。

在可供选择的实施例中，加强环可以是圆形的盘。在这样的情况下，该盘可以包括中心开口，该中心开口将叶片根部的内侧部分与毂的内部部分连接。

图2示出了一个实施例，其中齿轮223可以覆盖内轴承环22的整个内侧部。在这个实施例中，齿轮223可以被机加工在内轴承环22的内侧部中。

图3示出了轴承的仰视图，其中齿轮223可以覆盖内轴承环22的内侧部的仅仅一部分。如图3所示，齿轮223可以由多个环形区段223a-223d制成。这些区段223a-223d可以通过诸如螺钉或螺栓230的紧固装置沿轴向螺纹连接到加强环23。这些螺栓230可以被放置在齿轮的具有较多材料的部分中，该部分可以是靠近齿轮的每个齿的根部的部分。

另外，区段223a-223d可以是同中心的。在一些实施例中，区段223a-223d可以具有不同的弧宽度；在其它实施例中，它们可以是对称的。

在图3的例子中，齿轮（由区段223a-223d形成）和驱动小齿轮（未示出）之间的机械啮合的最大行进角度可以为大致110°，这通常能够足以用于所有的变桨目的。在大多数风力涡轮机中，最小变桨位置和最大变桨位置之间具有大约90°的角度。

因此，图3所示的齿轮设计在使用的齿轮材料量方面以及在损坏的齿部分的修复或更换方面节省了成本。加强环可以确保不同齿轮设计的正确工作条件，原因是其使得载荷能够均匀分布，从而避免轴承的变形。

通常，加强环23可以由与内轴承环22和外轴承环21不同的材料制成。用于内轴承环和外轴承环的典型材料可以是高等级钢，例如42CrMo4。加强环可以由较廉价的材料制成，例如高强度低合金，例如结构钢S355。加强环可以在内轴承环的制造过程期间添加。因此，这个额外的部分可以作为轴承最终几何结构的区域而属于轴承。

图4示出了图2的横截面图，其中齿轮223可以被机加工在内轴承环22中。两排滚动元件23a、23b可以布置在内轴承环22和外轴承环21之间，并且可以允许两个轴承环相对于彼此转动。

图5示出了图3的部分横截面图。这个图示出了一种实施例，其中齿轮223可以通过诸如螺钉或螺栓230的紧固装置沿轴向固定到加强环23。

通常，齿轮223沿轴向方向可以具有高度h，该高度h可以小于内轴承环22的高度H，使得可以在内轴承环22的内侧部222上限定无齿轮部分224。这样，加强环23可以沿径向固定到所述无齿轮部分224。

另一个方面涉及制造用于基本上如上所述的风力涡轮机转子的变桨轴承的方法。该方法可以基于收缩配合技术。为了实施所述方法，加强盘的外径可以制成为稍稍大于内轴承环的内径。内轴承环可以被加热到内轴承环膨胀的温度。这样的温度可以根据用于轴承环的材料或合金而变化。然后，加强环可以例如利用压机布置在内轴承环的内侧部上。加热的内轴承环与处于较低温度下的加强环之间的连接部处的接触区域可以降低内轴承环的温度，从而减小其膨胀直径。连接部加强环-内轴承环的刚度可以随着两个部件均达到相同的温度而增大。这样的连接部可以防止它们之间的任何相对运动。这样，最终的内轴承环可以具有完全彼此相关的两种不同的材料，就好像轴承环是由相同的原材料制成一样。

在可供选择的实施例中，加强环可以被低温处理。当加强环被低温处理时，加强环可以布置在之前可以被加热或者可以不加热的内轴承环的内侧部上。因此，冷却的加强环与处于较高温度下的内轴承环的内侧部之间的连接部处的接触区域可以加热加强环，直到两个部件达到相同的温度。如上所述，连接部加强环-内轴承环的刚度可以随着两个部件均达到相同的温度而增大。并且最终的内轴承环可以具有完全彼此相关的两种不同的材料，基本上如上所述。

在一些实施例中，可以借助于绕加强环布置的氮覆盖层来实施加强环的这种低温处理。可以利用压机来实施冷却的加强环在内轴承环的内侧部上的布置。

当已经制造了设定的内轴承环-加强环时，根据齿轮的类型，可以存在完成轴承制造的不同可能性。

如果初始内轴承环已经包括机加工在其内侧部上的齿轮，那么可以实施设定的内轴承环-加强环的最终机加工。这种最终机加工可以在整个内轴承环、齿轮、滚道以及具有加强环的内轴承环的上表面上实施，以便确保所述上表面的平坦。这样，所述上表面可以用作叶片根部的安装表面。

如果初始内轴承环还不包括齿轮，但是轴承的设计是使得齿轮设置在内轴承环上，那么齿轮或齿轮部分可以利用诸如螺栓的紧固装置沿轴向螺纹连接到加强环（如图5所示）。

最后一个步骤是组装外轴承环。

在齿轮设置在外轴承环上的那些实施例中，齿轮可以首先安装或机加工在外轴承环上，然后与基本上如上所述的设定的加强环-内轴承环组装。

基本上如上所述的内部加强盘的另一个方面在于，其上能够布置其它系统或者部件，例如润滑部件或变桨保持系统的部件。

图6a-7b示出了布置在加强盘上的润滑系统的各部件的例子。

图6a示出了风力涡轮机转子，其可以包括毂10，多个叶片（未示出）能够可转动地附接到该毂。可以设有变桨机构，以用于使每个叶片沿着其纵向轴线转动。变桨机构可以包括变桨轴承20。变桨轴承20可以包括与毂10连接的外轴承环21和与叶片（未示出）连接的内轴承环22。毂10可以包括凸缘11，该凸缘用于安装驱动马达的驱动小齿轮（均未示出）。在一些实施例中，凸缘可以与毂形成一体式部件。在其它实施例中，其可以是单独的部件，通过焊接或者通过诸如螺钉、螺栓或类似物的紧固装置固定到毂。另外，加强环23可以径向地固定到内轴承环22的内侧部（参考图5的222）。

加强环23可以设置有沿轴向布置的通孔231。润滑剂注入器32可以例如利用螺钉、螺栓、夹具或任何其它合适的紧固装置与所述通孔231结合而固定到加强环23。

另外，用于支撑润滑部件的支撑结构30可以固定到加强环23，使得支撑结构30与变桨轴承的旋转轴线24成横向。支撑结构30可以包括两个大致平行的梁31。每个梁31可以通过螺钉、螺栓311或类似物固定到加强环23，例如每个端部处一个螺栓。在可供选择的实施例中，支撑结构可以包括沿直径方向固定到加强环的梁。在其它实施例中，支撑结构可以直接固定到内轴承环的内侧部。

这样的支撑结构30可以支撑润滑泵40。在某些情况下，泵40可以安装在梁31上所设置的平台41上。泵40可以布置成使得其中心线42可以沿着轴承的转动轴线24从泵40延伸到前框架12，毂10能够可转动地安装在该前框架上。所述中心线可以从所述前框架朝向容纳在机舱（未示出）内的一般电气系统继续延伸。这样，其可以不受叶片的变桨运动的影响，也就是中心线将不会与其它部件缠结。泵40可以例如用来将润滑剂泵送通过润滑剂注入器32而通过入口（未示出）进入进给管线，该入口布置在内轴承环22的内侧部（参考图5的222）上。

在图6a所示的实施例中，润滑剂沉积部43可以进一步布置在支撑结构30上。在某些情况下，润滑剂沉积部43可以安装在梁31上所设置的平台44上。润滑剂沉积部43可以例如用来存储从轴承内部回收的旧的润滑剂。这样的润滑剂回收可能需要回收回路和润滑剂提取器（参考图6b的33a）。在可供选择的实施例中，润滑剂沉积部可以是泵组件的一部分。

图6b示出了图6a的后视图，其中已经删除了毂和用于安装驱动小齿轮的凸缘。在图6b中，润滑剂注入器32和润滑剂提取器33a可以固定到加强环23。

这样，润滑回路的各部件可以全部布置在叶片根部内侧，这确保了对腐蚀的适当保护。此外，在风力涡轮机装备有处于毂内侧的温度和湿度控制器（例如用于寒冷气候或沙漠气候）的情况下，容纳在叶片根部内侧的所有部件可以进一步受到保护而免于极端温度和湿度。这些布置还可以适用于离岸风力电场，原因是没有高盐含量空气或湿空气可以与布置在叶片根部内侧的这些部件接触。

图7a示出了另一个实施例。与图6a-6b所示实施例的主要区别在于，润滑剂提取器和润滑剂沉积部已经被例如瓶的润滑剂收集器33b取代。使用收集器或瓶比使用提取器便宜，但是清空瓶的手动操作可能是麻烦的，原因是瓶必须单独地清空。

图7b示出了图7a的后视图，其中已经删除了毂和用于安装驱动小齿轮的凸缘。加强环23可以设置有第一组轴向通孔（参考图6a的231）和第二组轴向通孔232。润滑剂注入器32可以借助于第一组通孔（参考图6a的231）螺纹连接到加强环23，润滑剂收集器或瓶33b可以通过第二组通孔232固定到加强环23。管233可以将每个出口（未示出）与润滑剂收集器或瓶（参考图7a的33b）连接。

图8示出了安装在加强环23上的变桨保持系统的各部件。变桨保持系统可以包括凸轮轮廓51和凸轮从动件52。凸轮从动件52可以包括推动构件521和接触构件524。推动构件521可以被布置成将接触构件524朝向凸轮轮廓51推动，凸轮轮廓51可以包括局部凹陷部（未示出）。凸轮从动件52和凸轮轮廓51可以被布置成使得当叶片在标称风速下或低于标称风速处于变桨位置时，接触构件524可以保持在所述局部凹陷部中。在这样的情况下，凸轮轮廓51可以安装在固定到内轴承环22的加强环23上。凸轮轮廓可以螺纹连接、粘接或焊接到加强环。在一些实施例中，凸轮轮廓可以例如通过适配器固定到轴承环，该适配器包括多个孔，以便于其与螺栓或类似物附接。

提供这样的变桨保持系统的优点可能在于，通过在假定在标称风速下或低于标称风速的变桨位置中提供保持扭矩，能够减少机电变桨系统的齿的磨损。

尽管本文已经公开了本发明的仅仅多个具体实施例和例子，但是本领域技术人员应当理解，本发明的其它可选实施例和/或用途以及去明显的修改和等同形式也是可能的。此外，本发明涵盖了所述的具体实施例的所有可能的组合。因此，本发明的范围不应当受限于具体实施例，而应当仅仅由后面的权利要求的精确阅读来确定。

Claims (17)

1.一种风力涡轮机转子，其包括毂、多个叶片以及用于使叶片大致沿着其纵向轴线转动的至少一个变桨系统，所述变桨系统包括马达、驱动小齿轮、被布置成与驱动小齿轮啮合的齿轮(223)以及变桨轴承，该变桨轴承包括连接到毂的外轴承环(21)、连接到叶片的内轴承环(22)以及在这两种轴承环之间的一排或多排滚动元件(23a；23b)，所述滚动元件允许两种轴承环相对于彼此转动，其中内轴承环(22)具有内侧部(222)，其特征在于，一加强盘(23)沿径向固定到内轴承环(22)的内侧部(222)，

其中加强盘(23)的外径稍稍大于内轴承环(22)的内径，并且加强盘(23)和内轴承环(22)进行收缩配合。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中加强盘(23)由与内轴承环和外轴承环(22、21)不同的材料制成。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中加强盘(23)是环形盘。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮(223)基本上覆盖内轴承环(22)的整个内侧部(222)或外轴承环(21)的整个外侧部。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮(223)覆盖内轴承环(22)的内侧部(222)的一部分或外轴承环(21)的外侧部的一部分。

6.根据权利要求4所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮由多个弧形区段(223a-223b)制成。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮(223)设置在内轴承环(22)上，所述齿轮的沿轴向方向的高度(h)小于内轴承环的高度(H)，从而在内轴承环(22)的内侧部(222)上限定有无齿轮部分(224)，并且加强盘(23)沿径向固定到所述无齿轮部分(224)。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮(223)沿轴向螺纹(230)连接到加强盘(23)。

9.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其中变桨系统还包括润滑系统，该润滑系统包括布置在加强盘(23)上的至少一个润滑剂收集器(33b)和/或至少一个润滑剂进给器(32)。

10.根据权利要求5所述的风力涡轮机转子，其中所述齿轮由多个弧形区段(223a-223b)制成。

11.一种风力涡轮机，其包括根据权利要求1所述的风力涡轮机转子。

12.一种制造用于根据权利要求1所述的风力涡轮机转子的变桨轴承的方法，所述方法包括：

●加热内轴承环，

●将加强环布置在内轴承环的内侧部上，在加热内轴承环之前，加强环的外径稍稍大于内轴承环的内径，以及

●在加强环布置在内轴承环中的情况下冷却内轴承环，由此将加强环沿径向固定到内轴承环的内侧部。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：

在加强环上最终机加工或固定齿轮，并且组装外轴承环。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：在外轴承环上机加工或固定齿轮，并且将外轴承环组装到内轴承环和加强环。

15.一种制造用于根据权利要求1所述的风力涡轮机转子的变桨轴承的方法，所述方法包括：

●低温处理加强环，在低温处理加强环之前，加强环的外径稍稍大于内轴承环的内径，以及

●将加强环布置在内轴承环的内侧部上，由此将加强环沿径向固定到内轴承环的内侧部。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

在加强环上最终机加工或固定齿轮，并且组装外轴承环。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：在外轴承环上机加工或固定齿轮，并且将外轴承环组装到内轴承环和加强环。