CN104066975A - 带有具有非均一刚度的支撑结构的叶片轴承及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将风轮机的叶片安装至风轮机的轮毂的叶片轴承，该叶片轴承包括：彼此相邻地布置的内圈与外圈。内圈与外圈中的一者被构造成安装至所述叶片，另一者被构造成安装至所述轮毂。至少两列滚动元件定位在所述内圈与所述外圈之间。上列滚动元件与下列滚动元件位于相应的上平面与下平面中。支撑结构被固定至所述内圈并在所述上平面与所述下平面之间沿大致径向方向延伸。所述支撑结构在圆周方向上具有非均一刚度特征。还提供一种制造叶片轴承的方法。

Description

带有具有非均一刚度的支撑结构的叶片轴承及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于风轮机的叶片轴承以及制造这种轴承的方法。
背景技术
风轮机通常包括具有由风驱动的大叶片的转子。叶片将风的动能转换成旋转机械能。通常经传动系统将机械能传递至发电机，而后该发电机将此能量转换成电能。
大部分现代风轮机通过使叶片相对于风变桨而控制功率输出。因此，每个叶片借助允许叶片与轮毂之间的相对运动的叶片轴承安装至轮毂。叶片借助变桨系统关于其纵轴线旋转，该变桨系统包括一个或多个电动驱动器(例如电动马达)或液压驱动器(例如液压致动器)。
桨距控制为叶片轴承增加了诸多要求，因为叶片轴承要经受高水平活动。作为桨距控制代表的小周期运动会降低疲劳寿命。因此，已采取了多种方法增大叶片轴承的载荷能力。
最常规的方法之一是包括两列或更多列滚动元件(例如滚珠或辊子)。常使用双列滚珠轴承作为叶片轴承，近年来，随着风轮机的尺寸(及载荷)逐渐变大，三列滚珠轴承与三列辊子轴承日益受到关注。
然而，附加列滚动元件仍不能满足设计载荷的需求。叶片轴承仍会遭受影响其性能的变形。而且，附加的列会导致载荷分布的问题。处理这些挑战的一种选择是增大叶片轴承的尺寸及重量，但是这会导致成本显著增加。不仅叶片轴承本身会导致成本增加，而且对于必须增大尺寸以适应叶片轴承的叶片与轮毂来说也会导致成本增加。
另一种选择是借助附加的诸如板之类的支撑结构强化叶片轴承的轴承圈。这种板被安装在轴承圈(尤其是内圈)的一侧或两侧上。尽管在两侧上强化内圈可使径向变形量较小，但是也会限制沿轴向方向的挠曲。这会导致当外圈在轴向方向上挠曲(相对于轴承内圈有效倾侧)时滚动元件的大接触角及不良载荷分布。
发明内容
以下描述一种用于将风轮机的叶片安装至风轮机的轮毂的叶片轴承。该叶片轴承包括：彼此相邻地布置的内圈与外圈，内圈与外圈中的一者被构造成安装至叶片，另一者被构造成安装至轮毂。至少两列滚动元件定位在内圈与外圈之间。上列滚动元件与下列滚动元件位于相应的上平面与下平面中。叶片轴承还包括支撑结构，该支撑结构固定至内圈并在上平面与下平面之间沿大致径向方向延伸。至少在支撑结构与内圈交界的区域中存在下面描述的与这种布置有关的具体优势。然而，不需要将整个支撑结构都被限定在上列滚动元件与下列滚动元件之间来提供这种优势。
作为另一特征：支撑结构在圆周方向上具有非均一刚度特征(支撑结构在距其中心相同的径向距离处的不同部分具有不同刚度)。例如可借助一个或多个增厚部分提供非均一刚度。在这些部分对应叶片沉重负载的角区段时获得具体优势。
还提供了一种制造用于风轮机的叶片轴承的相应方法。该方法包括：形成内圈与外圈，在将内圈与外圈组装在一起之前将支撑结构固定至内圈，并且在固定支撑结构的步骤之后在内圈上机加工滚道面。滚道面被构造成支撑多列滚动元件。因此，在固定支撑结构并且机加工内圈之后的某一时刻，将这些列滚动元件布置在滚道面上。然后将内圈与外圈布置成彼此相邻，使得这些列滚动元件被保持在内圈与外圈之间。
作为本发明的另一方面，支撑结构由第一材料浇铸而成，内圈和外圈由第二材料形成。基于下面的描述会总体上更清楚与这一点及叶片轴承有关的优势。
附图说明
图1是风轮机的实施例的立体图。
图2是用于风轮机的叶片轴承的分解立体图。
图3是图2中所示的叶片轴承的立体图。
图3A是叶片轴承关于风轮机的其它部件的示意图。
图4是沿图3中的线4-4剖切的剖面图。
图5是沿图3中的线5-5剖切的剖面图。
图6是叶片轴承的另选实施方式的剖面图。
图7是叶片轴承的再一实施方式的剖面图。
具体实施方式
图1示出了风轮机2的一个实施例。风轮机2包括具有安装至轮毂6的叶片4的转子，该轮毂由塔架12上的机舱8支撑。尽管示出了离岸风轮机，但是应注意：以下描述可适用于风轮机的其它类型。事实上，以下描述着重于大部分风轮机普遍特有的部件，即用于使叶片4安装至轮毂6的叶片轴承。
图2与图3示出了根据本发明的叶片轴承20的一个实施例。叶片轴承包括彼此相邻布置的内圈22与外圈24。内圈22构造成经贯穿螺栓孔26的螺栓(未示出)安装至叶片。外圈24构造成经贯穿螺栓孔28的螺栓(未示出)安装至轮毂。在内圈22与外圈24之间安置至少两列滚动元件(例如滚珠或辊子；未示出)。
叶片轴承20还包括固定至内圈22的支撑结构30。支撑结构30被示出为覆盖由内圈22限定的开口的板状构件，但是其可另选为环形或具有一些其它形状。也可变更支撑结构30与内圈22的固定方式。一些可行的方式包括冷缩配合与夹紧，但是其它接合方法及机械紧固方法会是可理解的。如果支撑结构30与内圈22使用的材料不同，那么甚至可绕内圈22的一部分浇铸支撑结构30，或者将支撑结构30浇铸在内圈22的一部分内。无论如何，可利用这些技术将支撑结构30安置在内圈22的上表面与下表面之间。换言之，与将支撑结构安装至轴承圈的一侧或两侧的现有技术不同，支撑结构30被布置在两侧之间的某处。以下将会更为详细地描述此种布置。而且，不借助径向延伸到内圈22中的螺栓就可实现此布置，从而无需附加轴承材料以适应连接。尽管栓接仍是可行的，但是优选的是在生产轴承过程中利用上述技术之一使内圈22与支撑结构30固定在一起。
支撑结构30可在圆周方向上具有非均一刚度。即，支撑结构30在距其中心相同的径向间距处的不同部分可具有不同的刚度特性(径向地、成角度地及/或轴向地)。这可例如使支撑结构30在策略性选择的位置配备有一个或多个增厚部分。在附图中所示的及以下论述的实施方式中，增厚部分由不同的支撑肋40限定。然而，本发明的技术领域中的技术人员会理解设计不同部位具有不同刚度的支撑结构30的其它方式。
设置支撑肋40的尺寸并将其布置成使得支撑结构30在叶片轴承20的特定部分(角区段)中具有径向的、成角度的及轴向的刚度。例如，第一、第二、第三及第四部分在图2中被分别大体标以32、34、36及38。第一部分32及第三部分36因支撑肋40而具有比第二部分34及第四部分34、38大的刚度。
有利的是，第一部分32与第三部分36是在直径方向上对置的并且当风轮机产能时大致对准叶片的翼展方向。参照图3、图3A及图4能最好地看到这方面。图3A示意性地示出了相对于风轮机的轮毂50与主轴52的叶片轴承20，图4是在第一部分32处穿过叶片轴承20的剖面图。转子旋转时使内圈22连接至叶片的螺栓不断受到拉伸和压缩。要理解的是，叶片轴承20因叶片的可观重量而沉重地加载在第一部分32与第三部分36处。由支撑结构30在这些位置提供的增大刚度加强了内圈22以有助于防止内圈22相对于外圈在轴向上移动(即“滑移”)、在成角度方向上移动(即“倾侧”)、在径向方向上移动(即“成椭圆形”)。因此使因与滚动元件(未示出)形成大接触角而引起的性能变差减到最低程度。
第二部分34与第四部分38也是在直径方向上对置的，但是大致位于与第一部分32与第三部分36相距90度的角间隔处。因此，第二部分34与第四部分38可在转子旋转以产能时大致对准叶片的拍打方向(参见图3A与图5)。螺栓在这些位置处未受重荷；对螺栓连接的加强无关紧要。然而，因轴承载荷的本性会使外圈24相对于内圈22“倾侧”。支撑结构30在这些位置没有支持肋40从而具有相对低的刚度，因此使内圈22具有增大的柔性使得内圈22也能倾侧。
图5更详细地示出了此原理。正如所见，支撑结构30相对于内圈22布置成使得倾侧会在滚动元件列(未示出)之间产生期望的/适当的载荷分布。具体来说，支撑结构30在滚动元件列之间在大致径向方向上延伸。因此，支撑结构30主要或完全布置在上下列滚动元件所在的平面之间，至少在支撑结构30接触内圈22的区域中如此。此布置使得内圈22能更有效地随动(即匹配)因轴承载荷引起的外圈24的任何倾侧。因此使外圈倾侧时对滚动元件列之间的载荷分布的不利影响减少到最低程度。
与叶片轴承20有关的优点之一是：支撑结构30与内圈22可由不同材料制成。这可节省大量的成本。例如，轴承圈通常由相对昂贵的合金制成并且经受多种硬化及机加工步骤。尽管此材料选择及处理推高了成本，但是通常认为这是确保具有高质量及必要抗疲劳性的滚动面所必需的。合金相对柔软从而允许机加工。为了纵使材料相对柔软/柔韧也有助于防止扭曲并且确保足够的载荷能力，要相应地设置轴承圈的尺寸。
就上述叶片轴承20而言，可使内圈22的材料保持在最少的程度。支撑结构30应付了大部分载荷，该支撑结构30可由较便宜的合金铸造而成而不需要显著的精加工操作。无需使内圈22具有大尺寸来补偿其相对柔软的材料。
与浇铸支撑结构30有关的一个具体优点在于：可容易生产期望的形状。如上所述，支撑肋40仅是使支撑结构30具有非均一刚度的一种可行方式。一些其它形状与构造的支撑结构30可达到相同的效果，例如在需要增大刚度的部分增大厚度。
图6示出了叶片轴承60的另选实施方式，该图还示出了支撑结构可帮助内圈材料减少的程度。图6中使用相同的附图标记表示与上述那些元件相应的元件。在此实施方式中，支撑结构30甚至包括用于与叶片栓接的螺栓孔26。内圈22基本上减小成包含滚道面的插入件。可用相似的方式构建外圈24。即，减小成包含滚道面的插入件。插入件由支撑结构62环绕，使得产生了仿效更常见的轴承圈的两件式构造。
图7示出了叶片轴承70的再一实施方式，同样使用相同的附图标表示与上述那些元件相应的元件。在此实施方式中，支撑结构30包括第一部件30a与第二部件30b。第一部件30a主要提供支撑结构的预期功能，即，以上述方式加强内圈22。第二部件30b用于将内圈22向支撑结构30夹紧。螺栓孔26包括贯穿相应的第一部件30a与第二部件30b的第一部分26a与第二部分26b。因此，可使用将叶片固定至轴承的螺栓将第一部件30a与第二部件30b保持在一起。可用相似的方式布置外圈24与支撑结构62(即，支撑结构62具有第一部件62a与第二部件62b以便于固定外圈24)。
现将描述制造根据本发明(包括以上实施例)的叶片轴承的一种可行方法。形成内圈与外圈，但是不将内圈机加工或处理成其最终形式。相反，首先将内圈固定至支撑结构。在之后的某一时刻执行内圈的最终机加工，其他处理也可这样进行。这包括在内圈上机加工滚道面。
外圈同样地被机加工并处理至其最终形式。这可发生在将支撑结构固定至内圈之前或之后。不管怎样，内圈与外圈最终被布置成彼此相邻，并且至少两列滚动元件布置在滚道面上。滚动元件被保持在内圈与外圈之间。
总之，与首先由制造商生产轴承并且支撑结构作为由下游用户/顾客附接的附属部件的现有技术不同，作为轴承生产过程的一部分而提供支撑结构。这有助于能够进一步减少内圈的材料，因为支撑结构在最终机加工过程中提供额外的补强。
上述实施方式仅是由所附权利要求限定的本发明的实施例。风轮机轴承设计领域中的技术人员基于该描述会理解另外的实施例、变型及优势。例如，尽管示出并描述了双列滚珠轴承，但是根据本发明的叶片轴承可另选为三列滚珠轴承、三列辊子轴承或者甚至具有多列滚动元件的三圈轴承。在三圈轴承中，术语“内圈”与“外圈”是相对的术语，从而所附权利要求中的术语“外圈”可以指中间圈而不是最外圈。而且，尽管内圈22与外圈24被描述为构造成分别安装至叶片与轮毂，但是在另选的实施方式中可颠倒该布置。内圈可被构造成安装至轮毂，并且外圈可被构造成安装至叶片。而且，尽管以上提及了浇铸支撑结构的优势，但是也可由非浇铸部件机加工支撑结构。
考虑到这些，任一具体实施方式的细节不应视为必然地限制所附权利要求的范围。除了理解其它变型与变更外，本领域技术人员会明白能够如何以不同方式组合多个实施方式的特征。

Claims (16)

1.一种用于将风轮机的叶片安装至风轮机的轮毂的叶片轴承，该叶片轴承包括：
彼此相邻地布置的轴承的内圈和外圈，轴承的所述内圈与所述外圈中的一者被构造成安装至所述叶片，另一者被构造成安装至所述轮毂；
定位在轴承的所述内圈与所述外圈之间的至少两列滚动元件，其中，上列滚动元件与下列滚动元件位于相应的上平面与下平面中；以及
固定至轴承的所述内圈的支撑结构，该支撑结构在所述上平面与所述下平面之间沿大致径向方向延伸，并在圆周方向上具有非均一刚度特征。
2.根据权利要求1所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构包括提供所述非均一刚度的一个或多个增厚部分。
3.根据权利要求1或2所述的叶片轴承，其中，所述内圈被构造成安装至所述叶片，并且所述外圈被构造成安装至所述轮毂。
4.根据前述权利要求中任一项所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构绕轴承的所述内圈的整个圆周径向向内延伸。
5.根据权利要求4所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构基本覆盖由所述内圈限定的开口。
6.根据权利要求4所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构是环形的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构被固定至所述内圈的径向内表面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构与所述内圈借助冷缩配合、夹紧或其组合而被相互固定。
9.根据前述权利要求中任一项所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构与所述内圈不用螺栓而被相互固定。
10.根据前述权利要求中任一项所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构与所述内圈包括不同材料。
11.根据前述权利要求中任一项所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构包括沿轴向方向延伸的螺栓孔；并且进一步其中所述内圈被构造成经所述支撑结构的所述螺栓孔安装至所述叶片。
12.根据前述权利要求中任一项所述的叶片轴承，其中，所述支撑结构具有包括第一部分、第二部分、第三部分与第三部分的外周，其中：
所述第一部分与所述第三部分在直径方向上对置并具有第一刚度；并且
所述第二部分与所述第四部分在直径方向上对置并具有比所述第一刚度小的第二刚度。
13.根据权利要求12所述的叶片轴承，其中所述第一部分与所述第三部分位于与所述第二部分及所述第四部分相距大约90度的角间隔处；并且其中所述支撑结构在所述第一部分与所述第三部分处具有最大刚度，并且在所述第二部分与所述第四部分处具有最小刚度。
14.一种制造用于风轮机的叶片轴承的方法，该方法包括：
形成内圈与外圈，轴承的所述内圈与所述外圈中的一者被构造成安装至所述风轮机的叶片，并且另一者被构造成安装至所述风轮机的轮毂；
在将所述内圈与所述外圈组装在一起之前将一支撑结构固定至所述内圈，其中，所述支撑结构具有非均一刚度；
在固定所述支撑结构的步骤之后在所述内圈上机加工滚道面，所述滚道面被构造成支撑至少两列滚动元件；
将这些列滚动元件布置在所述滚道面上；以及
将所述内圈与所述外圈布置成彼此相邻，使得这些列滚动元件被保持在所述内圈与所述外圈之间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述支撑结构由第一材料浇铸成，并且所述内圈及所述外圈由第二材料形成。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，布置这些列滚动元件的步骤包括将上列滚动元件布置在上平面中，并且将下列滚动元件布置在下平面中；并且进一步其中所述支撑结构在所述上平面与所述下平面之间在大致径向方向上延伸。
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