CN105074204A - 轮毂和轴承系统以及包括这种轮毂和轴承系统的涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种轴承系统(100)，用于支撑涡轮机(200)的多个叶片(210)，使得每个叶片可相对于所述轴承系统(100)的轮毂(101)绕着桨距轴线(A)旋转。所述轮毂(101)配置成用于连接到所述涡轮机(200)的主轴，并且包括含有锥形结构(150)的多个静态框架(110)和具有其间带有开口的两个或更多个腿(107)。所述静态框架(110)配置成用于与相应的动态框架(120)相配合，所述动态框架包括锥形结构(170、172)和具有其间带有开口的两个或更多个腿(127)，由此所述静态框架(110)的腿(107)穿过相应动态框架(120)的腿(127)之间的开口，并且所述动态框架(120)的腿(127)穿过相应静态框架(110)的腿(107)之间的开口。每个动态框架(120)配置成用于连接到所述叶片中的一个，并且通过第一轴承单元(140)和布置在沿着所述桨距轴线(A)距所述第一轴承单元(140)一定距离的第二轴承单元(160)被旋转地安装到相应静态框架(110)。每个静态框架(110)还包括所述第一轴承单元的第一圈被安装至的第一轴部(145)，并且包括所述第二轴承单元的第一圈被安装至的第二轴部(146)。所述轮毂(101)还包括互连所述静态框架(110)的第一轴部(145)的中心部(105)。

Description

轮毂和轴承系统以及包括这种轮毂和轴承系统的涡轮机

技术领域

本发明涉及一种用于支持涡轮机多个叶片的桨距调节的轮毂和轴承系统。

本发明还涉及一种包括这种轮毂和轴承系统的涡轮机。

背景技术

风力涡轮机被设计成将风能转化为电能，通过转动连接到定位在风力涡轮机壳体(也称为机舱)中的发电机的轴。发电机轴的转动由因风力而旋转的风力涡轮机叶片(通常为三个)实现。为了使得能够优化风力涡轮机的输出功率，叶片可以围绕其纵向轴线旋转，还表示为调节叶片的桨距。这样，叶片可以用来控制从风传递至发电机的风力发电的量。

在常规的风力涡轮机中，回转轴承常用于相对于涡轮机轮毂旋转支承每个涡轮机叶片。轴承的一个圈安装到轮毂，叶片安装到回转轴承的另一个圈。这样的回转轴承可以是具有的尺寸类似于叶片根部直径(在现代涡轮级中可达3米)的球或滚柱轴承。

为了试图减少对典型回转轴承的刚度的要求，GB2479380提出了一种替代的涡轮机转子。在本专利申请中，涡轮机转子包括具有用于与相应叶片连接的多个短柱的轮毂。每个叶片具有位于叶片根部端部内的一对间隔开的环形轴承。每个短柱突出到相应间隔开的轴承中并且可旋转地接收在其内，且叶片支承在轮毂上。这种轮毂的缺点是，短柱轴需要相对较大的直径以便承受载荷，且相应的轴承还相当地大而笨重。其结果是，转子质量是无法接受的高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于将多个叶片连接到轮毂的替代的轮毂和轴承系统，其中轴承尺寸可以大大降低，并且其中轮毂的质量可以减小。

本发明的第一方面提供了一种轴承系统。本发明的第二方面提供了一种涡轮机。第三方面提供了一种轮毂。有利实施例限定在从属权利要求中。

根据本发明的第一方面，这个目的是通过提供一种用于支撑涡轮机(200)的多个叶片的轴承系统来实现的，使得每个叶片能相对于所述轴承系统的轮毂绕着桨距轴线旋转。所述轮毂配置成用于连接到所述涡轮机的主轴，并且包括配置成用于与相应动态框架相配合的多个静态框架，每个配置成用于连接到所述叶片之一。所述静态框架包括锥形结构并且具有其间带有开口的两个或更多个腿。每个动态框架也包括锥形结构并且具有其间带有开口的两个或更多个腿，并且布置成使得所述动态框架的腿穿过静态框架的腿之间的开口，且所述静态框架的腿穿过动态框架的腿之间的开口。每个动态框架通过第一轴承单元和布置在沿着所述桨距轴线距所述第一轴承单元一定距离的第二轴承单元被旋转地安装到相应的静态框架。每个静态框架还包括所述第一轴承单元的第一圈被安装至的第一轴部，并且包括所述第二轴承单元的第一圈被安装至的第二轴部。所述轴承系统的轮毂还包括互连所述静态框架的第一轴部的中心部。

适当地，所述中心部沿着所述涡轮机的主轴的轴线延伸，在所述轮毂的前轴向侧和所述轮毂的后轴向侧之间。静态框架的腿也接合到中心部。静态框架在轴承系统的心脏的互连将静态框架牢固地联接在一起，这显著提高了整个轴承系统的强度和刚度。其结果是，可以降低轴承系统的总重量—这在风力涡轮机的塔架的顶部当然是优选的。根据本发明的轴承系统甚至可以完全替代风力涡轮机的传统轮毂，例如通过将风力涡轮机的主轴连接到轮毂的中心部。

使用根据本发明的轴承系统使得第一轴承单元和第二轴承单元具有大大减少的尺寸，因为它们不需要被连接到叶片根部的外径。此外，与适用于回转轴承的常规轮毂相比，本发明轴承系统中的轮毂不需要大直径的圆形接口，这使得能够降低轮毂的质量。此外，第一轴承单元沿轴向与第二轴承单元间隔开，这同样将常规回转轴承上相对较强的弯曲载荷改变成用于根据本发明结构的径向载荷。径向载荷需要较小的轴承，这意味着第二轴承单元相对于第一轴承单元的轴向间隔有助于可能减少第一轴承单元和第二轴承单元的尺寸。在根据本发明的轴承系统中的第一轴承单元和第二轴承单元之间的轴向间隔例如可以具有与叶片根部的直径类似的尺寸。因此，由于静态框架的互连连同每个第一轴承单元和第二轴承单元的尺寸的显著减少，轴承单元的强度的增加允许根据本发明的轴承系统变得更轻、更稳固，同时还允许更容易且更经济有效地维护轴承系统。

为了使得能够这样减小第一轴承单元和第二轴承单元的直径，每个静态框架和每个动态框架的腿可以偏离第一轴承单元，并且可能在已经混合之后朝向第二轴承单元再次会聚。混合意味着静态框架的腿穿过动态框架腿之间的开口。优选地，静态框架和动态框架包括三条腿，以便具有三脚架结构。这种结构能够使得每个动态框架可相对于静态框架旋转通过预定的桨距角，该桨距角由每个静态框架和每个动态框架的开口和腿的尺寸限定。静态和动态框架的腿和开口的尺寸取决于使用中作用于叶片根部上的径向力和轴向力。在风力涡轮机应用中，静态框架的三脚架结构和动态框架的三脚架结构允许高达95度的相对旋转。如果全部需要的是较小范围的相对角运动，则静态框架和动态框架例如可以包括四条腿。

适当地，轴承系统具有的与动态框架相互作用的静态框架的数量与需要连接到轴承系统的叶片的数量相同。例如，当风力涡轮机包括三个叶片时，轴承系统同样包括三个静态框架和三个动态框架，一个动态框架用于每个叶片。当然，如果风力涡轮机仅包括两个叶片或者如果风力涡轮机包括四个叶片，则静态框架和动态框架的数量要相应地进行调整。

在根据本发明的轴承系统中使用较小轴承的另一个好处是，叶片的变桨产生较少的摩擦，这进一步降低了例如对使叶片旋转的任何桨距驱动马达的要求—这又导致轴承系统的重量更小。当使用较小的第一轴承单元和第二轴承单元来将叶片连接到轴承系统时，这些第一轴承单元和第二轴承单元可以被更换—优选的是无需首先从动态框架移除叶片。

叶片桨距控制变得越来越重要。以往，施加集体变桨，其中每个叶片的桨距角被一起调节，以优化将电力从风传递至涡轮机。然而，随着风力涡轮机变得越来越大，更具动态的变桨同样变得很重要—甚至单独叶片的变桨以确保例如每个叶片所经历的压力得到更好地分布。通常，例如相比于风力涡轮机的上端，在风力涡轮机的下端风速存在局部差异。这些差异可能导致额外的负荷存在于风力涡轮机的轴上以及在作为整体的风力涡轮机的结构上。通过单独控制叶片的桨距，即使是在叶片围绕轴的旋转运动过程中，叶片在旋转时所经历的负载变化可以得到大大减小。因此叶片的变桨将变得更加重要，所以对变桨系统的要求也将增加，使得例如第一轴承单元和第二轴承单元的更换成为重要方面。因此根据本发明的轴承系统使得能够使用较小的第一轴承单元和第二轴承单元，这同样使得第一轴承单元和第二轴承单元的更换处于合理的成本，因为更换可以在不使用起重机的情况下进行，并且可以在不拆卸叶片的情况下进行。

在本发明的轴承系统中，多个第一轴承单元中的每个连接到相应的第一轴部，且多个第一轴部互连在轮毂的中心部。第一轴部例如可以足够长，以使得第二轴承单元也能够连接到该轴部。换句话说，第二轴部是第一轴部的一部分。然而，在优选的解决方案中，第一轴部与第二轴部之间的唯一连接是经由静态框架的腿和锥形结构。因此，第一轴部可以相对较短，使得沿着桨距轴线的第一轴承单元和第二轴承单元之间的空间大致是空的。这种结构进一步降低了根据本发明的轴承系统的重量。

在轴承系统的实施例中，静态框架呈锥形地朝向第一轴承单元和/或第二轴承单元。因此静态框架可以具有锥形朝向第一轴部的第一锥形部，并且可以具有锥形朝向第二轴部的第二锥形部。相应地，动态框架可以呈锥形地朝向第一轴承单元和/或第二轴承单元，因此可以具有锥形朝向第一轴部的第一锥形部，并且可以具有锥形朝向第二轴部的第二锥形部。静态框架和动态框架的锥形部可以是相应框架的腿所连接到的实心部。可替代地，锥形部可以包括由相应动态和静态框架的腿所形成的框架结构。

锥形结构使得能够尽量减小第一轴承单元和第二轴承单元的尺寸。第一轴承单元和第二轴承单元的最小尺寸例如通过他们需要能够承受的总负载和通过第一轴承单元和第二轴承单元的轴向间隔而被确定。此外，为了能够旋转动态框架，在静态框架的腿之间和在动态框架的腿之间必须具有足够的空间。如上关于静态框架和动态框架所描述的双锥形状可以用于将静态框架和动态框架连接到每个第一轴承单元和第二轴承单元，同时允许在静态框架的腿之间和动态框架的腿之间的开口具有足够的空间，以允许动态框架相对于静态框架能够充分地旋转。

在根据本发明轴承系统的实施例中，静态框架的腿和动态框架的腿在每个静态框架的和每个动态框架的最宽直径穿过它们之间相应的开口。该实施例的好处是，它使在使用中能够尽量增大动态框架相对于静态框架的旋转角度。

在轴承系统的实施例中，静态框架和动态框架的尺寸配置成使得动态框架能够相对于静态框架在90度或更大的角度上旋转。在优选的实施例中，动态框架和基准框架之间的旋转角度为95度或更大。如之前所指出，最大旋转角度由腿相对于每个静态和动态框架的腿之间的开口的宽度来确定。由于叶片以及由风力涡轮机中的叶片所经历的负荷可能较高，所以腿的尺寸可能需要相当显著，这将有力地减少旋转角度。例如在径向方向上增加腿的尺寸可以增加框架结构的强度，同时仍使得旋转角度足够大。

在轴承系统的实施例中，第一轴承单元的内径和/或第二轴承单元的内径小于叶片根部直径的一半。第一轴承单元的内径通常是第一轴承单元所连接围绕的轴的直径，且第二轴承单元的内径通常是第二轴承单元所连接围绕的轴的直径。第一轴承单元的内径和/或第二轴承单元的内径例如可以小于250毫米。具有这种直径的轴承单元易于更换。

在轴承系统的实施例中，第一轴承单元和/或第二轴承单元包括自对准轴承单元。自对准轴承单元的好处是，它们能够承受可以由轴承系统的变形而引起的在轴承单元的内圈和外圈之间的对准误差。因此，相比于使用回转轴承的公知系统，所述轴承系统的刚度可以得到减小。在已知的风力涡轮机轮毂中，回转轴承用于将叶片的根部连接到轮毂。在叶片和轴承之间以及在轴承和轮毂之间需要硬接口，以确保回转轴承在运转时不受到损坏。通过在第一轴承单元和/或第二轴承单元中使用自对准轴承单元，刚度要求可以减小，这可以导致减少轴承系统的总重量。对准轴承例如可以包括球面滑动轴承或球面滚子轴承。

在轴承系统的实施例中，第一轴承单元的第二圈是第一轴承单元的内圈，第二轴承单元的第二圈是第二轴承单元的内圈。该结构使得动态框架能够连接到第一轴承单元和第二轴承单元的内圈。当第一轴承单元和第二轴承单元例如是具有固体润滑剂的球面滑动轴承时，动态框架到内圈的这种连接导致润滑剂的加载在整个润滑剂上更好地蔓延，这将增加第一轴承单元和第二轴承单元的寿命。当然，还可以是其他结构，其中例如第一轴承单元的第一圈可以是第一轴承单元的内圈，第一轴承单元的第二圈可以是第一轴承单元的外圈。相似地，第二轴承单元的第一圈可以是第二轴承单元的内圈，第二轴承单元的第二圈可以是第二轴承单元的外圈。在这样的结构中，动态框架可以连接到第一轴承单元和第二轴承单元的外圈。

在轴承系统的实施例中，第一轴承单元和/或第二轴承单元包括滑动轴承。在用于风力涡轮机的桨距调节系统中所用的轴承仅旋转在有限的角度。滚动元件轴承是不理想的，因为如在风力涡轮机叶片的桨距运动中所需要的在有限角度上的这种典型来回运动可能会导致滚动元件轴承中的润滑很差。尤其是当进一步增加风力涡轮机中的桨距调节以产生单个叶片的大致连续的单个桨距调节时—如前所述—滚动元件轴承会磨损得比较快。滑动轴承更适于在第一轴承单元和/或第二轴承单元中的这种桨距调节运动，因为它们可以使用固体润滑剂。在第一轴承单元和/或第二轴承单元中使用具有固体润滑剂的滑动轴承可以促使基本上免维护第一轴承单元和第二轴承单元。滑动轴承的另一优点是它们提供了相对较大的接触表面，并且能够承受相对较强的力。

在轴承系统的实施例中，第一轴承单元和/或第二轴承单元包括径向轴承和轴向轴承。实施例的好处在于，第一轴承单元和/或第二轴承单元中的多个轴承可以专门选择成用于将作用于它们上的负载。这可能会大大增加第一轴承单元和第二轴承单元的寿命。径向轴承或径向支承轴承被设计成特别承受作用在动态框架上的径向载荷，例如由于叶片弯矩的结果并且在较小程度上由于径向叶片载荷的结果。虽然径向轴承经常能承受一定的轴向载荷，但轴向载荷可能会严重降低使用寿命。轴向轴承或轴向支承轴承被设计成特别承受作用在动态框架上(即在叶片上)的轴向载荷。在叶片围绕轴的旋转期间，径向载荷和轴向载荷将被施加在动态框架和静态框架之间的连接点。在每个轴承单元中使用单个轴承例如单个滑动轴承是可能的，但可能在风力涡轮机的运转期间调节叶片的桨距时确保良好的变桨支承不是最佳的。因此，径向轴承和轴向轴承在第一轴承单元和/或第二轴承单元中的组合可以改善叶片在运转过程中的桨距支承。径向轴承和轴向轴承的组合可以存在于第一轴承单元和第二轴承单元中。可替代地，第一和第二轴承单元中的一个可以仅包括径向轴承，而第一和第二轴承单元中的另一个包括布置在两个相反定向的轴向轴承之间的径向轴承，用于在两个方向上承受轴向载荷。优选地，第一轴承单元然后只包括径向轴承。

当第一轴承单元或第二轴承单元包括径向和轴向轴承时，这些轴承最好同心安装，以确保自对准特性。

在轴承系统的实施例中，轴承系统包括配置成用于调节叶片桨距的一个或多个桨距驱动马达。由于轴承单元的更小尺寸以及所带来的低摩擦，桨距驱动马达的尺寸可以减少，从而进一步降低轴承系统的重量。

在轴承系统的实施例中，桨距驱动马达配置成用于经由齿轮环、齿轮环段、皮带驱动装置或者经由液压致动器来旋转动态框架。在优选的实施例中，该轴承系统包括用于轴承系统中的每个动态框架的桨距驱动马达—使得能够(单独)桨距控制风力涡轮机中的每个叶片。

在轴承系统的实施例中，动态框架被集成到叶片中。这个实施例的好处是，动态框架与叶片之间的连接可以在工厂中得到优化，并且不需要在构造风力涡轮机时在现场构建。叶片通常在根部具有钢插件，以实现具有桨距轴承单元的接口。动态框架和钢插件可以被集成，这将会不再需要螺栓环，从而再次降低总重量。

在轴承系统的实施例中，轴承系统包括固定元件，其配置成用于固定至少一个动态框架相对于静态框架的位置，用于使得能够更换第一轴承单元和/或第二轴承单元。位置的这种固定可以通过任何适当的装置来完成，以确保动态框架具有相对于静态框架的固定位置。相对位置的这种固定使得能够移除和更换根据本发明的轴承系统中的第一轴承单元和/或第二轴承单元。尤其是在着眼于典型用于风力涡轮机叶片的根部的尺寸时—其可以具有达3米的直径，更换已知的回转轴承非常昂贵并且还麻烦。由于在根据本发明的轴承系统中的第一轴承单元和第二轴承单元的减小的尺寸，布置在轴承系统内的的第一轴承单元和第二轴承单元可以被更换。第一三脚架结构和第二三脚架结构中的开口可被构造成足够大，以使得第一轴承单元和/或第二轴承单元能够在轴承系统中被提升或抬出，这在采用能够旋转90度或更大的滑动轴承和三脚架结构时是可行的。

在轴承系统的实施例中，轴承系统包括配置成与相应动态框架相配合的三个静态框架。具有三个叶片的风力涡轮机是当前在工业中使用的最常见的风力涡轮机。

根据第二方面的涡轮机包括发电机，具有用于旋转发电机的主轴，并且包括根据本发明的轴承系统，用于将多个叶片连接到主轴。在涡轮机的实施例中，主轴连接到轴承系统的轮毂的中心部，其中多个静态框架是互连的。将所述轴连接到中心部使得能够将力更直接地传递到主轴。在涡轮机的实施例中，涡轮机是风力涡轮机或潮汐能涡轮机。

根据本发明的第三方面的轮毂配置成用于连接到涡轮机的主轴。轮毂包括多个静态框架，其中，每个静态框架包括锥形结构，其具有其间带有开口的两个或更多个腿(107)；第一轴部，用于接收第一轴承单元的第一轴承圈；以及第二轴部，用于接收第二轴承单元的第一轴承圈。轮毂还包括互连静态框架的第一轴部和腿的中心部。

根据并参照下文描述的实施例，本发明的这些及其它方面将是显而易见的并且对其进行加以阐明。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本发明的轴承系统的简化剖视图，

图2示出了根据本发明的轮毂的透视图，

图3示出了根据本发明的第一轴承单元的剖视图，

图4示出了在从轴承系统中更换第一轴承单元之一的过程的步骤；

图5示出了在从轴承系统中更换第二轴承单元之一的过程的步骤；

图6示出了根据本发明的轴承系统的三维视图，以及

图7示出了包括根据本发明的轴承系统的风力涡轮机。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的轴承系统100的简化剖视图。轴承系统100配置成用于将多个叶片210(参见图7)连接到风力涡轮机200的主轴。轴承系统100包括联接到主轴的轮毂101(同样参见图2)，并且每个叶片210相对于轮毂101可旋转地支承，以便可绕着桨距轴线A旋转。轮毂101包括多个静态框架110，它们每个经由第一轴承单元140和第二轴承单元160连接到多个动态框架120。每个动态框架120连接到叶片210，或者形成叶片根部的组成部分。在图1中，轴承系统100包括三个动态框架120和三个静态框架。为了清楚起见，不是所有彼此共同的构件都设置有附图标记。

参照图2，轮毂101包括三个静态框架110。每个静态框架110包括多个腿107，它们围绕静态框架的圆周以均匀间隔布置。优选地，静态框架110具有三条腿，使得每个静态框架都具有三脚架结构。轮毂101还包括中心部105，其在轴向方向上延伸并且将轮毂的前轴向侧与轮毂的后轴向侧互连。适当地，轮毂101适于在轮毂的后轴向侧联接到主轴，使得中心部105沿着主轴的轴线延伸。三个静态框架110围绕中心部105的轴线布置，由此每个静态框架107的腿连接到中心部105，使得轮毂101形成刚性坚固的结构。

每个静态框架110还包括第一轴部145，具有用于安装第一轴承单元140的第一轴承圈的座。在所描绘的示例中，第一轴部145适于接收第一轴承单元140的内圈。可替代地，轴部例如可以是中空的，用于接收第一轴承单元140的外圈。三个第一轴部145沿着桨距轴线A从中心部105延伸。第一轴部145因此得以互连，这大大增加了轴承系统100作为整体的强度和刚度。此外，第一轴承单元140上的负载在中心部105被传递到轮毂101，这使得相比于常规的轮毂，能够更直接地传递到涡轮机的主轴。

在所描绘的示例中，每个静态框架110包括锥形部150，其将该三脚架结构的腿107连接到静态框架的第二轴部146，其具有用于接收第二轴承单元160的第一轴承圈的座。第二轴承单元上的负荷因此通过锥形部150被传递到静态框架的腿107，然后至中心部，再使得至涡轮机主轴的更直接的负荷路径成为可能。代替锥形部150，每个静态框架110的腿107可以向内延伸，以邻接用于接收第二轴承单元160的第二轴部146。

如从图1中可以看出，在第一轴承单元140与其相应的第二轴承单元160之间沿着桨距轴线A的空间是空的。这有助于减小整个轴承系统100的重量，并且便于更换第一轴承单元140，这将在后面进行更加详细地解释。可替代地，轮毂可以包括用于每个静态框架110的沿着桨距轴线A延伸的单一轴，使得第一轴承单元140和第二轴承单元160都安装到相同的轴。

在图1的实施例中，第一轴承单元140的第一圈180(参见图4)是第一轴承单元140的内圈180，第二轴承单元160的第一圈是第二轴承单元160的内圈。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，第一轴承单元140的第一圈可替代地是第一轴承单元140的外圈，第二轴承单元160的第一圈可替代地是第二轴承单元160的外圈。

对于每个静态框架110来说，轴承系统100包括相应的动态框架120。每个动态框架120包括用于接收第一轴承单元140的第二圈182(参见图4)的第一座，并且包括用于接收第二轴承单元160的第二圈的第二座162。在图1的实施例中，第一轴承单元140的第二圈182是第一轴承单元140的外圈180，第二轴承单元160的第二圈是第二轴承单元160的外圈。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，第一轴承单元140的第二圈182可替代地是第一轴承单元140的内圈，第二轴承单元160的第二圈可替代地是第二轴承单元160的内圈。

在所描绘的示例中，每个动态框架120还具有三条腿127，它们围绕动态框架的圆周以规则的间隔布置。动态框架的腿127穿过静态框架的腿107之间的开口。类似地，静态框架110的腿107穿过动态框架的腿127之间的开口。动态框架腿127以及在它们之间的开口的尺寸和静态框架腿107以及在它们之间的开口的尺寸确定动态框架120可以相对于轴承系统100的静态框架110围绕桨距轴线A旋转的程度。在风力涡轮机应用中，高达95度的相对旋转是足够的。

在所描绘的示例中，每个动态框架具有第一锥形部170，其从腿127延伸朝向第一轴承单元140。适当地，第一轴承单元140的第二轴承圈安装在第一锥形部170的顶点。每个动态框架120可以适当地包括第二锥形部172，其从腿127延伸朝向第二轴承单元160。第二轴承单元160的第二轴承圈适当地安装在第二锥形部172的顶点。此外，每个动态框架120可以包括用于连接涡轮机叶片210的叶片根部220的柱形部174。

第一轴承单元140和第二轴承单元160之间的轴向间距(其通常约等于叶片根部直径)意味着轴承单元不承受来自叶片210的相当大的弯曲力矩。因此，比常规回转轴承显著更小的轴承可以用于本发明的轴承系统100。例如，第一轴承单元140和第二轴承单元160的最小尺寸由他们需要能够承受的总负载以及由第一轴承单元140和第二轴承单元160之间的轴向间距确定。

此外，用于经由每个第一轴承单元140和第二轴承单元160连接静态框架110和动态框架120的静态框架110和动态框架120的锥形形状允许在静止框架110的腿107之间和动态框架120的腿127之间具有足够的空间来使得能够足够地相对旋转。优选地，静态框架110的腿107在静态框架110的以及动态框架120的最宽直径d1穿过动态框架120的腿127之间的开口，以最大限度地提高动态框架120相对于静态框架110的桨距角。优选的是桨距范围高达90或95度，其中达35度的桨距范围主要用于功率控制，而90度的桨距角可用来从风中“停止”叶片210(或者从风中“调节”叶片210)。

如所提到，第一轴承单元140和第二轴承单元160可以比叶片根部220的内直径d2小很多。在图1中，第一轴承单元140所围绕布置的第一轴部145的内径d3比叶片根部220的内径d2要小得多，甚至可以小于250毫米(当然这取决于负载)。第二轴承单元160的内径(未示出)可以是相似的。这显著减小了第一轴承单元140和第二轴承单元160的尺寸，使得在风力涡轮机200的使用生命中更容易更换第一个轴承单元140和第二轴承单元160，优选的是不用移除风力涡轮机200的叶片210。

这是特别有益的，因为叶片210的变桨对于较大的风力涡轮机200来说变得更加重要。如在引言部分中所示，在叶片210围绕风力涡轮机200的轴的旋转过程中的叶片210的单独变桨将被完成，以减少或平衡风速的变化可能在风力涡轮机200上造成的力。此单独的变桨将增加第一轴承单元140和第二轴承单元160内的磨损，这进一步增加了对未来更换的需要。这些尺寸减小的第一轴承单元140和第二轴承单元160的另一好处是，它们在改变风力涡轮机200的叶片210的桨距时产生较少的摩擦，这减少了对变桨驱动马达190(参见图5)的任何要求，且因此可以降低根据本发明的轴承系统100的总重量。

图3示出了根据本发明的第一轴承单元140的剖视图。当然，图1和6中所示的第一轴承单元140或第二轴承单元160中的任何一个可以以类似的方式构成。图3所示的第一轴承单元140包括径向轴承184和轴向轴承186。在当前的实施例中，径向轴承184是被设计成用于径向载荷的球面滑动轴承184，而该球面滑动轴承184还可以支承相对较小的轴向载荷。轴向载荷与径向载荷的比例越大，则这种轴承的寿命就会越短。图4中所示的轴向轴承186是原则可以承载轴向和径向载荷的角接触球面滑动轴承186。在图4所示的布置中，该角接触球面滑动轴承186将仅受到轴向加载。可替代地，轴向轴承186可以是推力球面滑动轴承来支承轴向载荷。在优选的实施例中并且如图3所示，径向轴承184和轴向轴承186是同心的，使得第一轴承单元140能够承受轴承系统100的结构的变形。径向轴承184和轴向轴承186中的每个通过采用其第二圈182(例如外圈182)被连接到动态框架120(参见图1)，并且经由第一轴部145通过采用其第一圈180(例如内圈180)被连接到静态框架110(参见图1)。在叶片210围绕轴的旋转过程中(参见图1)，径向力和轴向力将会施加在动态框架120(参见图1)和静态框架110(参见图1)之间的连接点。径向轴承184和轴向轴承186在第一轴承单元140中的组合改善了运转时叶片210的变桨支承。

第一轴承单元140和/或第二轴承单元160可以包括自对准轴承。自对准轴承单元140、160的好处是它们能够承受可能由轴承系统100的变形而引起的自对准轴承单元140、160的内圈180和外圈182之间的对准错误。当使用这种自对准轴承单元140、160时，相比于其中使用回转轴承的公知系统来说，轴承系统100的刚度可以得到减少。在公知的风力涡轮机轮毂240中，回转轴承用来将叶片210的根部220连接到轮毂240。轮毂与一个轴承圈之间的硬接口和另一轴承圈与叶片之间的硬接口须确保回转轴承在运转时不受到损坏。硬接口是通过许多螺栓例如70个螺栓来实现的。通过使用自对准轴承单元140，160，可以降低刚度要求，这可能再次有助于轴承系统100的重量的总体减少。自对准轴承140、160例如可以包括球面滑动或球面滚动元件轴承。

图4示出了从轴承系统100更换第一轴承单元140之一的过程的步骤。最初，须从中更换第一轴承单元140的动态框架120应该通过使用固定元件195而相对于其相应的静态框架110被固定(在图4中表示为点划线圆圈内的T形固定装置—本领域技术人员要理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用适于固定动态框架120相对于其相应静态框架110的位置的任何固定元件195)。接着，去除第一盖元件142，以允许从第一轴部145移除第一轴承单元140。接着，可以移除第一轴承单元140，并且可以围绕第一轴部145插入更换的第一轴承单元140，此后可以重新定位第一盖元件142。接着，可以移除固定元件195，以允许动态框架120再次相对于静态框架110旋转。

图4示出了从轴承系统100更换第二轴承单元160之一的过程的步骤。基本上，这些步骤是相似的，比如最初固定元件195需要被放置就位，以确保动态框架120相对于静态框架是固定的。从第二轴部146移除第二盖元件162。接着，卸除第二轴承单元160，并且将更换的第二轴承单元160安装到第二轴部146。然后第二盖元件162被更换，并且固定元件195被移除，以允许动态框架120再次相对于静态框架110旋转。

如前所示，由于根据本发明的轴承系统100，相比于常规的回转轴承，第一轴承单元和第二轴承单元的尺寸得到减少。第一和第二轴承单元小到足以通过塔架250被传输到风力涡轮机的顶部。因此，不需要起重机或大型外部举升机。如图4和5所示，这种更换甚至可以在无需首先从动态框架120移除叶片210的情况下完成。

图6示出了根据本发明的轴承系统100的三维图。另外，连同第二轴承单元160一起，还示出了静态框架110、动态框架120以及轴承系统100的轮毂的中心部。在该三维图中还示出了桨距驱动马达190连同齿轮环段192，用于使动态框架120相对于其相应的静态框架110旋转。当然，桨距驱动马达190连同齿轮环192、皮带传动装置(未示出)或液压致动器(未示出)的许多不同实施例在不脱离本发明范围的情况下也是可能的。在图6中还示出了固定元件195，其配置成用于固定至少一个动态框架120相对于相应的静态框架110的位置，用于使得能够更换第一轴承单元(未示出)和/或第二轴承单元160，同样如上面的图5和6所示。同样在该实施例中，固定元件195可以是任何元件或者可以是多个元件，以固定动态框架120相对于其相应静态框架110的位置。

图7示出了涡轮机200，其例如可以包括根据本发明的轴承系统100。图7中所示的涡轮机200是风力涡轮机200，其具有布置在机舱230中的发电机(及可能的齿轮箱)和通过主轴(未示出)连接到发电机的多个叶片210。叶片210连接到轮毂240，其被执行为如图2所示的轮毂。合适地，根据本发明的轮毂101中的开口被封闭在壳体中，以防止湿气和其它污染物的进入。每个叶片210的根部220连接到可以围绕桨距轴线A旋转(参见图1)的动态框架120(未示出)，用于调节叶片210的桨距。机舱230建立在塔架250的顶部上。

多个静态框架110在轮毂101的中心部105的互连提供了本发明的轴承系统100的强度和刚度，并且对于轮毂来说不需要包括大直径圆形接口用于连接叶片210。因此，本发明的轴承系统中的轮毂101比传统的轮毂要轻得多。静态框架110在中心部105的互连还使得能够将负载更直接地传递到涡轮机的主轴。

应当指出的是，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计出许多替代的实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制该权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除在权利要求中所述的那些之外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除存在多个这种元件。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件以及通过适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干个可以由一个且相同的硬件项目来体现。纯粹的事实在于，在相互不同的从属权利要求中叙述的某些措施并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (19)

1.一种轴承系统(100)，用于支撑涡轮机(200)的多个叶片(210)，使得每个叶片能相对于所述轴承系统(100)的轮毂(101)绕着桨距轴线(A)旋转，其中，

-所述轮毂(101)配置成用于连接到所述涡轮机(200)的主轴，并且包括含有锥形结构(150)的多个静态框架(110)和具有其间带有开口的两个或更多个腿(107)，所述静态框架(110)配置成用于与相应的动态框架(120)相配合，所述动态框架包括锥形结构(170、172)和具有其间带有开口的两个或更多个腿(127)，由此所述静态框架(110)的腿(107)穿过相应动态框架(120)的腿(127)之间的开口，并且所述动态框架(120)的腿(127)穿过相应静态框架(110)的腿(107)之间的开口；

-每个动态框架(120)配置成用于连接到所述叶片(210)中的一个，并且通过第一轴承单元(140)和布置在沿着所述桨距轴线(A)距所述第一轴承单元(140)一定距离的第二轴承单元(160)被旋转地安装到相应静态框架(110)；

-每个静态框架(110)还包括所述第一轴承单元的第一圈被安装至的第一轴部(145)，并且包括所述第二轴承单元的第一圈被安装至的第二轴部(146)；

-所述轮毂(101)还包括互连所述静态框架(110)的第一轴部(145)的中心部(105)。

2.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述中心部(105)沿着所述主轴的轴线延伸，并且互连所述轮毂(101)的前轴向侧和后轴向侧。

3.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述静态框架(110)呈锥形地朝向所述第一轴承单元(140)和/或所述第二轴承单元(160)，并且/或者其中，所述动态框架(120)呈锥形地朝向所述第一轴承单元(140)和/或所述第二轴承单元(160)。

4.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述静态框架的腿(107)和所述动态框架的腿(127)在所述静态和动态框架的最宽直径(d1)穿过它们之间相应的开口。

5.根据权利要求4所述的轴承系统(100)，其中，所述静态框架(110)和动态框架(120)各自具有三条腿，且静态框架腿(107)及其间的开口的尺寸和动态框架腿(127)及其间的开口的尺寸配置成使得所述动态框架(120)能够相对于所述静态框架(110)在90度或更大的角度上旋转。

6.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述第一轴承单元(140)的内径(d3)和/或所述第二轴承单元(160)的内径小于所述叶片(210)的根部(220)的直径(d2)的一半。

7.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述第一轴承单元(140)和/或所述第二轴承单元(160)包括自对准轴承单元。

8.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述第一轴承单元(140)的第二圈(182)是第一轴承单元(140)的内圈(182)，所述第二轴承单元(160)的第二圈是第二轴承单元(160)的内圈。

9.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述第一轴承单元(140)和/或所述第二轴承单元(160)包括滑动轴承。

10.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述第一轴承单元(140)和/或所述第二轴承单元(160)包括径向轴承(184)和轴向轴承(186)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的轴承系统(100)，其中，所述轴承系统(100)包括配置成用于调节所述多个叶片(210)的桨距的一个或多个桨距驱动马达(190)。

12.根据权利要求11所述的轴承系统(100)，其中，所述桨距驱动马达(190)配置成用于经由齿轮环(192)、皮带驱动装置或者经由液压致动器来旋转所述动态框架(120)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的轴承系统(100)，其中，所述动态框架(120)被集成到所述叶片(210)中。

14.根据权利要求1所述的轴承系统(100)，其中，所述轴承系统(100)包括固定元件(195)，其配置成用于固定至少一个动态框架(120)相对于静态框架(110)的位置，用于使得能够更换所述第一轴承单元(140)和/或所述第二轴承单元(160)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的轴承系统(100)，其中，所述轴承系统(100)包括三个静态框架(110)，它们配置成与相应的动态框架(120)相配合。

16.一种涡轮机(200)，包括发电机(230)，具有用于旋转所述发电机(230)的主轴，并且包括根据前述权利要求中任一项所述的轴承系统(100)。

17.根据权利要求15所述的涡轮机(200)，其中，所述轮毂(101)的中心部(105)连接到主轴。

18.根据权利要求15所述的涡轮机(200)，其中，所述涡轮机(200)是风力涡轮机(200)或潮汐能涡轮机(200)。

19.一种涡轮机的轮毂，其中，所述轮毂(101)配置成用于连接到所述涡轮机(200)的主轴，所述涡轮机具有多个叶片(210)，其中每个叶片可绕着桨距轴线(A)旋转，并且通过第一轴承单元(140)和布置在沿着所述桨距轴线(A)距所述第一轴承单元(140)一定距离的第二轴承单元(160)相对于所述轮毂(101)被旋转地支承；

其特征在于，所述轮毂包括多个静态框架(110)，其中的每个包括：

-锥形结构(150)，其具有其间带有开口的两个或更多个腿(107)；

-第一轴部，用于接收所述第一轴承单元的第一轴承圈；

-第二轴部，用于接收所述第二轴承单元的第一轴承圈；

并且在于，

所述轮毂(101)还包括互连所述静态框架的第一轴部(145)和腿(107)的中心部(105)。