CN107587972A - 风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机（1），包括轮毂（6）、连接到所述轮毂（6）的叶片轴（10）、连接到所述叶片轴（10）的转子叶片（5）、布置在所述叶片轴（10）的叶片端（12）处的固定轴承布置结构（14）以及布置在所述叶片轴（10）的轮毂端（11）处的浮动轴承布置结构（15），其中，所述轴承布置结构（14、15）使得所述转子叶片（5）能够相对于所述叶片轴（10）旋转运动。包括所述轴承布置结构（14、15）的风力涡轮机（1）的一个优点在于实现了更好的载荷分配。此外，与具有滚动元件的轴承相比，可维护性更好。

Description

风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机。
背景技术
现代风力涡轮机的转子叶片由纤维增强塑料构建。转子叶片通常包括具有圆整的前缘和尖锐的后缘的翼型件。转子叶片利用其叶片根部连接到风力涡轮机的轮毂。转子叶片借助于变桨轴承（pitch bearing）连接到轮毂，该变桨轴承允许转子叶片的俯仰运动。变桨轴承通常是滚动元件轴承。较长的转子叶片经受与该转子叶片相互作用的风的更多的力。这些力通过转子叶片的变桨轴承传递到轮毂。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种改进的风力涡轮机。
因此，提供了一种风力涡轮机，其包括轮毂、连接到所述轮毂的叶片轴、连接到所述叶片轴的转子叶片、布置在所述叶片轴的叶片端处的固定轴承布置结构以及布置在所述叶片轴的轮毂端处的浮动轴承布置结构，其中，所述轴承布置结构使得所述转子叶片能够相对于所述叶片轴旋转运动。
叶片轴的叶片端可以被称为远端，这是因为它与轮毂相距一定距离定位。轮毂端可以被称为叶片轴的近端，这是因为它靠近轮毂。叶片端也可以被称为末端。叶片端可以是尖的。特别地，转子叶片借助于固定轴承布置结构和浮动轴承布置结构可旋转地支撑在叶片轴处。转子叶片优选地具有固定到叶片轴的叶片根部。叶片轴优选地被布置在叶片根部内。风力涡轮机的叶片布置结构优选地包括轮毂、叶片轴、轴承布置结构以及叶片。风力涡轮机优选地包括多于一个转子叶片。特别地，风力涡轮机包括三个或更多个转子叶片。每个转子叶片具有其自己的叶片轴。叶片轴在固定到轮毂的轮毂端和尖的叶片端之间延伸。两个轴承布置结构优选为滑动轴承或滑体轴承。固定轴承是可沿径向和轴向方向二者传递载荷的轴承。浮动轴承是只能沿径向而不能沿轴向方向传递载荷的轴承。
所述风力涡轮机的优点如下。实现了更好的载荷分配。在叶片根部和轴承布置结构中需要较少的材料。与具有滚动元件的轴承相比，可维护性更好。在具有100m的长度或更长的转子叶片处，预期在转子叶片的末端处存在几米的挠曲。这导致在叶片根部处的较大的力，并且导致在叶片轴处的轴承中的高度不对准。滑动轴承对这种不对准较不敏感。
根据一个实施例，所述固定轴承布置结构位于所述叶片轴和所述转子叶片之间，并且所述浮动轴承布置结构也位于所述叶片轴和所述转子叶片之间。优选地，固定轴承布置结构和浮动轴承布置结构一起形成风力涡轮机的变桨轴承布置结构（pitch bearingarrangement）。转子叶片可以相对于叶片轴旋转，以调整转子叶片的桨距角。
根据另一实施例，所述固定轴承布置结构包括用于传递径向力的径向轴承和用于传递轴向力的轴向轴承。固定轴承布置结构可以包括布置在径向轴承的两侧处的两个轴向轴承。轴向方向优选地定向为平行于固定轴承布置结构的中轴线。径向方向优选地定向为垂直于该轴向方向。
根据另一实施例，所述径向轴承包括连接到所述转子叶片的配接壁的第一轴承壳和连接到所述叶片轴的第二轴承壳。第二轴承壳可以是叶片轴的一部分。叶片轴在第二轴承壳的区域中可以具有更高的厚度。
根据另一实施例，所述径向轴承和/或所述轴向轴承包括可更换的轴瓦。该可更换的轴瓦确保了风力涡轮机或叶片布置结构的更长的总体寿命。与具有滚动元件的轴承相比，可维护性更好。轴瓦可由例如铜之类的金属、例如尼龙之类的塑料或复合材料制成。
根据另一实施例，所述径向轴承和/或所述轴向轴承是滑动轴承。滑动轴承没有滚动元件。滑动轴承也可被称为滑体轴承。
根据另一实施例，所述径向轴承具有大于50cm、优选为大于80cm的直径，以及大于40cm、优选为大于80cm的长度。径向轴承的直径和长度是任意的。
根据另一实施例，所述轴向轴承具有大于5cm的长度。该长度也可以小于5cm。
根据另一实施例，所述浮动轴承布置结构包括用于传递径向力的径向轴承。该径向轴承优选为是滑动轴承。
根据另一实施例，所述径向轴承包括可更换的轴瓦。该可更换的轴瓦确保了风力涡轮机或叶片布置结构的更长的总体寿命。与具有滚动元件的轴承相比，可维护性更好。轴瓦可由例如铜之类的金属、例如尼龙之类的塑料或复合材料制成。
根据另一实施例，所述径向轴承是滑动轴承。这提高了径向轴承的耐久性。此外，还简化了该径向轴承的维护。
根据另一实施例，所述径向轴承具有大于4m的直径，以及大于10cm、优选为大于25cm的长度。该径向轴承的直径和长度是任意的。
根据另一实施例，所述叶片轴是中空的，和/或所述叶片轴是锥形的。所述叶片轴可以被铸造。所述叶片轴可由例如铝之类的金属制成。“锥形”意味着叶片轴的截面从轮毂端沿叶片端的方向减小。替代性地，叶片轴可以是圆柱形的。
根据另一实施例，所述叶片轴被至少部分地布置在所述转子叶片内。特别地，叶片轴被布置在转子叶片的根部内。
根据另一实施例，所述固定轴承布置结构和/或所述浮动轴承布置结构包括铜、尼龙或复合材料，和/或其中，所述固定轴承布置结构和/或所述浮动轴承布置结构被润滑。所述轴承布置结构可以具有防止油脂或油逸出并且防止水进入的密封。用于轴瓦的合适材料可以是铜、尼龙或复合材料，优选为Ertalon LFX，其也已知为基于paxx或pcb的复合材料。尼龙的润滑可以利用油脂来进行，特别是利用基于pcb的油脂。复合材料可以在无油脂的情况下运行。
“风力涡轮机”当前是指将风的动能转化成旋转能的装置，该旋转能可以再次通过该装置转化成电能。
本发明的其他可能的实施方式或替代方案还包括本文未明确提及的上文所述或下文关于实施例所述的特征的组合。本领域技术人员还可以向本发明的最基本形式添加个别或孤立的方面和特征。
附图说明
结合附图，通过后续的描述和从属权利要求，本发明的其他实施例、特征和优点将变得显而易见，附图中：
图1是根据一个实施例的风力涡轮机的透视图；
图2是根据一个实施例的风力涡轮机的转子叶片的透视图；
图3是根据一个实施例的叶片布置结构的剖视图；
图4是根据一个实施例的固定轴承布置结构的剖视图；以及
图5是根据一个实施例的浮动轴承布置结构的透视图。
在附图中，除非另有指示，否则相同的附图标记表示相同或功能上等同的元件。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施例的风力涡轮机1。
风力涡轮机1包括连接到布置在机舱3内的发电机（未示出）的转子2。机舱3被布置在风力涡轮机1的塔架4的上端处。
转子2包括三个转子叶片5。转子叶片5被连接到风力涡轮机1的轮毂6。这种转子2可以具有例如范围从30米至160米或甚至更大的直径。转子叶片5经受高的风荷载。同时，转子叶片5需要重量轻。由于这些原因，现代风力涡轮机1中的转子叶片5由纤维增强复合材料制成。其中，由于成本原因，玻璃纤维一般优于碳纤维是优选的。常常使用单向纤维垫（unidirectional fiber mat）形式的玻璃纤维。
图2示出了根据一个实施例的转子叶片5。
转子叶片5包括：空气动力学设计的部分7，其被成形为用于最佳地利用风能；以及叶片根部8，其用于将转子叶片5连接到轮毂6。
图3示出了根据一个实施例的叶片布置结构9的剖视图。
叶片布置结构9包括轮毂6、固定到轮毂6的叶片轴10和转子叶片5。叶片布置结构9可以包括若干个叶片轴10以及若干个转子叶片5。例如，叶片布置结构9可以包括三个转子叶片5和三个叶片轴10，其中，每个叶片轴10被分配给一个转子叶片5。叶片轴10被固定到轮毂，使得它不能相对于轮毂6旋转。叶片布置结构9是风力涡轮机1的一部分。叶片轴10被至少部分地布置在转子叶片5内。
叶片轴10是锥形的。这意味着叶片轴10具有：宽的轮毂端11，其被附接到轮毂6；以及尖端或叶片端12，其被布置在转子叶片5的叶片根部8内。从轮毂端11到叶片端12，叶片轴10的截面面积连续减小。叶片轴10设有布置在轮毂端11处的盘形接口13。接口13被固定到轮毂6。例如，接口13借助于螺栓和/或螺钉来固定到轮毂6。叶片轴10是中空的。这降低了叶片轴10的重量。
转子叶片5被连接到叶片轴10。叶片轴10伸入到转子叶片5中一定的预定长度。转子叶片5至少在两个区域处连接到叶片轴10。一个区域是在转子叶片5的轮毂端11或叶片根部8处，并且一个区域是在叶片轴10的叶片端12处。该连接通过固定轴承布置结构14和浮动轴承布置结构15来实现，该固定轴承布置结构14被布置在叶片轴10的叶片端12处，该浮动轴承布置结构15被布置在转子叶片5的叶片根部8处或叶片轴10的轮毂端11处。轴承布置结构14、15使得转子叶片5能够相对于叶片轴10旋转运动。因此，能够调整转子叶片5的桨距角（pitch angle）。
固定轴承布置结构14在图4中详细示出。
固定轴承布置结构14位于叶片轴10和转子叶片5之间。固定轴承布置结构14在叶片轴10的叶片端12处支撑转子叶片5。固定轴承布置结构14包括径向轴承16和轴向轴承17、18，以传递径向和轴向力。轴承16、17、18是滑动轴承（plain bearing）。这意味着轴承16、17、18没有滚动元件。径向轴承16只能沿径向方向r而不是沿轴向方向a传递载荷。轴向轴承17、18只能沿轴向方向a而不是沿径向方向r传递载荷。轴向方向a被定位成平行于固定轴承布置结构14的中轴线M14。径向方向r被定位成垂直于中轴线M14或轴向方向a。
转子叶片5包括支撑固定轴承布置结构14的配接壁（adaptor wall）19。径向轴承16包括第一轴承壳20，其被连接到转子叶片5的配接壁19。径向轴承16还包括第二轴承壳21，其被连接到叶片轴10或者是叶片轴10的一部分。第二轴承壳21可以被连接到叶片轴10的外表面。第二轴承壳21也可以被连接到叶片轴10的叶片端12。叶片轴10是中空的并且可以被铸造。叶片轴10在径向轴承16的区域中可以具有较高的壁厚度。
在第一轴承壳20和第二轴承壳21之间布置有多个轴瓦（bearing pad）22。轴瓦22是可更换的。用于轴瓦22的合适材料可以是铜、尼龙或复合材料，优选为Ertalon LFX，其也已知为基于paxx或pcb的复合材料。尼龙的润滑可以利用油脂来进行，特别是利用基于pcb的油脂。复合材料可以在无油脂的情况下运行。径向轴承16可以具有大于50cm、优选为大于80cm的直径。径向轴承16的长度可以大于40cm，优选为大于80cm。
每个轴向轴承17、18具有盘形盖23、24。盖24是叶片轴10的一部分，并且盖23是借助于固定元件25、特别是螺钉来固定到叶片端12的面的额外部分。在每个盖23、24和第一轴承壳20之间布置有轴瓦26、27。轴瓦26、27可由与轴瓦22相同的材料制成。每个轴向轴承17、18可以具有大于5cm的长度。
轴承16、17、18可以具有防止油脂或油逸出并且防止水进入的密封。轴承16、17、18也可以被放置在叶片轴10内（未示出）。固定轴承布置结构14可以是可更换的一个单元，使得不需要更换轴瓦22、26、27。该单元可以通过叶片轴10、轮毂6和机舱3来更换，并且可以借助于起重机来向下吊放至地面。叶片轴10可以具有附加的布置结构，以将转子叶片5固定到叶片轴10，使得在维修工作和更换轴瓦22、26、27期间防止转子叶片5的旋转。
浮动轴承布置结构15在图5中详细示出。
浮动轴承布置结构15被放置在叶片轴10和转子叶片5之间。浮动轴承布置结构15包括用于传递径向力的径向轴承28。这意味着径向轴承28只能沿径向方向r而不是沿轴向方向a来传递载荷。径向轴承28包括第一轴承壳29和第二轴承壳30，该第二轴承壳30可以是叶片轴10的一部分。
在轴承壳29、30之间布置有多个可更换的轴瓦31。轴瓦31可由与轴瓦22、26、27相同的材料制成。第一轴承壳29被附接到叶片根部8。第一轴承壳29可以被分成多段，以允许容易地更换轴瓦31和/或第一轴承壳29的这些段。径向轴承28可以具有大于4m的直径以及大于10cm、优选为大于25cm的长度。第一轴承壳29可以设有齿圈32，其可被用于调整转子叶片5的桨距角。
包括叶片布置结构9的风力涡轮机1的优点如下。实现了更好的载荷分配。在叶片根部8和轴承布置结构14、15中需要较少的材料。可更换的轴瓦22、26、27、31确保了风力涡轮机1或叶片布置结构9的更长的总体寿命。与具有滚动元件的轴承相比，可维护性更好。在具有100m长度的转子叶片5处，预期在转子叶片5的末端处存在几米的挠曲（deflection）。这导致在叶片根部8处的较大的力，并且导致在叶片轴10处的轴承中的高度不对准。如轴承16、17、18、28那样的滑动轴承对这种不对准较不敏感。
尽管已根据优选实施例描述了本发明，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，在所有实施例中修改都是可能的。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机（1），包括轮毂（6）、连接到所述轮毂（6）的叶片轴（10）、连接到所述叶片轴（10）的转子叶片（5）、布置在所述叶片轴（10）的叶片端（12）处的固定轴承布置结构（14）以及布置在所述叶片轴（10）的轮毂端（11）处的浮动轴承布置结构（15），其中，所述轴承布置结构（14、15）使得所述转子叶片（5）能够相对于所述叶片轴（10）旋转运动。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述固定轴承布置结构（14）位于所述叶片轴（10）和所述转子叶片（5）之间，并且所述浮动轴承布置结构（15）也位于所述叶片轴（10）和所述转子叶片（5）之间。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述固定轴承布置结构（14）包括用于传递径向力的径向轴承（16）和用于传递轴向力的轴向轴承（17、18）。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于，所述径向轴承（16）包括连接到所述转子叶片（5）的配接壁（19）的第一轴承壳（20）和连接到所述叶片轴（10）的第二轴承壳（21）。
5.根据权利要求3或4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述径向轴承（16）和/或所述轴向轴承（17、18）包括可更换的轴瓦（22、26、27）。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述径向轴承（16）和/或所述轴向轴承（17、18）是滑动轴承。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述径向轴承（16）具有大于50cm、优选为大于80cm的直径，以及大于40cm、优选为大于80cm的长度。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轴向轴承（17、18）具有大于5cm的长度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述浮动轴承布置结构（15）包括用于传递径向力的径向轴承（28）。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于，所述径向轴承（28）包括可更换的轴瓦（31）。
11.根据权利要求9或10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述径向轴承（28）是滑动轴承。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述径向轴承（28）具有大于4m的直径，以及大于10cm、优选为大于25cm的长度。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述叶片轴（10）是中空的，和/或其中，所述叶片轴（10）是锥形的。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述叶片轴（10）被至少部分地布置在所述转子叶片（5）内。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述固定轴承布置结构（14）和/或所述浮动轴承布置结构（15）包括铜、尼龙或复合材料，和/或其中，所述固定轴承布置结构（14）和/或所述浮动轴承布置结构（15）被润滑。
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