CN109072884B - 包括力矩轴承的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机，其包括带轮毂的转子、带主框架的机舱、和设置在轮毂与主框架之间的力矩轴承。力矩轴承包括内圈和外圈，内外圈之间设有至少一列可旋转轴承元件。位于内外圈之间的保持架将单个轴承元件大致保持就位。外圈还包括第一肩部和第二肩部，用于在从轴承元件向外圈的两个方向上传递轴向负载。力矩轴承还包括至少第一密封元件，设置为封闭由内外圈限定的腔室，其中所述第一密封元件与外圈上的接触面接触。这提供了改进的热传递，其中大部分产生的热量传递至主框架。

Description

包括力矩轴承的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机，其包括风力涡轮机塔架、相对风力涡轮机塔架设置的机舱和相对机舱可旋转地设置的转子，转子包括轮毂，轮毂包括面向机舱的至少第一安装接口，机舱包括具有面向转子的第二安装接口的主框架，其中力矩轴承设置在机舱和转子之间，力矩轴承包括安装至第一安装接口的内圈和安装至第二安装接口的外圈，内圈包括面向外圈的第一滚道，外圈包括面向内圈的第二滚道，其中第一滚道和第二滚道之间设有多个可旋转轴承元件。
背景技术
现代风力涡轮机如今所使用的轴承单元设计为大型、重型轴承单元，设置为吸收转子、发电机、变速箱和风力涡轮机中的其他部件所产生的各种载荷。一些风力涡轮机包括设置在转子和机舱之间的力矩轴承。力矩轴承具有超过一米的内径以及数公吨的重量。这样的力矩轴承设计为主要传递转子产生的力矩载荷至机舱。
风力涡轮机叶片相对机舱旋转时，力矩轴承承受主框架中的各种刚度。当风力涡轮机叶片相对机舱旋转，它们也承受不同的风切变，并转而传递至力矩轴承。力矩轴承因此能够被预紧，抵消这些动态载荷。这确保位于力矩轴承的内圈和外圈之间的滚子能够与各自滚道相接触，但是这也在两个圈之间产生了摩擦扭矩。这转而在各个圈中产生热量，导致圈膨胀，如果力矩轴承过热，这可能造成轴承咬死。解决此问题的一个方法是将润滑剂引入两个圈之间的腔室中，这样使得在滚子与各个圈之间的接触表面上形成流体动力膜。然而，润滑剂需要定期维护以防止滚子轴承过热以及从润滑剂清除杂质。
WO 2012/069212Al和DE 102012212792Al都公开了包括双列圆锥滚子的滚子轴承，其中圆锥滚子设置在位于内圈上的两个肩部之间。在这些滚子轴承中，当滚子与肩部接触，轴向载荷传递至内圈上，这转而在内圈中产生热量使其加热。WO 2006/099014Al中公开了类似的滚子轴承，其进一步公开了连接至圆锥滚子所在腔室的油脂循环系统。出口管道中的压力用于控制油脂的循环，这转而允许热量从内圈移除。
US 2014/0199011公开了一种轴承，其包括内圈、外圈和置于环上滚道之间的至少一列角接触滚子，每个滚子包括与所述滚道接触的滚动面和两个相对的端面，内圈和外圈具有与滚子的端面接触的引导面。
发明目的
本发明的目的在于提供解决了上述问题的另一种力矩轴承设计。
本发明的另一目的在于提供一种力矩轴承，其降低轴承咬死的风险并允许改善的热传递。
发明内容
如上所述，本发明包括风力涡轮机，其包括风力涡轮机塔架、相对风力涡轮机塔架设置的机舱和相对机舱可旋转地设置的转子，转子包括轮毂，轮毂包括面向机舱的至少第一安装接口，机舱包括具有面向转子的第二安装接口的主框架，其中力矩轴承设置在机舱和转子之间，用于将力矩载荷从转子传递至机舱，力矩轴承包括安装至第一安装接口的内圈和安装至第二安装接口的外圈，内圈包括面向外圈的第一滚道，外圈包括面向内圈的第二滚道，其中第一滚道和第二滚道之间设有多个可旋转轴承元件，其中至少一个肩部设置在所述外圈上，该至少一个肩部朝内圈突起并设置为在至少一个轴向方向上从所述多个轴承元件向所述外圈传递轴向载荷。
这提供了具有可替换的配置的力矩轴承，其中大部分产热元件例如肩部和外滚道，位于外圈例如外环上，同时内圈例如内环上包括最少的产热元件例如内滚道。这允许改进热量传递，因为大部分产生的热量能够被传递至机舱的大的主框架。这允许主框架结构作为冷却元件用于在运行中冷却力矩轴承，这转而减少了内圈产生的热量。
力矩轴承包括相对外圈可旋转设置的内圈，其中至少一列可旋转轴承元件设置在内外圈之间。内外圈之间可设置有保持架，其中保持架设置为将轴承元件大致保持在各自的位置。在安装时，内外圈各具有面向转子的第一端和面向机舱的第二端。内圈包括多个第一安装元件，例如通孔，用于安装至第一安装接口，例如使用螺栓或螺钉形式的紧固件。外圈包括多个第二安装元件，例如通孔，用于安装至第二安装接口，例如使用螺栓或螺钉形式的紧固件。这允许内圈被安装至轮毂，外圈被安装至主框架。转子重量和作用在转子上的风导致的力矩载荷能够因此从轮毂经由力矩轴承被传递至主框架上。
轮毂进一步包括至少两个安装接口，用于安装至少两个风力涡轮机叶片，例如经由各个桨距轴承系统。风力涡轮机还包括设置为产生功率输出的传动系，其中该传动系经由旋转轴可旋转地连接至转子。旋转轴可连接至力矩轴承，例如内圈，或者连接至轮毂上单独的安装接口。这允许风产生的气动扭矩被传递至传动系并转化为电能输出。
根据一个实施例，所述至少一个肩部包括第一肩部和至少第二肩部，其中在所述第一肩部和至少第二肩部之间设置该多个轴承元件。
力矩轴承包括至少一个肩部设置为吸收至少一个轴向方向上的载荷，其中此至少一个肩部从外圈的内表面向外突起。第一肩部和第二肩部可设置在外圈的内表面上。第一、二肩部可限定外滚道的挡块，例如第二滚道，作为轴承元件的侧表面的接触面。第一、二肩部可各包括接触面，用于与轴承元件的端面接触。肩部，例如第一或第二肩部，可为沿外圈的内表面延伸的环形肩部。这允许在运行期间，将双向的轴向载荷从轴承元件传递至外圈。
内圈包括外表面，其中形成有内滚道，例如第一滚道。外表面上不设置肩部，这转而将内圈中产生的热量最小化。这转而降低内圈的膨胀或变形，并从而降低轴承咬死的风险。
内圈和外圈都由单个环件形成。或者，一个圈，例如内圈或外圈，由能够接合在一起的至少两个环件形成，同时另一个圈可由单个环件形成。或者，内、外圈都可由能够接合在一起的至少两个环件形成。至少两个环件可形成两个相对面向的端面，在组装期间彼此接触。所述端面可被机械加工，例如在车床中加工，并随后放在一起用于在力矩轴承安装前进行预紧。这些端面之间的间隔能够通过使用适当的密封方式密封，例如密封剂，或密封元件如可变形元件。
根据一个实施例，该多个轴承元件包括第一列轴承元件和至少第二列轴承元件，所述第一列轴承元件相对所述至少第二列轴承元件设置。
力矩轴承包括至少一列轴承元件，其中各个轴承元件相对彼此放置。第一列轴承元件和至少第二列轴承元件可相对彼此设置。或者力矩轴承可包括三列、四列、或更多列轴承元件。各列轴承元件可成对或成多对设置。每对放置为面对面布置、背对背布置、或者串联布置。这允许将径向和轴向负载从转子传递至机舱。这也允许径向和轴向负载分布在一对或多对轴承元件上。
根据一个实施例中，所述轴承元件为滚子元件，所述第一滚道和第二滚道中的至少一个确定了接触所述滚子元件的至少一个线接触，其中所述至少一个线接触与力矩轴承的旋转轴在至少一个相交点相交。
轴承元件可做成是具有经由侧表面相连接的两个相反面向的端面的滚子元件。在运行期间，一个或两个端面作为接触面与肩部接触，肩部例如第一、二肩部。可成形侧表面为形成锥形接触面、球形接触面、对数接触面、或其他合适的接触面。两个端面可具有相同或不同的直径。第一、二滚道遵循此侧表面的轮廓成形。这允许轴承元件成形为圆锥滚子元件或球面滚子元件。
第一、二滚道可确定在力矩轴承的轴向方向延伸的第一、二线接触。力矩轴承具有中央旋转轴，其也限定轴向方向。力矩轴承还限定径向方向，相对轴向方向垂直延伸。轴承元件的侧表面可进一步限定在轴向方向延伸的第三、四线接触。各个线接触可与力矩轴承的旋转轴在一个或多个相交点相交。在实例中，各个线接触可与旋转轴在相同的相交点相交。旋转轴和各个线接触形成接触角，接触角转而用于限定能够被传递至主框架的轴向力和径向力的量。
根据一个实施例，所述力矩轴承进一步包括至少一个第一密封元件，设置在内圈和外圈中的至少一个上，该至少一个第一密封元件设置为密封由至少内、外圈限定的腔室。
内圈和外圈的内外表面和第一、二端限定设置腔室或间隔，将轴承元件设置在其中。此腔室或间隔可通过位于力矩轴承两侧的第一密封元件封闭。第一密封元件可设置为可更换密封，例如曲径密封件、接触式密封件、片状密封件、V形密封件、具有一、二、三或更多个唇口的唇形密封件，或其他合适的密封元件。可使用其他类型的可更换密封元件封闭腔室或间隔。
第一密封元件可分别设置在第一、二端上，或分别靠近第一、二端设置。可使用紧固装置或通过机械耦合将第一密封元件安装至力矩轴承的一个或两个圈，紧固装置如螺栓或螺钉，机械耦合如轨道和凹槽。可选地，第一密封元件可包括一个或多个加强元件，用于向第一密封元件提供刚度。
根据一个特定的实施例，所述至少一个第一密封元件设置在内圈上并向外圈延伸。
第一密封元件在实例中可安装至至少一个内圈，例如至端面或外表面上，其中第一密封元件朝外圈延伸。第一密封元件可包括与与外圈接触的自由端，例如外圈上相应的端面、内表面或另一个肩部。这允许外圈中在此接触区域产生的任何热量被传递至机舱的主框架。这转而进一步减少内圈中产生的热量，并从而进一步降低力矩轴承失效的风险。
根据另一特定实施例，所述腔室部分或全部填充润滑剂。
腔室或间隔可部分或全部填充润滑剂，如油、油脂或其他合适的润滑剂，用于降低轴承元件和滚道之间的摩擦。在组装力矩轴承期间，可将润滑剂填充至腔室或间隔，并且可选地，在安装力矩轴承之前、期间或安装之后装满。
力矩轴承可进一步包括至少一个入口和至少一个出口，设置为耦合至润滑系统，其中所述至少一个入口和至少一个出口与腔室或间隔流体连通。这允许润滑剂在力矩轴承和润滑系统之间循环，以移除润滑剂中的杂质并进一步移除力矩轴承中的热量。
可选地或附加地，力矩轴承包括一个或多个集成温度传感器，相对内圈和/或外圈设置，其中所述温度传感器设置为耦合至控制单元，例如风力涡轮机控制单元或外部控制单元。这允许控制单元监控力矩轴承在运行期间的温度，并可选地如果温度超过或低于一个或多个阈值，产生事件信号。
根据另一特定实施例中，所述力矩轴承还包括至少一个第二密封元件，设置在所述内圈和外圈中的至少一个上，该至少一个第二密封元件相对该至少一个第一密封元件设置。
力矩轴承可包括至少一个第二密封元件，设置在力矩轴承的一端或两端上，或靠近力矩轴承的一端或两端设置。第二密封元件可位于第一密封元件和轴承元件之间。或者，可将第一、二密封元件集成形成单个密封单元。第二密封元件可为曲径密封件，多级密封、或其他合适的第二密封元件。这进一步允许将腔室或间隔密封。这还允许润滑剂作为密封腔室或间隔的最内侧的密封元件。
根据一个实施例，所述力矩轴承还包括保持架，保持架具有多个通孔，其中多个轴承元件位于所述多个通孔中。
每列中的轴承元件可位于保持架中，其中保持架包括多个单独的通孔或间隔，单独的轴承元件设置在其中。每个通孔的内尺寸大致对应轴承元件的外尺寸。轴承元件可设置为实心或空心元件，能够绕内部旋转轴旋转。或者，轴承元件能够可旋转地位于旋转轴上，旋转轴延伸通过轴承元件，其中此旋转轴连接至保持架。该保持架能够自由地设置在腔室或间隔内，或者连接至一个或两个圈。
轴承元件、保持架、内圈和外圈可由任何适合的材料或复合材料制成。在实例中，内圈和外圈可由金属，例如黄铜、青铜或钢，或其他合适的材料制成。在实例中，轴承元件可由金属制成，如钢或其他合适的材料。在实例中，保持架可由金属，如黄铜或钢，聚合物材料或其他合适的材料制成。
根据一个实施例，所述力矩轴承包括第一轴承单元和至少第二轴承单元，其中所述第一轴承单元和所述至少第二轴承单元设置为成对配置。
力矩轴承可设置为单个轴承单元，其中单个轴承元件设置为如上所述的一、二、三、四或更多列。如上所述，一个或两个圈可由单个环件或多个环件形成。这允许力矩轴承将组合的径向和轴向载荷从转子传递至机舱。
力矩轴承可转而设置为二、三、四或更多个轴承单元，其中每个单个轴承单元包括内圈和外圈，多个轴承元件设置在内圈和外圈之间。这允许每个轴承单元单独地或同步地调节。这还允许每个轴承单元设置为在至少一个径向和/或轴向方向传递载荷。
在一个示范性实施例中，力矩轴承可设置为双列轴承单元，例如双列圆锥滚子轴承。通过在外圈设置肩部，例如第一肩部和第二肩部，并可选地允许密封元件如第一密封元件沿外圈的内表面滑动，力矩轴承能够热平衡，从而降低内圈过热以及因此导致的轴承咬死或轴承失效的风险。
附图说明
现在将仅通过示例并参照附图描述本发明的一个实施例，其中：
图1示出了典型的风力涡轮机，
图2示出了典型的转子和机舱，其具有设置在其间的力矩轴承。
图3示出了根据本发明的力矩轴承的示范性实施例。
在下文中，将逐一描述附图，且附图中看到的不同部件与位置在不同附图中标以相同标号。具体附图中的所有部件和位置并非都必须与该图一起讨论。
标号列表
1.风力涡轮机
2.风力涡轮机塔架
3.机舱
4.转子
5.轮毂
6.风力涡轮机叶片
7.主框架
8.第一安装接口
9.第二安装接口
10.用于风力涡轮机叶片的安装接口
11.力矩轴承
12.转轴
13.内圈
14.外圈
15.第一安装元件
16.第二安装元件
17.第一滚道
18.第二滚道
19.腔室
20.轴承元件，滚子元件
21.第一肩部
22.第二肩部
23.保持架
24.第一密封元件
25.腔室
26.第二密封元件
27.第一列轴承元件
28.第二列轴承元件
具体实施方式
图1示出了根据本发明的风力涡轮机1的示范性实施例，其包括设置在地基上的风力涡轮机塔架2。此处地基设置为岸上地基，但是也可使用离岸地基。机舱3设置在风力涡轮机塔架2上，例如经由偏航轴承系统。转子4相对机舱3可旋转地设置，并包括安装至至少两个风力涡轮机叶片6的轮毂5，例如经由桨距轴承系统。
风力涡轮机叶片6此处示为全跨度风力涡轮机叶片，但也可使用局部变桨风力涡轮机叶片。局部变桨风力涡轮机叶片包括内叶片段和外叶片段，其中变桨轴承系统设置在两个叶片段之间。
图2示出了转子4和机舱3的示范性实施例。此处，为了说明的目的，仅示出了转子4的轮毂5和机舱3的主框架7。轮毂5包括面向机舱3的第一安装接口8，主框架7包括面向转子3的第二安装接口9。轮毂5还包括面向转子3方向的至少两个其他安装接口10。单个安装接口10设置为安装至各自风力涡轮机叶片6上相应的安装接口(未示出)。
第一安装接口8设置为经由力矩轴承11安装至主框架7。力矩轴承11设置为从转子4至少传递力矩载荷至机舱3，例如至主框架7。第一安装接口8进一步设置为安装至旋转轴12，旋转轴12转而连接至机舱3中设置的传动系(未示出)。传动系设置为将风作用在转子4上所产生的气动扭矩转化为电能输出。
图3示出了力矩轴承11的示范性实施例，其中为了说明的目的，省略了轮毂5和主框架7。力矩轴承11包括内圈13和相对内圈13设置的外圈14。内圈13包括通孔形式的多个第一安装元件15，用于使用螺栓形式的紧固件(如图2所示)安装至第一安装接口8。外圈14包括多个通孔形式的第二安装元件16，用于使用螺栓形式的紧固件(如图2所示)安装至第二安装接口9。
内圈13包括面向外圈14的第一滚道17，外圈14包括面向内圈13的第二滚道18。内圈13和外圈14间隔开形成腔室19，腔室19中设有多个可旋转轴承元件20。此处轴承元件20示为具有侧表面滚子元件，该侧表面分别接触第一、二滚道17、18确定了线接触。外圈14还包括向内圈13突起的第一肩部21和第二肩部22。第一肩部21和第二肩部22作为轴承元件20的止动件，并设置为在从轴承元件20到外圈14的轴向方向上双向传递轴向载荷。这使得轴承元件20和各个肩部21、22之间摩擦产生的热量能够经由外圈14被直接传递至主框架7。
轴承元件20按照背靠背的排列放置，其中各个轴承元件20设置为两列，如图3所示。轴承元件20此处示为圆锥滚子元件，其中各个线接触与力矩轴承11的旋转轴(图2中虚线所示)相交。
每列中的各个轴承元件20可选地位于保持架23的相应通孔中。保持架23设置为将轴承元件20相对彼此大致保持在适当的位置。
第一密封元件24设置在力矩轴承11的轴向两端，用于密封腔室19。可选地，腔室19部分地或全部填充有适当的润滑剂，如油或油脂。第一密封元件24安装至内圈13并与外圈14接触。第一密封元件24此处示为可变形密封唇，由加强元件部分支撑。这进一步使得第一密封元件24和外圈14之间摩擦产生的热量能够被直接传递至主框架7。
可选地，第二密封元件26，例如曲径密封件，设置在腔室19内力矩轴承11的相应端部或靠近相应端部设置。第二密封元件26此处相对第一密封元件24设置，并作为最靠内的密封元件。

Claims (9)

1.一种风力涡轮机(1)，包括风力涡轮机塔架(2)、相对风力涡轮机塔架(2)设置的机舱(3)和相对机舱(3)可旋转地设置的转子(4)，转子(4)包括轮毂(5)，轮毂(5)包括面向机舱(3)的至少第一安装接口(8)，机舱(3)包括具有面向转子(4)的第二安装接口(9)的主框架(7)，其中力矩轴承(11)设置在机舱(3)和转子(4)之间用于将力矩载荷从转子(4)传递至机舱(3)，力矩轴承(11)包括安装至第一安装接口(8)的内圈(13)和安装至第二安装接口(9)的外圈(14)，内圈(13)包括面向外圈(14)的第一滚道(17)，外圈(14)包括面向内圈(13)的第二滚道(18)，其中第一滚道(17)和第二滚道(18)之间设有多个可旋转轴承元件(20)，其中至少一个肩部(21、22)设置在所述外圈(14)上，该至少一个肩部(21、22)朝内圈(13)突起并设置为在至少一个轴向方向上从所述多个轴承元件(20)向所述外圈(14)传递轴向载荷，其特征在于，所述力矩轴承(11)的所述外圈(14)包括第一肩部(21)和至少第二肩部(22)，其中所述力矩轴承(11)包括设置在所述第一肩部(21)和所述至少第二肩部(22)之间的第一列轴承元件(20)，其中第一肩部(21)和至少第二肩部(22)各包括接触面，用于与轴承元件的端面接触，第一肩部(21)和至少第二肩部(22)为沿外圈的内表面延伸的环形肩部。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述力矩轴承(11)还包括第一列(27)轴承元件(20)和至少第二列(28)轴承元件(20a)，所述第一列(27)轴承元件相对所述至少第二列(28)轴承元件(20a)设置。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述轴承元件(20)为滚子元件，并且所述第一滚道和第二滚道(17、18)中的至少一个确定与所述滚子元件(20)接触的至少一个线接触，其中所述至少一个线接触与力矩轴承(11)的旋转轴在至少一个相交点相交。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述力矩轴承(11)还包括至少一个第一密封元件(24、26)设置在内圈和外圈(13、14)中的至少一个上，所述至少一个第一密封元件(24、26)设置为密封由至少内圈和外圈(13、14)限定的腔室(19)。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个第一密封元件(24、26)设置在内圈(13)上，并朝外圈(14)延伸。
6.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述腔室(19)部分地或全部地由润滑剂填充。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述力矩轴承(11)还包括至少一个第二密封元件(26)，设置在内圈和外圈(13、14)中的至少一个上，所述至少一个第二密封元件(26)相对所述至少一个第一密封元件设置。
8.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于，所述力矩轴承(11)还包括具有多个通孔的保持架(23)，其中多个轴承元件(20)位于所述多个通孔中。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述力矩轴承(11)包括第一轴承单元和至少第二轴承单元，其中所述第一轴承单元和所述至少第二轴承单元设置为成对的配置。
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