CN109072885B - 包括偏航轴承系统的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括多个单独的偏航轴承单元的风力涡轮机以及一种更换这样的偏航轴承单元中的衬垫的方法。偏航轴承单元包括分为上部和下部的卡钳结构，其中不拆除上部即可拆除下部。上部衬垫设置在凸缘和机舱主框架之间，凸缘为机舱提供支撑。径向衬垫设置在上部径向表面上，并与位于上部两端的止动元件相接触。可调节下部衬垫设置在下部的通孔中，并且可经由下部的下部开口更换。径向衬垫可通过移除其中一个止动元件中沿侧向方向更换，或者通过移除下部沿轴向方向更换。

Description

包括偏航轴承系统的风力涡轮机
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、具有主框架的机舱、以及设置在风力涡轮机塔架顶部的齿圈和凸缘，齿圈设置为与至少一个驱动单元啮合，以使机舱相对风力涡轮机塔架偏航，其中所述主框架借助多个相对彼此设置的单独的偏航轴承单元，可滑动地支撑在凸缘上，所述偏航轴承单元包括设置为安装至主框架的偏航卡钳结构，其中上部衬垫设置于主框架和凸缘之间，径向衬垫和下部衬垫从卡钳结构突起并与凸缘接触。
背景技术
众所周知的是，当将机舱相对风力涡轮机塔架偏航时，使用偏航滑动轴承系统的方法，其中设置在风力涡轮机塔架顶部的凸缘可滑动地支撑机舱的主框架。机舱借助电机偏航，这转而导致主框架的下表面沿凸缘上的滑动衬垫的滑动表面滑动。轴承系统是可调节的预紧系统，通过摩擦力向凸缘持续施加制动转矩。这种被动系统通常设置为难以操作的大而重的单元。这种被动系统制造起来也非常昂贵，维护成本高并且耗时。使用另外的偏航制动系统制动机舱的偏航动作，并将机舱保持在所需的角度位置。这种偏航制动系统可使用刹车盘，并相应地制动卡钳，向机舱施加制动力。
EP 1571334 Al公开了设置在风力涡轮机塔架和机舱的主框架之间的多个单独的偏航轴承单元。每个轴承单元包括设置在主框架和支撑凸缘之间的上部衬垫和安装至主框架的L形卡钳结构。径向衬垫设置在凸缘的径向端部表面和卡钳结构的轴向延伸分支之间。下部可调节衬垫设置在卡钳结构的径向延伸分支中。卡钳结构由单个大而重的件制成，且必须将其移除才能对单独衬垫进行操作。这很耗费时间并且增加了总维护费用。分开的固定元件设置在两个相邻的轴承单元之间，并安装至框架，其中每个单独的固定元件与相邻组径向衬垫和上部衬垫相接触，并在偏航期间保持它们就位。这些安装元件进一步增加了轴承单元的复杂度和成本。
EP 2447531 Al公开了偏航滑动轴承系统的多种实施例。在一个实施例中，多个单独的偏航轴承单元沿凸缘的圆周分布。每个偏航轴承单元具有安装至机舱主框架的L形卡钳结构。上部滑动衬垫设置在主框架和凸缘之间，而可调节滑动衬垫设置在卡钳结构的径向延伸分支上。多个可调节辊子元件设置在卡钳结构的轴向延伸分支中。辊子元件需要定期维护，以防其旋转运动受阻，这增加了总维护费用。其次，卡钳结构需要复杂的加工以安装辊子元件，这又增加了轴承单元的总成本。第三，卡钳结构由一个单个件制成，并必须移除才能对辊子元件和滑动衬垫进行操作。
EP 2447531 Al进一步公开了在另一实施例中，单个轴承单元沿齿圈的整个圆周延伸，其中其卡钳结构具有上部环形部和下部环形部。上部安装至主框架且下部安装至上部。凸缘位于U形卡钳结构的径向分支之间，且滑动衬垫设置在这些径向分支的相对面向侧上。辊子元件为不可调节的辊子元件，并设置在径向分支之间。如上所述，辊子元件的使用需要定期维护以及卡钳结构的复杂加工。环形卡钳结构形成大且重的物件，难以操作并增加了轴承单元的总重量。
DE 202011102602 Ul公开了一种偏航滑动轴承单元，包括U形卡钳结构。在一个实施例中，卡钳结构由确定径向分支的单个件形成。在另一实施例中，卡钳结构安装至具有缺口或者凹槽的径向延伸板，上部衬垫设置在其中。板位于机舱的主框架和卡钳结构之间。径向衬垫设置在压力板上，且二者均通过螺栓和螺钉安装在卡钳结构的径向表面上。这减少了径向方向的接触表面面积，并转而增加了径向表面上的压强。这增加了径向衬垫在偏航期间被挤出的风险，以及凸缘边缘摩擦螺栓头可能折断螺栓头的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供偏航轴承系统，解决上述问题。
本发明的另一目的在于提供一种偏航轴承系统，具有改进的极限强度和疲劳强度。
本发明的另一目的在于提供一种偏航轴承系统，其径向衬垫被从卡钳和偏航齿轮之间挤出的风险降低。
本发明的另一个目的在于提供一种偏航轴承系统，优化偏航轴承系统的维护成本以及更换滑动衬垫的成本。
本发明的另一个目的在于提供快速、简单的方法来更换偏航轴承系统的径向衬垫。
如上所述，本发明包括一种风力涡轮机，其包括风力涡轮机塔架、具有主框架的机舱、以及设置在风力涡轮机塔架顶部的齿圈和凸缘，齿圈设置为与至少一个驱动单元啮合，以使机舱相对风力涡轮机塔架偏航，凸缘具有凸缘上表面、凸缘下表面和凸缘径向表面，主框架具有面向凸缘上表面的主框架下表面，其中所述主框架借助多个相对彼此设置的单独的偏航轴承单元可滑动地支撑在凸缘上，每个偏航轴承单元包括单独的卡钳结构，卡钳结构具有上部和下部，上部具有上部上表面，下部具有下部上表面；上部具有面向凸缘的径向表面的上部径向表面，且下部上表面面向凸缘下表面，其中在凸缘上表面和主框架的下表面之间设置有至少一个上部衬垫，其中凸缘的径向表面和卡钳结构的上部径向表面之间设置有至少一个径向衬垫，该至少一个径向衬垫具有下边缘，与下部上表面相接触，并沿上部径向表面的整个长度延伸。
这提供了改进的偏航轴承系统，其制造成本更低且维护更便宜。相比其他传统偏航轴承单元，该偏航轴承系统还节约了单个偏航轴承单元的重量，从而使得更易于操作。本配置还使得能够在不拆除整个卡钳结构的情况下更换和/或维护下部衬垫和径向衬垫。本偏航轴承系统适于使用齿圈和被动偏航制动系统的任何类型的风力涡轮机。本配置还适于在具有升高载荷的风力涡轮机中使用。
至少一个上部衬垫和至少一个下部衬垫相对凸缘的相对侧设置。至少还有一个衬垫，即径向衬垫，相对凸缘的端部表面设置。径向衬垫有利地设置在卡钳结构的轴向延伸部或分支上。下部衬垫有利地设置在，至少部分地设置在卡钳结构的径向延伸部或分支上。由于机舱的径向移动而作用在径向衬垫上的径向力，被传递至凸缘，并转而传递至风力涡轮机塔架。作用在转子上的风能够引起相对风力涡轮机塔架的中心轴的径向位移，或者当机舱偏航时也能引起此位移。径向衬垫防止卡钳结构和凸缘之间的金属对金属的接触，且减小了径向位移。
凸缘能够形成为单独的部件，相对齿圈设置并安装至风力涡轮机塔架。凸缘或者可以是与齿圈集成的部分。齿圈可具有多个齿，设置为与一个或多个驱动单元上的互补齿相啮合，例如连接至相应偏航电机的小齿轮上的互补齿。凸缘在径向方向向内朝风力涡轮机塔架的中心轴延伸。齿圈的齿可面向相同径向方向或相反方向。驱动单元可能是能够使机舱相对风力涡轮机塔架偏航的任意合适的驱动单元。齿圈因此可作用为偏航齿轮，其中驱动单元使机舱相对风力涡轮机塔架偏航，并且可选地，向机舱施加制动转矩。
根据一个实施例，偏航轴承单元还包括至少一个可移除止动元件，设置为安装至上部的至少一个侧表面，其中该至少一个径向衬垫沿上部径向表面的整个长度延伸。
卡钳结构，例如上部，可包括径向表面，面向凸缘的相应径向表面，即凸缘的端部表面。此外，卡钳结构能够具有两个相对面向的侧表面，每个侧表面面向相邻的偏航轴承单元。突起元件可设置在卡钳结构的径向表面的上边缘。此突起元件能够具有细长的轮廓，并充当用于径向衬垫的肩部。突起元件可具有预设的高度、宽度和长度。邻接此突起元件可形成设置为容纳并保持住径向衬垫的槽口。该槽口可沿径向表面的整个长度(在圆周或切向方向)延伸。该槽口可进一步从突起元件的下表面向径向表面的下边缘延伸。径向衬垫可具有预设宽度和长度，对应于槽口的宽度和长度。这增加了径向衬垫的总表面面积，转而降低作用在止动元件上的力。这还减少了径向衬垫上的磨损，并降低了偏航期间径向衬垫被挤出的风险。
传统偏航轴承系统的径向衬垫置于径向表面上形成的凹槽中，并借助螺钉固定至卡钳结构。在其他传统偏航轴承系统中，径向衬垫借助螺钉固定至环绕径向衬垫的整个圆周的压力板。两种方式降低了总接触表面面积，从而增加了作用在肩部或螺钉上的力。这增加了径向衬垫被挤出或者螺钉失效的风险。
至少一个止动元件能够相对径向表面的一侧或两侧边缘设置。止动元件能够是可移除的止动元件，设置为安装在卡钳结构的侧表面，例如安装至上部。止动元件能够通过螺钉、螺栓或其他合适的紧固件安装至卡钳结构。在安装时止动元件可与径向衬垫的侧边缘相接触，且在安装时止动元件的径向端部表面面向凸缘。相对突起元件的径向端部表面，该止动元件的端部表面能够是平齐的或者处于缩进位置。径向衬垫的厚度可延伸超过槽口的深度。这防止径向衬垫在圆周方向滑动越过卡钳结构的边缘。缩进止动元件端部表面和突起元件，防止凸缘的径向表面在径向衬垫被磨损减薄时与这些端部表面发生金属对金属的接触。
能够选取凸缘和卡钳结构的两个相对面向的径向表面之间的间距或空隙，以确保齿圈和驱动单元之间适当的啮合。借助经由模拟的偏航轴承系统与凸缘的优化设计，或者借助将卡钳结构装配调节机构用于调节径向衬垫的预紧力，能够实现该咬合。
根据一个实施例，安装时，所述卡钳结构包括沿轴向方向延伸的上部和沿径向方向延伸的可移除的下部，其中上部设置为安装至主框架，下部设置为安装至上部。
卡钳结构可机械加工为所需形状而不是像传统使用的模压为所需形状。这转而消除了对模具的需求，从而节约了制造成本和制造时间。由于可减少卡钳结构中孔洞和浮渣的形成，使得不合格产品减少，这进一步使得能够改进制造过程中的控制。
卡钳结构分为两部分或更多部分，在组装和维护期间能够单独制造和操作。本卡钳结构，即其单独部位，具有简化的配置，这转而提高了本偏航轴承单元的极限强度和疲劳强度。卡钳结构可由高强度材料制成，如结构钢或者其他合适的材料，其能够被机加工，例如切割为所需的配置。这降低了偏航轴承系统的成本。传统卡钳结构由成本更高的材料制成，例如铸铁，模压为所需的配置。
由于卡钳结构被分为至少两个部分，本配置还消除了转角应力。这还允许凸缘和卡钳结构之间更大的间距，转而降低干扰的风险。传统偏航轴承系统的单个L形卡钳结构具有位于两分支交叉处的转角，形成应力集中点。
根据一个实施例，所述下部包括至少一个通孔，连接下部上表面的第一开口和下部下表面的第二开口，其中至少一个下部衬垫至少局部地位于所述至少一个通孔中，并与凸缘的下表面接触，该至少一个下部衬垫可经由第二开口进行操作。
由于机舱重量以及部分由于转子重量而作用在凸缘上的轴向力，经由上部衬垫被传递至凸缘。作用在转子上并转而作用在机舱上的倾覆力矩，经由下部衬垫和上部衬垫被进一步传递至凸缘。
下部衬垫可由单个衬垫、多个单独的子衬垫或者其组合形成。卡钳结构，例如下部，能够包括沿卡钳结构的长度分布的一个或多个通孔。每个通孔能够在卡钳结构上两个相对面向的开口之间的轴向方向延伸。下部衬垫可设置在每个单独的通孔中，并且在安装时，至少部分地在朝向凸缘的轴向方向向外延伸。下部衬垫能够连接至紧固装置，例如处理过的衬套或其他合适的紧固元件，设置为将下部衬垫安装至卡钳结构或如下文所述的调节机构。下部衬垫随后能够相对卡钳结构置于预设位置。
下部、上部、齿圈、和/或凸缘能够涂覆有防腐蚀涂层，以防止金属部位的腐蚀。防腐蚀涂层能够为锌、锌合金、铝、铝合金、环氧树脂、聚氨酯或其他合适的材料或合金。
根据一个实施例，径向衬垫、下部衬垫或上部衬垫中的至少一个连接至调节机构，调节机构设置为调节该衬垫的预紧力。
调节机构能够置于并直接安装在通孔内，或者设置在外壳中，外壳转而安装至卡钳结构。因此能够经由卡钳结构的下部开口操作下部衬垫和调节机构，而不需要移除整个卡钳结构。这使得总维护时间能够显著缩短，并降低维护成本。
传统偏航轴承系统中形成有凹槽，下部衬垫和调节机构位于其中。凹槽下方形成有小的通孔，其中可调节螺栓的轴从卡钳结构的相对侧插入。为了更换下部衬垫和调节机构，必须移除整个卡钳结构，这显著增加了总维护时间和总维护费用。
调节机构能够设置为调节下部衬垫的预紧力，这转而确定下部衬垫施加在凸缘上的摩擦力。调节机构能够包括支撑元件，例如活塞头，下部衬垫设置于其上。支撑元件能够进一步连接至轴元件，例如活塞杆，设置为在止动位置与可调节元件接触。弹簧元件，例如盘形弹簧，能够设置在支撑元件和可调节元件之间，用于将下部衬垫向凸缘偏压。可调节元件能够包括装置，例如螺栓头，用于与外部工具接合。可调节元件能够安装至卡钳结构，例如借助分别位于可调节元件侧表面和通孔中的处理过的联轴器。可选地，至少弹簧元件能够局部地或全部浸入润滑剂中，如润滑油或润滑脂，以防止腐蚀。这使得能够将调节机构和下部衬垫分开为部分或者作为一个组合单元进行安装和拆除。调节机构能够进一步配备有可选的锁定装置，用于防止可调节元件松动。
可选地，能够相对支撑元件和下部衬垫设置套筒，其中支撑元件和下部衬垫能够沿套筒在轴向方向移动。套筒能够由低摩擦材料制成或者涂覆有低摩擦材料，例如含氟聚合物如聚四氟乙烯或其他合适的材料。这为下部衬垫的移动提供了不粘的表面，这降低了移动下部衬垫所需的力的大小。
根据一个实施例，所述卡钳结构包括至少两排安装元件，例如安装孔，用于安装至主框架。
卡钳结构的下部和上部能够包括相对下部衬垫设置的两排或更多排安装元件。安装元件能够为安装孔，用于容纳分别的紧固件元件，如螺栓、螺钉或者合适的紧固件元件。每排能够包括两个、三个、四个或者更多个安装元件。能够使用其他类型的安装元件。这些安装元件允许卡钳结构安装至主框架中互补的安装元件或紧固件元件。这使得作用在卡钳结构上的力能够分配在各个紧固件元件上。这消除了卡钳结构中的应力集中，否则将导致额外应力，可能导致卡钳结构失效。相比单排安装元件，这还改进了螺栓的
Figure GDA0003072844390000051
系数，并提高了滑移安全系数。这还允许相比单排螺栓更高的总预紧力。
第三组安装元件，例如安装孔，能够设置在上部，用于容纳附加紧固元件，如螺栓、螺钉等等。第三组可包括两个、三个、四个或者更多个安装元件。这使得能够将下部和上部独立地安装以及拆卸。
根据一个实施例，所述卡钳结构具有在下部衬垫和用于安装至主框架的安装元件之间测得的径向间距，安装元件例如安装孔，其中，径向间距在80mm至100mm之间。
本配置使得在一个下部衬垫的中心轴和相邻排的一个安装元件的中心轴之间的径向方向上测量到的间距能够减小。该间距能够减小至80mm至100mm的范围内。这降低了当卡钳承受风导致的较重的载荷时的偏心率和螺栓力。这也允许降低偏航轴承系统的宽度和凸缘的宽度。
根据一个实施例，多个偏航轴承单元沿凸缘的圆周分布，数量为15至25之间。
本配置还使得可以增加沿凸缘圆周的单独的偏航轴承单元的数量。这可以借助降低各个偏航轴承单元中的单独的下部衬垫的数量来实现。该数量能够从7或更多降低至2至6的范围内。这使得相比传统偏航轴承系统，各个偏航轴承单元的重量减轻。下部和上部，包括相应的衬垫，可各自具有40至60kg的重量。这节约了材料并允许更简单的维护以及更简单的操作。这也降低了每个偏航轴承单元的长度和成本。
传统偏航轴承系统通常具有至少七个单独的下部衬垫，这需要大量材料，这转而增加了每个偏航轴承单元的总成本和总重量。这样的大而重的单元难以操作和维护，特别是如果一个或多个衬垫需要更换的话。
根据一个特定的实施例，所述至少一个上部衬垫由单个热塑性聚合物制成的衬垫形成，该单个衬垫具有：
-120mm至500mm的长度，长度沿中心弧线测量，
-100mm至250mm的宽度，宽度垂直于中心弧线测量，以及/或
-15mm至20mm的厚度，厚度垂直于中心弧线和宽度测量。
施加于上部衬垫的力必须经由环绕上部衬垫的肩部传递至凸缘。传统上部衬垫的一个已知的问题在于偏航期间产生的表面张力。已知解决此问题的方法是借助减小上部衬垫的尺寸。因此，传统偏航轴承系统使用五个或更多个小的单独的上部衬垫，沿偏航轴承单元的长度设置。然而，这减小了总表面面积，导致每个上部衬垫上压强和磨损的增加。传统上部衬垫可例如由复合材料制成，复合材料包括环氧树脂、碳和一些制动和滑动添加剂。然而，这样的上部衬垫使用复杂的、高成本的制造工艺生产，这增加了每个上部衬垫的成本。
本配置使得上部衬垫的总表面面积能够增加。这能够借助形成具有优选的厚度、宽度和长度的单个连续的上部衬垫实现。上部衬垫能够位于凸缘上表面形成的凹槽中，其中衬垫的厚度延伸超过凹槽的深度。可选地，能够使用润滑系统润滑上部衬垫的滑动表面，其中风力涡轮机控制系统可控制该润滑系统的运行。这样的润滑系统对本领域技术人员来说是已知的，将不再详细描述。这增加了总表面面积，转而降低了上部衬垫的压强和磨损。这还允许优化形状，从而降低振动和粘滑运动的噪声。
有利地，下部衬垫、径向衬垫、和/或上部衬垫由热塑性聚合物制成，如聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETP)、或其他合适的材料。这些材料具有非常高的耐磨性和低的摩擦系数。本配置消除了对安置上部衬垫的承载板或者保持上部衬垫就位的板的需求。这降低了偏航轴承单元的成本，并消除了承载板或限位板与凸缘发生金属对金属的接触的风险。这还允许减小主框架和凸缘之间的间隙，因为不需要承载板或限位板。
试验表明，如果上部衬垫的厚度为15至20mm，长度为120至500mm，宽度为100至250mm，能够实现最佳效果。长度沿上部衬垫的中心弧线测量，宽度垂直于弧线测量，厚度垂直于弧线和宽度测量。如上所述，这为上部衬垫提供了最佳的形状。
该最佳形状能够使用上部衬垫的最大容许边压确定。该最大容许值能够插入以下等式，随后针对相应的厚度、宽度和长度求解：
Figure GDA0003072844390000061
其中，Pmax为上部衬垫的最大容许边压，单位为兆帕，Mxy为倾覆力矩，单位为千牛顿米，μ为上部衬垫的摩擦系数，L为上部衬垫的长度，单位为毫米，D为滑动表面的直径，单位为毫米，w为上部衬垫的宽度，单位为毫米，且d为放置上部衬垫的凹槽的深度。滑动表面直径可确定为偏航圈的上表面的平均直径，例如凸缘的上表面的平均直径。深度指位于凹槽中的厚度，即上部衬垫嵌入或位于凹槽中的部分。
本发明还包括更换风力涡轮机的偏航滑动轴承单元的衬垫的方法，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、具有主框架的机舱、以及设置在风力涡轮机塔架上的齿圈和凸缘，齿圈设置为与至少一个驱动单元啮合，用于使机舱相对风力涡轮机塔架偏航，凸缘具有凸缘上表面、凸缘下表面和凸缘径向表面，主框架具有面向凸缘上表面的主框架下表面，其中所述主框架借助多个相对彼此设置的单独的偏航轴承单元，可滑动地支撑在凸缘上，每个偏航轴承单元包括单独的卡钳结构，卡钳结构具有上部和下部，上部具有上部上表面，下部具有下部上表面；上部具有面向凸缘径向表面的上部径向表面，且下部上表面面向凸缘下表面，其中凸缘径向表面和卡钳结构的上部径向表面之间设置有至少一个径向衬垫，其中该方法包括步骤：
-拆除卡钳结构的下部；
-通过将旧的径向衬垫相对上部径向表面沿轴向方向移动，移除所述旧的径向衬垫，
-通过将新的径向衬垫相对上部径向表面沿相反的轴向方向移动，将新的径向衬垫移动就位，
-重新安装卡钳结构的下部。
上文所述的本配置提供了廉价且简单的偏航轴承单元，易于操作和维护。本配置还提供了相比传统方法快速且简单的方法来更换偏航轴承单元中磨损的或损坏的衬垫。
如果需要维护或更换径向衬垫，首先使用外部工具拆除卡钳结构的下部。随后将下部移除，使得能够对旧的径向衬垫进行操作。随后通过沿轴向向下的方向，即远离机舱的方向拉旧的径向衬垫将其移除。可选地，在移除旧的径向衬垫之前，将一个或两个止动元件松开。提供新的径向衬垫，并通过沿相反的轴向方向移动新的径向衬垫将其推入槽口。下部相对上部复位并使用外部工具重新安装。可选地，在重新安装卡钳结构的下部之前或之后，将一个或两个止动元件紧固。这允许快速且简单地更换径向衬垫，而传统方法需要将整个卡钳结构移除，以对径向衬垫进行操作。
移除旧的径向衬垫之后，可选地，清洁上部的径向表面，为新的径向衬垫做准备。
传统方法需要将整个卡钳结构移除，因为径向衬垫借助螺钉固定，只能从径向方向对其进行操作。通常地，传统径向衬垫借助沿衬垫的整个外周边缘分布的多个螺钉保持就位。然而，这些螺钉形成应力集中点并防止径向衬垫在圆周方向和轴向方向的变形。本径向衬垫不沿外周边缘固定，从而允许径向衬垫根据作用在其上的力和力矩，在圆周方向和轴向方向更自由地变形。
本发明还包括一种更换风力涡轮机偏航轴承单元的衬垫的方法，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、具有主框架的机舱、以及设置在风力涡轮机塔架上的齿圈和凸缘，齿圈设置为与至少一个驱动单元啮合，以使机舱相对风力涡轮机塔架偏航，凸缘具有凸缘上表面、凸缘下表面和凸缘径向表面，主框架具有面向凸缘上表面的主框架下表面，其中所述主框架借助多个相对彼此设置的单独的偏航轴承单元，可滑动地支撑在凸缘上，每个偏航轴承单元包括单独的卡钳结构，卡钳结构具有上部和下部，上部具有上部上表面，下部具有下部上表面；上部具有面向凸缘径向表面的上部径向表面，且下部上表面面向凸缘下表面，其中凸缘径向表面和卡钳结构的上部径向表面之间设置有至少一个径向衬垫，其中该方法包括步骤：
-拆除邻近旧的径向衬垫的止动元件，
-通过将旧的径向衬垫相对上部径向表面沿切向方向移动，移除所述旧的径向衬垫，所述切向方向垂直于由偏航轴承单元确定的平面中的径向方向，
-通过将新的径向衬垫相对上部径向表面沿相反的切向方向移动，将新的径向衬垫移动就位，
-重新安装止动元件。
上文所述的本配置提供了廉价且简单的偏航轴承单元，易于操作和维护。本配置还提供了相比传统方法快速且简单的方法来更换偏航轴承单元中磨损的或损坏的衬垫。
如果需要维护或更换径向衬垫，首先使用外部工具拆除止动元件中的一个，使得能够对旧的径向衬垫进行操作。随后通过沿侧向方向拉动将旧的径向衬垫移除，即在顺时针或逆时针圆周或切向方向。提供新的径向衬垫，并通过在相反的圆周方向移动新的径向衬垫，将其推入槽口。随后将止动元件相对卡钳结构复位，最后使用外部工具重新安装。
这允许快速且简单地更换径向衬垫，然而传统方法需要将整个卡钳结构移除，以对径向衬垫进行操作。在传统偏航轴承系统中，径向衬垫位于凹槽中，其中肩部阻碍径向衬垫的径向移动，这不允许在侧向更换径向衬垫。
移除旧的径向衬垫之后，可选地，清洁上部的径向表面，为新的径向衬垫做准备。
传统方向需要拆除整改卡钳结构，因为径向衬垫借助螺钉固定，只能从径向方向进行操作。通常地，传统径向衬垫借助沿衬垫的整个外周边缘分布的多个螺钉保持就位。然而，这些螺钉形成应力集中点并防止径向衬垫在圆周方向和轴向方向的变形。本径向衬垫不沿外周边缘固定，从而允许径向衬垫根据作用在其上的力和力矩，在圆周方向和轴向方向更自由地变形。
在一个实施例中，所述方法还包括步骤：
-拆除旧的下部衬垫，
-经由卡钳结构下部下表面中的开口，移除所述下部衬垫，下部下表面与上表面与下部下表面相对，
-经由下部下表面的开口将新的下部衬垫移动就位，
-重新安装新的下部衬垫。
当需要维护或更换下部衬垫时，能够经由卡钳结构的下部开口容易地对相应的下部衬垫进行操作，而无需移除卡钳结构。能够使用另外的外部工具拆除下部衬垫，并且随后能够经由下部开口将其移除。旧的下部衬垫随后能够由新的下部衬垫替换。新的下部衬垫能够经由下部开口插入孔中，并且随后能够使用外部工具再次安装。这允许快速简单地更换下部衬垫，而传统方法需要将整个卡钳结构移除，以对下部衬垫进行操作。
在进一步的实施例中，所述方法还包括以下步骤：
-通过拆除连接至旧的下部衬垫的旧的调节机构的一部分，拆除所述旧的下部衬垫，进一步经由开口移除所述旧的调节机构的剩余部分，进一步经由开口将连接至新的下部衬垫的新的调节机构的一部分移动就位，并通过重新安装新的调节机构的剩余部分来重新安装新的下部衬垫。
在另一个进一步的实施例中，所述方法还包括以下步骤：
-通过拆除连接至旧的下部衬垫的调节机构的一部分，拆除旧的下部衬垫，进一步经由开口移除所述调节机构的剩余部分，使用新的下部衬垫更换所述旧的下部衬垫，进一步经由开口将调节机构的剩余部分移动就位，并通过重新安装所述调节机构的一部分来重新安装新的下部衬垫。
如果下部衬垫连接至调节机构，那么能够使用外部工具首先拆除调节机构的一部分，例如可调节元件。随后能够例如使用另一个工具，经由下部开口将调节机构的剩余部分与旧的下部衬垫一起移除。或者，能够将旧的下部衬垫和调节机构作为整体进行拆卸和移除。可提供新的调节机构和下部衬垫，并以相反的顺序重新安装。可将下部衬垫和除了相应的一部分之外的新的调节机构经由下部开口插入。最后可使用外部工具将新的调节机构的该部分重新安装至卡钳结构。或者，新的下部衬垫和调节机构能够作为整体进行插入和重新安装。可选地，安装后，能够经由可调节元件调节下部衬垫的预紧力。这还允许快速简单地更换下部衬垫，而传统方法要求将整个卡钳结构移除，以对下部衬垫进行操作。
不同于还要将旧的调节机构更换为新的调节机构，可简单地将旧的下部衬垫从调节机构移除并更换为新的下部衬垫。下部衬垫，例如新的下部衬垫能够借助粘结剂粘合至支撑元件。粘结剂能够例如为单组分粘结剂或双组分粘结剂，例如甲基丙烯酸盐粘结剂。也能够使用其他类型的合适的粘结剂。选取粘结剂使得其具有针对下部衬垫和/或支撑元件的材料，复合材料或合金的良好的粘附性能。粘结剂例如能够在温度跨度-30℃至+100℃内，具有至少35兆帕(MPa)的剪切强度。这进一步降低了维护成本和总维护时间。
支撑元件能够具有平面、半球、半椭圆或其他合适形状的表面，用于设置下部衬垫。或者，在该表面中可形成有凹槽，下部衬垫能够至少部分地设置在凹槽中。粘结剂能够分布在此表面上，例如涂覆在凹槽的侧表面和底部表面。
当需要维护或更换上部衬垫时，可首先拆除卡钳结构，使得能够对上部衬垫进行操作。可使用合适的提升装置或起重装置，例如外部起重机，将主框架以及因此将机舱，提升至位于风力涡轮机塔架上方的临时位置。随后能够移除旧的上部衬垫，例如沿大致径向向内的方向。可提供新的上部衬垫并插入凹槽，例如沿相反的径向方向上。随后能够将主框架以及因此将机舱朝其初始位置下降，直到再次停留在新的上部衬垫。可选地，在移除旧的上部衬垫之前，润滑系统解除耦合，并且在安放新的上部衬垫之后再次耦合。卡钳结构最后能够相对凸缘定位并重新安装至主框架。
附图说明
参照附图并仅以示例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：
图1示出了包括偏航轴承系统的示范性风力涡轮机，
图2示出了传统偏航轴承系统，
图3示出了根据本发明的偏航轴承系统的示范性实施例，
图4示出了两个相邻偏航轴承单元的卡钳结构，
图5示出了根据本发明的更换径向衬垫的方法的第一实施例，
图6示出了更换径向衬垫的方法的第二实施例，
图7示出了根据本发明的更换下部衬垫的方法，
图8示出了根据本发明的偏航轴承单元的第一实施例的剖视图，
图9示出了根据本发明的偏航轴承单元的第二实施例的剖视图。
在下文中，将逐一描述附图，图中示出的不同部件和位置在不同附图中将使用相同的数字进行标号。特定附图中的所有部件和位置并非必须与该附图一起讨论。
标号列表
1 风力涡轮机
2 塔架
3 机舱
4 转子
5 轮毂
6 风力涡轮机叶片
7 偏航轴承系统
8 主框架
9 卡钳结构
10 齿圈
11 小齿轮
12 驱动单元
13 凸缘
14 上部衬垫
15 径向衬垫
16 下部衬垫
17 偏航轴承单元
14 上部衬垫
9 卡钳结构
20 上部
21 下部
22 安装元件
23 上部上表面
24 轨道
25 上部径向表面
15 径向衬垫
27 止动元件
28 卡钳结构的侧表面
29 槽口
30 切向方向
31 突起元件
32 下部上表面
33 轴向方向
16 下部衬垫
35 通孔
36 下部下表面
37 调节机构
38 可调节元件
39 凸缘上表面
40 主框架下表面
41 凸缘径向表面
42 凸缘下表面
43 支撑元件
44 轴元件
45 弹簧元件
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，包括设置在地基上的风力涡轮机塔架2。此处地基示为陆上地基，但是也能够使用离岸地基。机舱3经由偏航轴承系统(图2和图3中所示)设置在风力涡轮机塔架2上。转子4相对机舱3可转动地设置，并包括连接到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此处示为全变桨距叶片，但是也能够使用部分变桨距叶片。部分变桨距叶片包括内叶片段和外叶片段，其中桨距轴承系统设置在两个叶片段之间。
图2示出了设置在风力涡轮机塔架2和机舱3之间的传统偏航轴承系统7。此处，为了说明的目的，仅示出了机舱3的主框架8的一部分。主框架8连接至U形卡钳结构9，U形卡钳结构9形成两个径向延伸分支，面向风力涡轮机塔架2。卡钳结构9此处示为主框架8的一部分，然而卡钳结构9能够为安装至主框架8的下表面的单独结构。
风力涡轮机塔架2安装至具有多个齿的齿圈10，该多个齿设置为与小齿轮11上的多个互补齿相啮合，小齿轮11可转动地连接至驱动单元12，例如偏航电机。此处，示出了两组驱动单元12和小齿轮11。齿圈10还包括在径向方向延伸的凸缘10。凸缘13位于卡钳结构9的径向延伸分支之间。如图2所示，上部衬垫14、径向衬垫15和下部衬垫16设置在卡钳结构9上，并面向凸缘13。卡钳结构9能够经由相应衬垫14、15、16沿凸缘的外表面滑动。
图3示出了根据本发明的偏航轴承系统的示范性实施例，包括多个单独的偏航轴承单元17，沿凸缘13的圆周分布。此处，啮合齿设置在齿圈10的外侧而凸缘向内朝风力涡轮机塔架2的中心轴延伸。
每个偏航轴承单元17设置为与相邻偏航轴承单元间隔开的单独的单元。每个偏航轴承单元17包括相对凸缘13设置的上部衬垫14。
预设数量的偏航轴承单元17沿凸缘13的圆周分布。此处示出了20个偏航轴承单元17，然而能够根据所需的应用增加或减少。这降低了作用在每个偏航轴承单元上的倾覆力矩和轴向力，并降低了每个偏航轴承单元的重量和成本。
图4示出了两个相邻的偏航轴承单元17的卡钳结构9，其中每个卡钳结构9具有L形结构。卡钳结构9分为在轴向方向延伸的上部20和在径向方向延伸的下部21。上部20和下部21包括第一组安装元件22，此处示为4个，形式为安装孔，用于容纳单独的紧固元件，例如螺栓(图8和图9所示)。安装元件22从上部20的上表面23延伸到下部21的下表面。上部20进一步包括第二组安装元件22'，用于容纳另一组紧固元件。
可选地，在上表面23上设置至少一个轨道24，其中此轨道24沿相应偏航轴承单元17的长度延伸。主框架8可选地包括至少一个互补的凹槽，用于容纳轨道24，如图8和图9所示。轨道24以及互补的凹槽用于将各个偏航轴承单元17相对凸缘13正确地定位，且防止偏航轴承单元17在径向方向移动。
卡钳结构9，例如上部20，具有面向凸缘13的径向表面25，如图8和图9所示。径向表面25上形成有槽口和突出的细长元件，如图5和图6所示。径向衬垫15设置在槽口中，如图4所示。一对止动元件27设置在径向衬垫15的相对侧。该止动元件为安装至卡钳结构9例如其上部的侧表面28的可移除止动元件。这防止径向衬垫15在偏航期间沿圆周方向移动。
图5示出了用于更换径向衬垫15的方法的第一实施例，其中可从侧向方向或切向方向对径向衬垫15进行操作。如果需要更换，例如由于磨损或其他情况，拆卸并移除一个止动件27。然后从槽口29沿切向方向(如箭头30所示)拉出旧的径向衬垫15沿相反方向将新的径向衬垫15推入槽口29，直到其与另一止动元件27相接触。随后止动元件27复位并重新安装至卡钳结构9。这允许简单并快速地更换径向衬垫并且不需要先移除卡钳结构。
如图5和图6所清楚示出，槽口29沿径向表面25的整个长度延伸。槽口29还在轴向方向从凸起元件31延伸到上部20的最下边缘。径向衬垫15与凸起元件31、止动元件27以及下部21的上表面32相接触，如图4所清楚示出。这增加了径向衬垫15的总表面面积，转而降低了施加在止动元件27上的边压。
图6示出了用于更换径向衬垫15的方法的第二实施例，其中可从轴向方向对径向衬垫15进行操作。如果需要更换，例如由于磨损或其他情况，拆卸并移除卡钳结构9的下部21。然后从槽口29沿轴向方向(如箭头33所示)拉出旧的径向衬垫15沿相反方向将新的径向衬垫15推入槽口29，直到其与突起元件31相接触。下部21复位并重新安装至卡钳结构9的上部20。这允许简单并快速地更换径向衬垫并且不需要先移除卡钳结构。
图7示出了更换下部衬垫16的方法，其中可经由下部的下表面的开口对下部衬垫16进行操作。下部21包括多个通孔35，各个下部衬垫16至少部分地设置在通孔35中。通孔35从下部21的上表面32延伸到下表面36。下部衬垫16连接至调节机构37，设置为调节下部衬垫16的预紧力，如图8和图9所示。调节机构37包括螺栓头形式的可调节元件38。调节机构37设置在通孔35中，并且外部工具可从卡钳结构9的底侧与调节机构37接合。
如果需要更换，例如由于磨损或其他情况，拆卸并移除可调节元件38。然后经由下表面36的开口(如图8和图9所示)移除调节机构37的剩余部分和旧的下部衬垫16。从调节机构37的支撑元件(如图8和图9所示)移除旧的下部衬垫16，将新的下部衬垫16置于支撑元件上，例如使用粘结剂。随后新的下部衬垫16和上述剩余部分通过下表面36的开口在通孔35中复位。最后，可调节元件38复位并重新安装至下部21。这使得能够更换下部衬垫16而无需先移除卡钳结构。
图8和图9示出了偏航轴承单元17的第一实施例和第二实施例的剖视图，其中上部衬垫14设置在凸缘13的上表面39的凹槽(未示出)中。此外，上部衬垫14与主框架8的下表面40滑动接触。径向衬垫15与凸缘13的径向表面41滑动接触。下部衬垫16与凸缘13的下表面42滑动接触。
上部衬垫14形成为由具有最佳的长度、宽度和厚度的热塑性聚合物制成的单个连续衬垫。测试结果已经显示出，当上部衬垫14长度为120mm至500mm之间，宽度为100mm至250mm之间且厚度为15mm至20毫米之间时，上部衬垫14的边压和上部衬垫14的形状之间实现了最佳的平衡。
调节机构37具有支撑元件43，下部衬垫16处于支撑元件43上。支撑元件43进一步连接至轴元件44，轴元件44设置为与可调节元件38相接触，并从而限制下部衬垫16的向下的轴向移动。弹簧元件45设置在支撑元件43和可调节元件38之间，并设置为偏压下部衬垫16的向下的轴向移动。
卡钳结构9中的安装元件22可设置为一排，如图4和图8所示。偏航轴承单元17具有间距L，该间距L为在径向方向上测量的一个下部衬垫16的中心轴与一个安装元件22的中心轴之间的距离。该间距L定义力矩臂(由图9中的箭头F示出)，用于从机舱3经由凸缘13向风力涡轮机塔架2传递倾覆力矩。
安装元件22有利地设置为两排，如图3和图9所示。随后将与相邻安装元件22的间距L'降低至80mm-100mm的范围内。该配置还使得能够降低偏心距和单个螺栓力，这转而使得能够减小偏航轴承单元17的宽度和凸缘13的宽度。

Claims (9)

1.一种风力涡轮机(1)，包括风力涡轮机塔架(2)、具有主框架(8)的机舱(3)、以及设置在风力涡轮机塔架(2)顶部的齿圈(10)和凸缘(13)，齿圈(10)设置为与至少一个驱动单元(12)啮合，以使机舱(3)相对风力涡轮机塔架(2)偏航，凸缘(13)具有凸缘上表面(39)、凸缘下表面(42)和凸缘径向表面(41)，主框架(8)具有面向凸缘上表面(39)的主框架下表面(40)，其中所述主框架(8)借助多个相对彼此设置的单独的偏航轴承单元(17)，可滑动地支撑在凸缘(13)上，每个偏航轴承单元(17)包括单独的卡钳结构(9)，卡钳结构(9)具有上部(20)和下部(21)，上部具有上部上表面(23)，下部具有下部上表面(32)；上部(20)具有面向凸缘径向表面(41)的上部径向表面(25)和面向凸缘下表面(42)的上部上表面(23)，其中在凸缘上表面(39)和主框架下表面(40)之间设置有至少一个上部衬垫(14)，其中所述凸缘径向表面(41)和所述卡钳结构(9)上部径向表面(25)之间设置有至少一个径向衬垫(15)，所述至少一个径向衬垫(15)具有下边缘，与下部上表面(32)相接触，并沿上部径向表面(25)的整个长度延伸，并且所述至少一个径向衬垫(15)布置在上部径向表面(25)上，其特征在于，所述偏航轴承单元(17)还包括至少一个可移除止动元件(27)，设置为安装至上部(20)的至少一个侧表面，其中上部衬垫的尺寸通过下列公式来确定：
Figure FDA0003086856400000011
其中Pmax为上部衬垫的最大容许边压，单位为兆帕，Mxy为倾覆力矩，单位为千牛顿米，μ为上部衬垫的摩擦系数，L为上部衬垫的长度，单位为毫米，D为滑动表面的直径，单位为毫米，w为上部衬垫的宽度，单位为毫米，且d为放置上部衬垫的凹槽的深度。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，安装时，所述上部(20)在轴向方向延伸，可移除的下部(21)在径向方向延伸，其中所述上部(20)设置为安装至所述主框架(8)，所述下部(21)设置为安装至所述上部(20)。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述下部(21)包括至少一个通孔(35)，连接下部上表面(32)的第一开口和下部下表面(36)的第二开口，其中至少一个下部衬垫(16)至少部分地位于所述至少一个通孔(35)中，并与凸缘下表面(42)接触，可从所述第二开口对所述至少一个下部衬垫(16)进行操作。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述下部衬垫(16)中的至少一个连接至调节机构，所述调节机构设置为调节所述至少一个下部衬垫(16)的预紧力。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述卡钳结构(9)包括至少两排安装元件(22)，用于安装至所述主框架(8)。
6.根据权利要求3所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述卡钳结构(9)具有在下部衬垫(16)的中心轴和安装元件(22)的中心轴之间沿径向方向测量的径向间距L，其中所述径向间距为80mm至100mm之间。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，多个偏航轴承单元(17)沿所述凸缘(13)的圆周分布，偏航轴承单元(17)的数量为15至25之间。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述至少一个上部衬垫(14)由热塑性聚合物制成的单个衬垫形成，所述单个衬垫具有至少：
120mm至500mm的长度，长度沿中心弧线测量，
100mm至250mm的宽度，宽度垂直于中心弧线测量，或
15mm至20mm的厚度，厚度垂直于中心弧线和宽度测量。
9.一种更换风力涡轮机(1)的偏航轴承单元(17)的衬垫的方法，所述风力涡轮机(1)包括风力涡轮机塔架(2)、具有主框架(8)的机舱(3)、以及设置在风力涡轮机塔架(2)顶部的齿圈(10)和凸缘(13)，齿圈(10)设置为与至少一个驱动单元(12)啮合，用于使机舱(3)相对风力涡轮机塔架(2)偏航，凸缘(13)具有凸缘上表面(39)、凸缘下表面(42)和凸缘径向表面(41)，主框架(8)具有面向凸缘上表面(39)的主框架下表面(40)，其中所述主框架(8)借助多个相对彼此设置的单独的偏航轴承单元(17)，可滑动地支撑在凸缘(13)上，每个偏航轴承单元(17)包括单独的卡钳结构(9)，卡钳结构(9)具有上部(20)和下部(21)，上部具有上部上表面(23)，下部具有下部上表面(32)；上部(20)具有面向凸缘径向表面(41)的上部径向表面(25)和面向凸缘下表面(42)的上部上表面(23)，其中所述凸缘径向表面(41)和所述上部径向表面(25)之间设置有至少一个径向衬垫(15)，并且所述至少一个径向衬垫(15)布置在上部径向表面(25)上，其中上部衬垫的尺寸通过下列公式来确定：
Figure FDA0003086856400000031
其中Pmax为上部衬垫的最大容许边压，单位为兆帕，Mxy为倾覆力矩，单位为千牛顿米，μ为上部衬垫的摩擦系数，L为上部衬垫的长度，单位为毫米，D为滑动表面的直径，单位为毫米，w为上部衬垫的宽度，单位为毫米，且d为放置上部衬垫的凹槽的深度，其中该方法包括步骤：
拆除邻近旧的径向衬垫(15)的止动元件(27)，
通过相对上部径向表面(25)沿切向方向(30)移动旧的径向衬垫(15)，移除所述旧的径向衬垫(15)，所述切向方向(30)垂直于由偏航轴承单元(17)确定的平面中的径向方向，
通过将新的径向衬垫(15)相对上部径向表面(25)沿相反的切向方向(30)移动，
将新的径向衬垫(15)移动就位，并且
重新安装止动元件(27)。
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