CN109312717B - 风能设备旋转连接机构、转子叶片以及具有所述转子叶片的风能设备 - Google Patents

风能设备旋转连接机构、转子叶片以及具有所述转子叶片的风能设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风能设备旋转连接机构(1，1′，1″)、尤其叶片支承旋转连接机构或方位旋转连接机构，其中，所述旋转连接机构构造为滑动支承装置，其具有内环(3，3′，3′)′和外环(5，5′，5″)，所述内环具有一数量的第一滑动面(11a，b，c)，所述外环具有一数量的第二滑动面(13a，b，c)，所述第二滑动面分别配属于所述第一滑动面中的一个作为滑动面配合件，其中，所述滑动支承装置构造为干式运行的滑动支承装置。

Description

风能设备旋转连接机构、转子叶片以及具有所述转子叶片的 风能设备
技术领域
本发明涉及一种风能设备旋转连接机构、尤其叶片支承旋转连接机构或方位旋转连接机构。本发明还涉及一种风能设备转子叶片和一种风能设备。
背景技术
风能设备是广为人知的。其在不同的功能位置处具有旋转连接机构，以便例如在方位支承机构处可以使吊舱相对于风能设备的塔枢转，或以便可以相对于具有桨距驱动器的转子毂来确定转子叶片相对于风的迎角。风能设备的相应部件为此目的借助旋转连接机构能够彼此旋转地支承。基于高的负载，在现有技术中通常采用滚珠轴承装置，其分别作为单排的或多排的轴承装置或作为轴向和径向轴承的组合由锥形轴承或力矩轴承构成。尽管这种轴承类型的机械功率一般是令人满意的，但是滚珠轴承需要一定的结构尺寸并且始终具有比较高的重量，使得在已知的风能设备处，其旋转连接机构以及具有旋转连接机构的部件例如风能设备的吊舱或转子叶片在结构尺寸和重量方面存在改善需求。
发明内容
旋转连接机构根据本发明理解为两个部件相互间的可旋转运动的所有支承装置，包括但是不仅仅由支承轴承、固定/浮动轴承(Fest-Loslager)、力矩轴承等组成。在该背景下，本发明所基于的任务是，在以上所描述的问题方面尽可能大地改善开始所描述的类型的风能设备旋转连接机构。本发明所基于的任务尤其是，在其重量和结构空间方面改善开始所描述的风能设备旋转连接机构，并且在此尽可能小地损害负荷能力。
本发明通过一种风能设备转子叶片解决本发明所基于的任务，其能够借助旋转连接机构与所述风能设备的毂连接。尤其是叶片支承旋转连接机构或方位旋转连接机构的风能设备旋转连接机构构造为滑动支承装置，其具有内环和外环，内环具有一数量的第一滑动面，外环具有一数量的第二滑动面，这些第二滑动面分别配属于这些第一滑动面中的一个作为滑动面配合件，其中，滑动支承装置构造为干式运行的滑动支承装置，其中所述外环具有由纤维复合材料构成的、所述数量的滑动面中的一个、多个或所有滑动面，并且所述外环至少两件式地构成，其方式为：在第一部分体处构造有径向滑动面和第一滑动面，并且在至少一个第二部分体处构造有第二轴向滑动面，其中所述第一部分体集成地构造在所述转子叶片处。本发明遵循如下方案：滑动支承装置与传统的滚珠轴承相比允许明显更小的结构空间以及明显节省重量的结构方式。令人惊讶地，已经证明的是，干式运行的滑动支承装置良好地适合作为风能设备旋转连接机构、尤其作为叶片支承旋转连接机构或方位旋转连接机构。
本发明通过以下方式有利地改进：在这些环中的一个、优选内环中，滑动面中的一个、多个或所有构造为金属滑动面。在此，金属表面优选地具有小于1.0μm、优选0.8μm或更小的粗糙度Ra。
作为金属材料，优选分别使用黄铜，黄铜合金，白合金，例如铅、锡、锑、铋、铜、铜合金，尤其铜铅铸造合金，青铜铸造合金，尤其铅青铜，铅青铜铸造合金，铅锡铸造合金，铝，铝合金，尤其铝锡铸造合金，铝锌铸造合金，钢，钢合金，烧结金属，或由多种前述的金属材料构成的组合。
替代于纯的金属材料，优选使用金属复合材料，例如陶瓷金属复合材料(金属陶瓷)、或金属塑料复合材料。
替选地，优选对于滑动面使用尤其非金属的材料，例如烧结陶瓷(其可以具有例如金属氧化物作为组成部分)、高性能塑料例如热塑性高性能聚合物、尤其无定形的热塑性高性能聚合物、例如可能具有石墨和/或PTFE添加物的聚酰胺亚胺(PAI)。此外，优选，在相应另一环、优选外环的情况下，所述数量的滑动面中的一个、多个或所有部分地或完全地由纤维复合材料构造。由纤维复合材料构成的或具有纤维复合材料的滑动面具有惊人良好的干式运行性能，并且因此是惊人抗磨损的。此外，与对棱边负荷的低敏感性一起实现高的击打和碰撞耐受性。基于良好的干式运转特性，可以放弃使用润滑介质、例如脂或油。基于使用纤维复合材料，滑动支承装置相对于腐蚀介质非常耐久，并且相对于纯金属的旋转连接机构具有改善的减振值。恰好降低振动在风能设备的结构中是越来越重要的方面，因为越来越严格的声排放准则在世界范围内正变得重要。
滑动面、尤其如下环的滑动面优选分部段地实施，使得可以在吊舱中实现旋转连接机构的更简单和更快速的保养：所述环的滑动面部分地或完全地由纤维复合材料构造。
在根据本发明的旋转连接机构的一种优选扩展方案中，在一个、多个或所有滑动面上施加有由以下材料中的各一个构成的一定数量的滑动层：聚四氟乙烯、膨体聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨、石墨烯、或由多种所述材料构成的组合。如果将非金属材料用于滑动面，优选构造有由蒸镀金属材料构成的一定数量的滑动层。
只要在本发明的范畴内谈及“数量”，则理解为数目1以及其整数倍。作为用于纤维复合材料的纤维材料，在优选实施方式中，从由以下材料构成的列表中选择材料：碳纤维、玻璃纤维、钢纤维、竹纤维或由多种所述材料构成的组合。
优选地，纤维复合材料以编织形式存在并且嵌入到基质材料中，其中，基质材料尤其是热塑性材料、热固性材料、尤其环氧树脂。
在旋转连接机构的一种特别优选的实施方式中，内环和外环分别具有一个径向的支承面和两个轴向的支承面。外环和内环的径向的支承面彼此对齐以用于构造径向支承机构，而内环的各一个轴向的支承面与外环的对应的轴向面对齐以用于构造轴向支承机构。
在另一特别优选的实施方式中，包括由纤维复合材料构成的基础衬层的环、优选外环两件式或多件式地构成，其方式为：在第一部分体处构造有径向滑动面和第一轴向滑动面，并且在第二部分体或一个或多个另外的部分体处构造有第二轴向或一个或多个另外的滑动面。优选，第二部分体或一个或多个部分体构造为一件式或多件式的法兰盘，其中，第一和第二部分体或一个或多个另外的部分体能够在彼此对应的端侧处相互耦联，优选能够可逆地松脱地耦联。在实践中，例如螺纹连接机构已证明为能够可逆地松脱的连接机构。为了旋拧，这些部分体中的一个、例如第一部分体优选具有用于接纳螺纹的金属插入件，以使得纤维复合材料不被边缘锐利的螺纹损伤。
在本发明的一个优选实施方式中，内环和外环分别具有一个或多个彼此对应安置的(angestellte)支承面、优选沿相反方向安置的支承面。
本发明在上文中根据涉及的第一方面分离地描述旋转连接机构。本发明尤其也在风能设备转子叶片中充分发挥其优点。根据本发明，提出一种风能设备转子叶片，其借助旋转连接机构能够与风能设备的毂连接，其中，旋转连接机构根据以上所述的优选实施方式中的一个构造。在技术效果和优点方面，对此参照以上的实施方案。
特别优选的是如下转子叶片：其中，旋转连接机构的外环具有由纤维复合材料构成的一定数量的滑动面中的一个、多个或所有，并且两件式地构成，其方式为：在第一部分体处构造有径向滑动面和第一滑动面，并且在第二部分体处构造有第二轴向滑动面，其中，第一部分体集成地构造在转子叶片处。这优选通过以下方式实现：在转子叶片处在其制造时构造第一部分体以及随着所述第一部分体构造第一轴向滑动面和径向滑动面。尤其当转子叶片同样由纤维复合材料构成时，则用于外环的第一部分体的相应的纤维垫优选一起铺设，并且与转子叶片的纤维垫共同嵌入到基质材料中，使得产生“整体地(monolithisch)”起作用的总体构造，在所述“整体地”起作用的总体构造处构造有外环的第一部分体的滑动面。
在本发明的一个优选实施方式中，旋转连接机构是方位支承装置。优选，方位支承装置以分部段的形式实施，其中，各个滑动面以各自的部段的形式构造。特别优选地，这些部段由覆层的纤维复合材料、例如玻璃纤维增强塑料构造。这些部段优选安装在金属环上，并且对此的配对部分构造为金属支承环或构造为金属塔体法兰处的支承面，使得这些部段例如在风向追踪期间在支承环上滑动。替选地，这些部段优选安装在金属环上或直接安装在塔体法兰上，并且金属支承环安装在机器承载件处并且在这些部段上滑动。
本发明还涉及一种如开始所描述的风能设备。在这种风能设备的情况下，本发明解决其所基于的任务，其方式为：本发明提出一种风能设备，其具有塔，在所述塔上，吊舱借助第一旋转连接机构支承，其中，在吊舱处设置有转子毂，所述转子毂带有一个或多个转子叶片，这些转子叶片固定在转子毂处以驱动发电机，其中，转子叶片——尤其借助桨距驱动器——能够在其迎角方面进行调节并且借助旋转连接机构支承在转子毂处。尤其提出，旋转连接机构根据上述优选实施方式中的一个构造。特别优选地，在这种风能设备中，一个或多个转子叶片根据上述优选实施方式中的一个构造。
附图说明
本发明以下参照附图更详细地描述。在此示出：
图1示出根据本发明的风能设备的示意性空间示图，
图2a示出根据图1的风能设备的示意性细节视图，
图2b示出根据图2a的示图的另一细节视图，
图3示出根据图1的风能设备的另一示意性细节视图，以及
图4示出根据图3的实施方式的一种替选构型。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一种风能设备的示意性示图。风能设备100具有塔102以及塔102上的吊舱104。在吊舱104处设置有空气动力学的转子106，所述转子具有三个转子叶片108和整流罩110。空气动力学的转子106在风能设备110运行时通过风置于旋转运动中，并且因此也使发电机的转子部件或转子旋转，所述发电机的转子部件或转子直接或间接与空气动力学的转子106耦合。发电机优选是缓慢旋转的同步发电机。发电机布置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角可以通过相应的转子叶片108的转子叶片根部处的桨距马达来改变。为了相对于在吊舱104处设置的转子毂支承转子叶片108，设置有旋转连接机构1。
旋转连接机构1以其功能和结构方面的细节在图2a、b中更详细地示出。
旋转连接机构1具有内环3和外环5。在本实施例中，内环3固定地布置在吊舱104处，并且外环5布置在转子叶片108处。可选地，外环5作为独立构件提供并且在转子叶片108处固定在对应的端侧处，参见分隔线7。根据另一优选的可选方案，两件式地制造外环5。外环5的第一部分体5a集成地构造在转子叶片108处，特别优选地，其在制造转子叶片108期间已经集成地构造在转子叶片处。
第二部分5b作为法兰式的盘、可选地以分部段形式构造并且能够松脱地固定在外环5的第一部分体5a处。在外环5的部分体5a、b之间限定有环间隙，在所述环间隙中配合有内环3的法兰式的突出部9。
在内环3的法兰式的突出部9处构造有第一和第二轴向滑动面11a、b以及设置在两个第一轴向滑动面11a、b之间的第三滑动面11c，所述第三滑动面是径向滑动面。
分别相对置地，外环5具有第一和第二轴向滑动面13a、b以及径向滑动面13c，它们分别与对应的、相对置的滑动面11a、b、c构成滑动支承装置。根据本发明，旋转连接机构1的滑动支承装置是干式运行的支承装置。这尤其理解为：无润滑剂设置在滑动间隙中，所述润滑剂例如是脂或油。
尤其在小枢转幅度和低旋转速度的情况下，根据本发明的干式运行的滑动支承装置充分发挥其优点。在这种运动范围内，旋转连接机构1的干式运行特性、进而随之抗磨损特性惊人地良好。
外环优选部分地或完全地由纤维复合材料、例如玻璃纤维增强塑料构造。作为塑料，特别优选热固性的环氧树脂。在滑动面13a、b、c的表面处和/或在滑动面11a、b、c的表面处，优选施加有一个或多个粘性降低材料层，粘性降低材料例如是(膨体)聚四氟乙烯((e)PTFE)。内环3优选至少在法兰式的突出部9的区域中由金属材料制造，但优选完全由金属材料制造。表面粗糙度优选小于1.9μm Ra、特别优选小于0.8μm Ra。
根据本发明的旋转连接机构的构思在本发明的图2a、b中根据用于吊舱104处的转子叶片108的桨距支承机构的旋转连接机构示出。但是所述构思根据本发明也能够实现为呈在塔102与吊舱104之间的方位支承机构的形式的旋转连接机构。在这种(未示出的)塔的情况下优选也构造有由金属材料构成的支承环，而相应另一个支承环部分地或完全地由纤维复合材料构造，所述支承环由一件式或多件式的环构成。在此范围内完全参照上文的附图描述以及更上文所述的优选实施方式。
参照以上的图1和2a、b，初步地根据叶片支承装置探讨本发明。如开始所提及的那样，本发明然而也涉及其他旋转连接机构，例如在图3和4中示出的方位支承装置。在图3中描绘风能设备100(图1)的吊舱104的局部。风能设备100在吊舱104中具有机器承载件112。在机器承载件112处构造有用于调节吊舱104相对于塔102的角度取向的驱动马达113。驱动马达具有驱动小齿轮115，所述驱动小齿轮与齿部15和旋转连接机构1′啮合。齿部15构造在支承环3′处，其优选是内环。第一支承环3′优选部分地或完全地由金属材料制造，或由优选的上述材料中的一种制造。第一支承环3′具有三个滑动面11′a、b、c。
旋转连接机构1′还具有第二支承环5′。与根据图2a、b的支承环5不同，第二支承环5′在其基础结构方面由金属材料构造并且具有两个轴向滑动面13′a、c以及一个径向滑动面13′b，所述两个轴向滑动面以及一个径向滑动面优选由纤维增强塑料构成并且可选地具有一个或多个粘性降低材料层。替选地或附加地，也在滑动面11′a、b、c的表面区段处施加有根据上述优选实施方式的一个或多个粘性降低材料层。滑动面11′a、b、c和13′a、b、c分别彼此构成滑动支承机构。
在图4中，描绘了作为旋转连接机构1″的方位支承装置的略微不同的替选构型。如已经根据图3说明的旋转连接机构1′那样，旋转连接机构1″用于使机器承载件112或吊舱104相对于风能设备100(图1)的塔102旋转。与根据图3的实施方式不同，优选是内支承环的第一支承环3″不具有三个滑动面，而是具有仅仅两个滑动面11″a、b，所述两个滑动面不严格地径向或轴向取向，而是分别安置/成角度(angestellt)。根据所描绘的配置将第一支承环3″示出为内环还是外环，所示出的滑动支承装置是X型配置的或O型配置的支承装置。
在图4中示出的旋转连接机构1″除了第一支承环3″外还具有第二支承环5″，在所述第二支承环处，对应于第一支承环3″设置有两个滑动面13″a、b。优选地，第二支承环5″由金属材料构造，而滑动面13″a、b以优选分部段的元件的形式由纤维复合材料例如玻璃纤维增强塑料构造。对于表面特性和覆层，优选适用与针对以上实施例和优选实施方式描述的相同的特征。
在图3和4中，以相同的方式示出马达制动器117，其以已知的方式用于使吊舱104相对于塔102的旋转运动制动或停止。
不仅图3的实施例而且图4的实施例可以示出相对于塔102处于内部的旋转连接机构1′、1″或处于外部的旋转连接机构1′、1″。内环和外环的术语分别相应地交换。

Claims (16)

1.一种风能设备转子叶片(108)，其能够借助旋转连接机构(1)与所述风能设备的毂连接，其中
所述旋转连接机构构造为滑动支承装置，其具有内环(3，3′，3″)和外环(5，5′，5″)，所述内环的法兰式的突出部(9)具有一数量的第一滑动面(11a，b，c)，所述外环具有一数量的第二滑动面(13a，b，c)，所述第二滑动面分别配属于所述第一滑动面中的一个作为滑动面配合件，并且其中
所述滑动支承装置构造为干式运行的滑动支承装置，
其中所述外环(5)具有由纤维复合材料构成的、所述数量的滑动面(13a-c)中的一个、多个或所有滑动面，并且
所述外环至少两件式地构成，其方式为：在第一部分体处构造有径向滑动面和第一滑动面，并且在至少一个第二部分体(5b)处构造有第二轴向滑动面，其中
所述第一部分体(5a)集成地构造在所述转子叶片(108)处。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，
其中，在所述环中的一个中，所述数量的滑动面中的一个、多个或所有滑动面部分地或完全地由纤维复合材料构造。
3.根据权利要求2所述的转子叶片，
其中，在所述外环中，所述数量的滑动面中的一个、多个或所有滑动面部分地或完全地由纤维复合材料构造。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子叶片，
其中，在一个、多个或所有滑动面上，施加有一数量的滑动层，所述滑动层由以下材料中的各一种构成：
-聚四氟乙烯，
-膨体聚四氟乙烯，
-二硫化钼，
-石墨，
-石墨烯，
-蒸镀的金属材料，
或由这些材料中的多种的组合构成。
5.根据权利要求4所述的转子叶片，
其中，作为用于纤维复合材料的纤维材料，材料选自以下材料构成的列表：
-碳纤维，
-玻璃纤维，
-钢纤维，
-竹纤维，
或这些纤维中的多种的组合。
6.根据权利要求4所述的转子叶片，
其中，所述纤维复合材料以编织的形式存在，并且嵌入到基质材料中，其中，所述基质材料构造为热塑性材料或热固性材料。
7.根据权利要求6所述的转子叶片，
其中，所述基质材料构造为环氧树脂。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的转子叶片，
其中，所述内环和所述外环分别具有一个径向的支承面(12b，13b)和两个轴向的支承面(11a，11c，13a，13c)。
9.根据权利要求4所述的转子叶片，
其中，具有由纤维复合材料构成的滑动面的环(5)两件式或多件式地构成，其方式为：在第一部分体(5a)处构造有径向滑动面和第一轴向滑动面，并且在第二部分体(5b)或一个或多个另外的部分体处构造有第二轴向滑动面或一个或多个另外的滑动面。
10.根据权利要求9所述的转子叶片，
其中，所述外环两件式或多件式地构成。
11.根据权利要求9所述的转子叶片，
其中，所述第二部分体(5b)构造为一件式或多件式的法兰盘，并且其中，所述第一部分体和所述第二部分体能够在彼此对应的端侧上相互耦联。
12.根据权利要求11所述的转子叶片，
其中，所述第一部分体和所述第二部分体能够在彼此对应的端侧上可逆地可松脱地相互耦联。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的转子叶片，
其中，所述内环(3″)和所述外环(5″)分别具有一个或多个彼此对应安置的支承面(11″a，b；13″a，b)。
14.根据权利要求13所述的转子叶片，
其中，所述内环(3″)和所述外环(5″)分别具有一个或多个沿相反方向安置的支承面。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的转子叶片，其中，所述旋转连接机构构造为方位支承装置。
16.一种风能设备(100)，具有
塔(102)，在所述塔上借助第一旋转连接机构(1′，1″)支承有吊舱(104)，其中，在所述吊舱(104)处设置有转子毂(106)，所述转子毂具有一个或多个转子叶片(108)，所述转子叶片固定在所述转子毂(106)处以驱动发电机，其中，所述转子叶片(108)能够在其迎角方面进行调节，并且借助第二旋转连接机构(1)安装在所述转子毂(106)处，
其中，一个或多个所述转子叶片(108)根据权利要求1至15中任一项构造。
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