CN109519346A - 用于风力涡轮机的推力轴承 - Google Patents

Abstract

一种用于风力涡轮机的推力轴承（10）包括：推力环（11），其可绕所述推力轴承（10）的纵向轴线（Y）旋转，并且具有相对于纵向轴线（Y）横向定向的推力表面（12）；支撑结构（20），其相对于所述推力轴承（10）的所述纵向轴线（Y）固定；轴承垫（30），其接触所述推力环（11）的所述推力表面（12），并且可在设置于所述支撑结构（20）上的垫座（18）上移动；置于所述轴承垫（30）和所述支撑结构（20）之间的弹簧元件（40）。

Description

用于风力涡轮机的推力轴承

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的推力轴承。

背景技术

风力涡轮机的不断增加的尺寸和向海上涡轮机发展的趋势对可维护性和坚固性提出了高要求，而当前的滚动元件轴承系统无法提供这样的可维护性和坚固性。此外，由于大型风力涡轮机具有大的动态轴偏转这一事实，高负载和低速度使得滑动轴承难以工作并且在要求的使用寿命中维持。

常规的风力涡轮机设计使用常规的滚柱轴承或滚珠轴承来承载传动系、直驱式涡轮机上的发电机和具有叶片的轮毂。当必须更换这种常规的滚柱轴承或滚珠轴承时，例如在它们的生命周期结束时，这仅可以通过拆卸传动系、发电机和/或具有叶片的轮毂来执行。这些操作需要使用昂贵的起重机能力。对于必须使用自升式船舶的位于海上的风力涡轮机而言，这样的成本尤其高。

上述问题的一种解决方案是使用流体轴承来代替滚柱轴承或滚珠轴承。

上述问题的另一种解决方案是将滚柱轴承或滚珠轴承的可维护性提高到更高的水平。特别地，已知滚珠轴承或滚柱轴承的结构完整性受到轴向推力引起的任何轴向运动的显著损害。

因此，可以通过完全地或至少部分地吸收这样的轴向推力来改善滚柱轴承或滚珠轴承的可维护性。

此外，在风力涡轮机中更重要的是知道这种轴向推力的值。对风力涡轮机转子上的推力的测量提供了关于涡轮机的操作状态的大量信息。该信息可以由控制系统使用，来减少例如塔架、叶片之类的主要部件上的负载。

测量转子推力的一种常用方法是通过测量个别叶片根部中的应变并将测量值变换为总体转子推力。应变测量通常使用应变仪或最近的光纤布拉格传感器（fiber Braggsensor）来执行。另一种方法是测量涡轮机上的主支撑结构上的应变，所述主支撑结构例如主轴。

这些方法的主要问题在于应变仪在使用寿命期间需要维护，并且对于如直驱式涡轮机的主轴之类的复杂结构，应变分布是复杂的，这使得应变仪的放置和应变到推力的变换成为关键的问题。

本发明的一个目的在于提供一种用于风力涡轮机的推力轴承，其吸收作用在滚珠轴承或滚柱轴承或流体轴承上的轴向推力，以便增强风力涡轮机的可维护性。期望的是，推力轴承本身通过使得推力轴承能够容易维护和更换而提供增强的可维护性水平。

本发明的另一个目的在于提供一种用于风力涡轮机的推力轴承，其允许用于测量作用在该推力轴承上的推力的简单的稳健且廉价的方法。

发明内容

该需要可以通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明，提供了一种用于风力涡轮机的推力轴承，其包括：

推力环，其可绕所述推力轴承的纵向轴线旋转，并且具有相对于纵向轴线横向定向的推力表面，

支撑结构，其相对于所述推力轴承的所述纵向轴线固定，

轴承垫，其接触所述推力环的所述推力表面，并且可在设置于所述支撑结构上的垫座上移动，

其中，至少一个弹簧元件被置于所述轴承垫和所述支撑结构之间。

相对于已知的解决方案，这种设计通过允许在不使用大型起重机（或自升式船舶）或甚至安装在涡轮机中的特殊工具的情况下进行更换，而将主轴承（滚珠轴承或滚柱轴承或流体轴承）的可维护性提高到了更高的水平。当弹簧磨损或损坏时，风力涡轮机可以继续操作，并且可以在计划的维护服务期间进行更换。每个轴承垫都可以单独地并且在不移动轴以卸载推力轴承的情况下移除、检查和维修。

作用在轴承垫上的任何推力都导致小的轴向运动，直到在推力和弹簧元件中的相反的弹力之间达到平衡。这意味着该推力可以通过弹簧元件的变形来测量。

用于得到推力的值的变形的测量比测量应变更加简单和稳健。

在本发明的实施例中，所述轴承垫包括接触所述推力环的所述推力表面的低摩擦层。

有利地，这使得能够实现垫和推力环之间的低摩擦接触，从而减少了磨损。

在本发明的实施例中，所述轴承垫优选地绕所述推力轴承的所述纵向轴线成环形形状。

替代性地，轴承垫可以具有另一种形状，或者可以不围绕推力轴承的纵向轴线连续分布。

在本发明的实施例中，所述轴承垫的至少一部分相对于所述垫座逐渐变细。特别地，所述轴承垫的至少一部分可具有锥形剖面。有利地，这防止了所述轴承垫相对于所述垫座锁定。

根据本发明的其他实施例，所述轴承垫包括带有间隙地耦接到彼此的阳元件和阴元件，所述阳元件被插入所述阴元件的凹部中，这允许所述阳元件和所述阴元件之间绕正交于所述纵向轴线的轴线的相对倾斜。有利地，这允许校正所述轴承垫相对于所述推力环以及所述推力轴承的纵向轴线的未对准。

根据本发明的实施例，所述弹簧元件包括至少一个钢或聚合物的弹簧。特别地，所述弹簧元件包括至少一个螺旋弹簧或碟形弹簧或弹性体层。

任何类型的弹簧元件都可以与用于测量变形的系统相关联，以便确定作用在推力轴承上的推力。

特别地，根据本发明的实施例，所述弹性体层被附接到钢盘。

更具体而言，根据本发明的一个特定实施例，所述弹簧元件包括具有附接到相应的钢盘的多个弹性体层的堆叠。每个弹性体层都可以被胶合到相应的钢盘，以改善粘附性。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

图1示出了根据本发明的用于风力涡轮机的推力轴承的第一实施例的示意性剖视图。

图2示出了根据本发明的用于风力涡轮机的推力轴承的第二实施例的示意性剖视图。

图3示出了根据本发明的用于风力涡轮机的推力轴承的第三实施例的示意性剖视图。

图4示出了根据本发明的用于风力涡轮机的推力轴承的第四实施例的示意性剖视图。

具体实施方式

附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件或特征配有相同的附图标记。为了避免不必要的重复，在说明书中不再进一步描述已关于实施例描述过的元件或特征。

图1至图4示出了根据本发明的用于风力涡轮机的推力轴承10的四个相应实施例。推力轴承10包括可围绕推力轴承10的纵向轴线Y旋转的推力环11。推力环11是附接到风力涡轮机的轴13的盘。轴13相对于纵向轴线Y纵向延伸，并且需要围绕纵向轴线Y旋转。

在下文中，术语“纵向”、“径向”和“周向”在没有不同地指定时是参考推力轴承10的纵向轴线Y。

推力环11包括两个主要的圆形平面表面12、14，包括：第一推力表面12，其用于将推力轴承10的推力传递到推力轴承10的其他部件，如下文中更详细描述的；以及相对的第二表面14。推力环11的两个主表面相对于纵向轴线Y横向定向。特别地，这两个主要的圆形平面表面12、14可以相对于纵向轴线Y径向定向。

推力轴承10还包括：

支撑结构20，其相对于推力轴承10的纵向轴线Y固定，以及

轴承垫30，其接触推力环11的推力表面12，并且可在设置于支撑结构20上的垫座18上移动。

轴承垫30绕推力轴承10的纵向轴线Y成环形形状。

推力轴承10还包括至少一个弹簧元件40，其被置于轴承垫30和支撑结构20之间。

根据本发明的其他实施例（未示出），轴承垫30具有不同的形状。在本发明的所有实施例中，轴承垫30都提供推力在推力环11和弹簧元件40之间的传递。

垫座18具有与轴承垫30的形状相对应的形状，并且允许轴承垫30至少沿平行于纵向轴线Y的方向平移。

在弹簧元件40的与轴承垫30相反的一侧上，弹簧元件40接触推力板45，该推力板45借助于多个螺钉46来固定到支撑结构20。

弹簧元件40以如下方式被置于轴承垫30和推力板45之间，即：使得来自推力环11的推力通过弹簧元件40传递到推力板45。

该推力使弹簧元件40变形。推力轴承10包括用于测量这种变形并因此计算作用在推力环11上的推力的系统（未示出）。

轴承垫30在接触推力环11的推力表面12的面上包括低摩擦层35，该低摩擦层35用于减小由轴承垫30和推力环11之间的接触以及由于推力环11的旋转所引起的摩擦。

参考图1至图3的实施例，垫座18包括彼此纵向相邻的第一部分18a和第二部分18b。第一部分18a具有第一径向延伸R1，而第二部分18b具有第二径向延伸R2，该第二径向延伸R2大于第一径向延伸R1。第一部分18a与推力环11相邻，而第二部分18b与推力板45相邻并且收容弹簧元件40。

因此，轴承垫30包括：与垫座18的第一部分18a耦接的第一部分30a；以及与垫座18的第二部分18b耦接的第二部分30b。处于垫座18的第一部分18a和第二部分18b之间的肩部18c防止轴承垫30沿纵向方向朝向推力环11离开垫座18。

肩部18c还允许在将弹簧元件40组装在推力轴承中时预加载该弹簧元件40。如果弹簧元件40太长，则在用螺栓46将板45栓接到支撑结构20时它将被预加载。

具体参照图1的实施例，轴承垫30包括阳元件31和阴元件32，该阳元件31和该阴元件32带有间隙（backlash）地耦接到彼此，用于校正轴承垫30相对于推力环11以及相对于纵向轴线Y的未对准。

阳元件31包括插入阴元件32的凹部（pocket）33中的纵向凸起31a，这允许阳元件31和阴元件32之间绕正交于纵向轴线Y的轴线的相对倾斜。

轴承垫30以如下方式定向，即：使得阳元件31接触推力环11的推力表面12并且阴元件32接触弹簧元件40。轴承垫30的第二部分30b被设置在阴元件32上，该阴元件32与垫座18的第一部分18a和第二部分18b二者耦接。

具体参照图2的实施例，轴承垫30由单个实体元件（solid element）制成，其中，第一部分30a和第二部分30b二者平行于垫座18的相应的第一部分18a和第二部分18b在纵向方向上延伸。

具体参照图3的实施例，轴承垫30由单个实体元件制成，其中，第一部分30a平行于垫座18的相应的第一部分18a但与之隔开地在纵向方向上延伸。第二部分30b相对于垫座18的相应的第二部分18b逐渐变细。特别地，第二部分30b在图3的剖视图中是锥形的。轴承垫30的这种设计防止了相对于垫座18的锁定。

在图1至图3的实施例中，弹簧元件40包括多个弹性体层41和多个钢盘42。弹性体层41和钢盘42被插入到彼此，以形成堆叠，其中每个弹性体层41被置于两个相应的钢盘42之间或钢盘42和轴承垫30之间或钢盘42和推力板45之间。

每个弹性体层41都通过胶合来附接到相应的钢盘42，以改善粘附性。

在图4的实施例中，轴承垫30包括朝向推力板45延伸但与推力板45纵向隔开的纵向凸起36。弹簧元件40包括钢或聚合物的弹簧，其围绕纵向凸起36收容在垫座18中，并且在轴承垫30的肩部37和推力板45之间起作用。

图4的实施例中的钢或聚合物的弹簧40可以是螺旋弹簧或碟形弹簧（Bellevillespring）或者能够将推力从推力环11传递到推力板45的另一种类型的弹簧。

考虑到这种类型的弹簧即使在破损、磨损或缓慢退化的情况下也产生反作用力，聚合物弹簧在本发明的一些实施例中可能是优选的。

应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个。此外，结合不同实施例描述的元件也可以被组合。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮机的推力轴承（10），包括：

推力环（11），其可绕所述推力轴承（10）的纵向轴线（Y）旋转，并且具有相对于纵向轴线（Y）横向定向的推力表面（12），

支撑结构（20），其相对于所述推力轴承（10）的所述纵向轴线（Y）固定，

轴承垫（30），其接触所述推力环（11）的所述推力表面（12），并且可在设置于所述支撑结构（20）上的垫座（18）上移动，

其中，至少一个弹簧元件（40）被置于所述轴承垫（30）和所述支撑结构（20）之间。

2.如权利要求1所述的推力轴承（10），其特征在于，所述轴承垫（30）包括接触所述推力环（11）的所述推力表面（12）的低摩擦层（35）。

3.如权利要求1或2所述的推力轴承（10），其特征在于，所述轴承垫（30）绕所述推力轴承（10）的所述纵向轴线（Y）成环形形状。

4.如前述权利要求中任一项所述的推力轴承（10），其特征在于，所述轴承垫（30）的至少一部分相对于所述垫座（18）逐渐变细，以防止所述轴承垫（30）相对于所述垫座（18）锁定。

5.如权利要求4所述的推力轴承（10），其特征在于，所述轴承垫（30）的所述至少一部分具有锥形剖面。

6.如前述权利要求中任一项所述的推力轴承（10），其特征在于，所述轴承垫（30）包括带有间隙地耦接到彼此的阳元件（31）和阴元件（32），所述阳元件（31）被插入所述阴元件（32）的凹部（33）中，这允许所述阳元件（31）和所述阴元件（32）之间绕正交于所述纵向轴线（Y）的轴线的相对倾斜。

7.如权利要求6所述的推力轴承（10），其特征在于，所述阳元件（31）接触所述推力环（11）的所述推力表面（12），并且所述阴元件（32）接触所述弹簧元件（40）。

8.如前述权利要求中任一项所述的推力轴承（10），其特征在于，所述弹簧元件（40）包括至少一个钢或聚合物的弹簧。

9.如权利要求8所述的推力轴承（10），其特征在于，所述弹簧元件（40）包括至少一个螺旋弹簧或碟形弹簧。

10.如前述权利要求中任一项所述的推力轴承（10），其特征在于，所述弹簧元件（40）包括至少一个弹性体层（41）。

11.如权利要求10所述的推力轴承（10），其特征在于，所述弹性体层（41）被附接到钢盘（42）。

12.如权利要求11所述的推力轴承（10），其特征在于，所述弹簧元件（40）包括附接到相应的钢盘（42）的多个弹性体层（41）的堆叠。

13.如前述权利要求中任一项所述的推力轴承（10），还包括用于测量所述弹簧元件（40）的变形的系统。

14.如权利要求13所述的推力轴承（10），还包括用于测量所述弹簧元件（40）的变形以便计算作用在所述推力环（11）上的推力的系统。