CN111502933B - 用于风力涡轮机的轴承装置和风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

用于风力涡轮机(1)的轴承装置(8)，包括：床架(9)；轴(10)，其被配置用于将转子(2)与风力涡轮机(1)的发电机(3)连接；前轴承(14)和后轴承(15)，两者均围绕轴的轴线(A)可旋转地支撑轴(10)；支撑前轴承的前轴承壳体(16)，前轴承壳体包括连接到床架的一个或多个脚；支撑后轴承的后轴承壳体(17)，该后轴承壳体包括连接到床架的一个或多个脚；以及加强元件(26，27)，其连接前轴承壳体的脚中的一个和后轴承壳体的脚中的一个。具有加强元件会允许加强前轴承壳体、后轴承壳体和床架之间的连接。加强元件减少了轴承壳体和床架的变形。更好地避免轴承壳体和床架的接触表面的分离和/或滑动。

Description

用于风力涡轮机的轴承装置和风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的轴承装置以及一种风力涡轮机。
背景技术
在风力涡轮机中，轴承用于支撑将转子连接到齿轮箱和/或发电机的主轴。主轴在风力涡轮机的操作期间经受来自转子叶片的相当大的负载。为了更好地吸收来自转子叶片的非扭矩负载，风力涡轮机的轴承装置通常包括支撑主轴的两个主轴承。然而，已经发现，包括例如紧固到床架的两个单独的轴承壳体的常规轴承装置在强风条件下不能充分地吸收非扭矩负载。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于风轮机的改进的轴承装置和一种改进的风轮机。
因此，提供了一种用于风力涡轮机的轴承装置。轴承装置包括床架和轴，该轴被配置成用于将转子与风力涡轮机的发电机连接。轴承装置包括前轴承和后轴承，前轴承和后轴承都围绕轴的轴线可旋转地支撑轴。此外，轴承装置包括支撑前轴承的前轴承壳体。前轴承壳体包括连接到床架的一个或多个脚。此外，轴承装置包括支撑后轴承的后轴承壳体。后轴承壳体包括连接到床架的一个或多个脚。此外，轴承装置包括加强元件，该加强元件连接前轴承壳体的脚中的一个和后轴承壳体的脚中的一个。
具有加强元件允许加固(加强)前轴承壳体、后轴承壳体和床架之间的连接。特别地，加强元件减少了轴承壳体和床架的变形。此外，由于加强元件，可以更好地避免轴承壳体和床架的接触表面的分离和/或滑动。
因此，轴承装置更好地将非扭矩负载(转子弯曲负载)传递到床架。因此，较少的弯曲力矩从转子传递到齿轮箱和/或发电机。随着进入齿轮箱和/或发电机的非扭矩负载的减小，避免了齿轮箱、发电机和/或风力涡轮机的损坏。此外，通过应用加强元件，可以在10m/s(IA类)或更高的平均风速下使用设计用于中等平均风速(例如，IIA类条件的平均风速为8.5m/s)的常规床架和轴承壳体。
轴承装置是风力涡轮机的一部分。风力涡轮机是一种将风的动能转换成电能的设备。风力涡轮机包括具有一个或多个叶片的转子以及机舱，机舱包括轴承装置、齿轮箱和发电机。风力涡轮机还包括在其顶端保持机舱的塔架。风力涡轮机的塔架可经由过渡件连接到风力涡轮机的基座，例如海床中的单桩。
机舱的前轴承壳体、后轴承壳体和其它部件（例如齿轮箱和发电机）均安装到床架上。床架是例如机舱的床板或机舱床板的一部分。床架连接到风力涡轮机的塔架以将例如从轴承壳体接收的负载传递到塔架。床架可以借助于偏航轴承连接到风力涡轮机的塔架以将转子定向到风中。
轴例如配置成将转子与发电机直接连接。替代性地，轴被配置成通过将转子与齿轮箱的联接器直接连接并且通过借助于另外的轴将齿轮箱与发电机连接来将转子与发电机连接。
特别地，前轴承和后轴承是两个主轴承，这两个主轴承都在风轮机的齿轮箱/齿轮箱壳体外部支撑主轴。特别地，前轴承被配置成比后轴承更靠近转子。前轴承例如仅承载径向负载。后轴承例如承载轴向和径向负载两者。
齿轮箱和/或齿轮箱壳体可由连接到床架的两个扭矩臂支撑。这种布置被称为四点风力涡轮机传动系配置，因为前轴承、后轴承和两个扭矩臂形成了主轴的四个支撑点。四点风力涡轮机传动系配置优于包括仅一个主轴承的三点风力涡轮机传动系配置，因为来自转子叶片的非扭矩负载可更好地传递到床架。
该轴承装置包括加强元件，该加强元件连接前轴承壳体的脚中的一个和后轴承壳体的脚中的一个，并且特别地将两个脚连接到床架。
当从上方看时，前轴承壳体包括例如相对于轴的轴线来说的左脚和右脚。前轴承壳体的左脚和右脚都连接到床架，例如螺栓连接到床架。
此外，后轴承壳体也包括例如左脚和右脚。后轴承壳体的左脚和右脚都连接到床架，例如螺栓连接到床架。
例如，加强元件将前轴承壳体的右脚连接到后轴承壳体的右脚，并且将前轴承壳体的右脚和后轴承壳体的右脚都连接到床架。例如，加强元件将前轴承壳体的左脚连接到后轴承壳体的左脚，并且将前轴承壳体的左脚和后轴承壳体的左脚都连接到床架。
在实施例中，轴承装置包括两个加强元件，一个连接两个轴承壳体的右脚，一个连接两个轴承壳体的左脚。此外，右脚和左脚特别地连接到床架。
例如，加强元件是实心的单件元件(即，由一个连续的材料件制成)。
根据实施例，加强元件仅仅在一个平面中延伸，加强元件的平面是水平平面、和/或相对于水平平面以一定角度倾斜的平面（其中轴的轴线以该角度倾斜于水平平面）、和/或在水平平面和倾斜平面之间的平面。
加强元件仅在一个平面中延伸意味着，与加强元件在延伸平面中的延伸相比，加强元件垂直于其延伸平面的延伸较小。例如，加强元件垂直于加强元件的延伸平面的延伸小于加强元件在延伸平面中的延伸的30%、小于20%、小于15%、和/或小于10%。
特别地，加强元件仅在一个平面中延伸意味着，加强元件没有从延伸平面突出出来（例如，从延伸平面向上突出）的部分。即，加强元件与轴的轴线不交叉。
特别地，水平平面是风力涡轮机的水平平面。轴的轴线可以水平定向，或者可以相对于水平平面以倾斜角度倾斜。例如，轴的轴线相对于水平平面的倾斜角度可以在0°和20°之间。
通过使加强元件仅在一个平面中延伸，可以利用加强元件的简单配置实现前轴承壳体、后轴承壳体和床架之间的连接的加固。
根据另一实施例，加强元件仅在一个方向上延伸，并且包括沿其延伸方向变化的横截面。
特别地，加强元件具有细长形状。加强元件的延伸方向特别是在前轴承壳体的一个脚和后轴承壳体的一个脚之间的直连接线。
通过使加强元件仅在一个方向上延伸，加强元件具有简单和重量轻的配置。特别地，加强元件的制造、运输和组装是成本有效和时间有效的。
根据另一实施例，加强元件包括前部和后部。加强元件在其前部处连接到前轴承壳体的一个脚，并且在其后部处连接到后轴承壳体的一个脚。
加强元件的前部和后部特别地包括用于与轴承壳体连接并且特别地与床架连接的孔和/或通孔。
根据另一实施例，加强元件的横截面沿着其延伸方向变化，以便加强元件的中间部分处的横截面面积小于在加强元件的前部处的横截面面积和在加强元件的后部处的横截面面积。
特别地，中间部分布置在前部和后部之间。特别地，中间部分与前部和后部连续。
通过使前部和后部具有较大的横截面，加强元件可以在前部和后部处稳定地连接到轴承壳体。通过使中间部分具有较小的横截面，加强元件可以被配置成更轻。
根据另一实施例，加强元件在中间部分处的横截面的宽度小于在前部处的横截面的宽度和在后部处的横截面的宽度。
通过使前部和后部具有较大的横截面宽度，加强元件可以在前部和后部处更稳定地连接到轴承壳体的脚。
在实施例中，中间部分可以包括在加强元件的宽度方向上的凹部。凹部可以是弯曲的，具有在朝向轴的轴线的方向上的半径。
根据另一实施例，加强元件在中间部分处的横截面的高度等于或大于在前部处的横截面的高度和在后部处的横截面的高度。
根据另一实施例，当从上方看时，加强元件仅相对于轴的轴线横向地布置。
特别地，当从上方观察时，即当相对于风力涡轮机从上方观察时，加强元件不在轴的轴线的上方和/或下方跨过。
通过当从上方看时使加强元件相对于轴的轴线专门横向地布置，加强元件可以更容易地与轴承壳体和床架组装。此外，可以在不移除加强元件的情况下接近轴，例如用于维护工作。
根据另一实施例，轴承装置包括将加强元件紧固到前轴承壳体的一个脚和紧固到床架的第一紧固装置，和/或包括将加强元件紧固到后轴承壳体的一个脚和紧固到床架的第二紧固装置。
通过用同一个第一紧固装置将加强元件紧固到前轴承壳体的一个脚和紧固到床架，提供了加强元件、前轴承壳体和床架的直接连接。类似地，通过用同一个第二紧固装置将加强元件紧固到后轴承壳体的一个脚和紧固到床架，提供了加强元件、后轴承壳体和床架的直接连接。因此，可以实现轴承壳体和床架的更好的加固。
特别地，加强元件包括用于与轴承壳体和床架连接的通孔。例如，加强元件的前部和后部都包括通孔。此外，轴承壳体的一个或多个脚也包括用于与加强元件和床架连接的通孔。加强元件和脚的通孔可以没有螺纹或者可以有螺纹。
根据另一实施例，第一紧固装置和/或第二紧固装置包括螺栓。
替代性地，第一紧固装置和/或第二紧固装置包括螺钉。
根据另一实施例，轴承装置包括覆盖轴同时与轴间隔开的盖结构。盖结构连接到前轴承壳体、后轴承壳体和/或加强元件。
通过具有盖结构，可以保护轴和/或保护工人不受在操作期间旋转的轴的影响。特别地，盖结构可以从上方完全地覆盖所述轴，使得盖结构桥接所述轴并且工人可以从所述轴的左侧跨过所述轴行走到所述轴的右侧，或者反之亦然。
根据另一实施例，前轴承和/或后轴承是球面滚子轴承。
例如，前轴承和/或后轴承是包括两排球面滚子的球面滚子轴承。替代性地，前轴承和/或后轴承是锥形滚子轴承或另一滚子元件轴承。
根据另一实施例，加强元件由铸铁制成。
因此，加强元件便宜地制造。
在实施例中，加强元件由单件制成，即，加强元件一体地形成。
因此，加强元件易于制造和配置为刚性的。
根据另一方面，提供了一种包括如上所述的轴承装置的风力涡轮机。
根据另一方面的另一实施例，风力涡轮机包括转子和发电机。轴承装置的轴将转子与发电机连接。
这包括使用例如收缩盘联接器的联接器将轴联接到齿轮箱的布置。齿轮箱又可通过另一联接器连接到发电机上。因此，轴可以直接或间接地连接到发电机。
本发明的其它可能的实施方式或替代解决方案还包括在上文或下文关于实施例描述的特征的组合，该组合在本文中没有明确提到。本领域技术人员还可以将单独的或独立的方面和特征添加到本发明的最基本形式中。
附图说明
本发明的进一步的实施例、特征和优点从随后的描述和从属权利要求结合附图将变得显而易见，在附图中：
图1示出了根据实施例的风力涡轮机的透视图；
图2示出了图1的风力涡轮机的轴承装置的侧视图；
图3示出了沿主轴的轴线从图2的轴承装置截取的截面图；
图4示出了图2的轴承装置的透视图；
图5以透视图示出了图2的轴承装置的加强元件；以及
图6示出了图2的轴承装置连同盖结构的透视图。
具体实施方式
在附图中，除非另外指出，相同的附图标记表示相同或功能上等同的元件。
图1示出了根据实施例的风力涡轮机1。
风力涡轮机1包括转子2，其连接到布置在机舱4内的发电机3。机舱4布置在风力涡轮机1的塔架5的上端处。
转子2包括例如三个转子叶片6。转子叶片6连接到风力涡轮机1的轮毂7。这种转子2可具有在例如50至160米或甚至更大的范围内的直径。转子叶片6经受高的风负载。因此，高负载作用于将轮毂7连接到发电机3的主轴(在图1中未示出)上。
图2示出了在图1的风力涡轮机1中使用的轴承装置8。在图2中以侧视图示出了轴承装置8。图3示出了轴承装置8的截面图，以及图4示出了轴承装置8的透视图。轴承装置8的床架9仅在图2中被示出，但在图3和4中被省略。
轴承装置8包括主轴10。主轴10将轮毂7连接到联接器11 (图3和4)。联接器11可以是收缩盘联接器。联接器11将主轴10连接到齿轮箱12 (图2)。齿轮箱12连接到发电机3 (图1)。主轴10的轴线由附图标记A表示。
主轴10可以被配置为中空轴(图3)并且可以包括用于连接到轮毂7的凸缘13。
如图3所示，轴承装置8包括可旋转地支撑主轴10的两个主轴承14、15。前轴承14靠近轮毂7布置。后轴承15靠近联接器11和齿轮箱12布置。特别地，两个轴承14、15都位于齿轮箱12的外部并且位于齿轮箱12的逆风处。可以存在集成到齿轮箱内的一些附加轴承(未示出)。齿轮箱12和/或齿轮箱壳体可由连接到床架的两个扭矩臂(未详细示出)支撑。
轴承14、15可以形成为滑动轴承或滚子元件轴承，特别是球面轴承。例如，前轴承14可配置成承载仅从转子叶片传递的径向负载，而后轴承15可配置成承载轴向负载和径向负载两者。
如图2至4中所示，轴承装置8还包括轴承壳体16、17。特别地，前轴承壳体16容纳前轴承14，并且后轴承壳体17容纳后轴承15。
轴承壳体16、17中的每个支撑轴承14、15的相应外圈18 (图3)。相应的内圈19固定到主轴10。在图3中，外圈18和内圈19之间的滚子元件由附图标记20表示。
轴承壳体16、17螺栓连接到床架9，以将负载、特别是非扭转负载从轴10传递到床架9。
特别地，如图4所示，轴承壳体16、17中的每个包括两个脚21、22、23、24。每个脚21、22、23、24都连接到床架9 (图2)。特别地，前轴承壳体16包括右脚21和左脚22，它们每个都螺栓连接到床架9。此外，后轴承壳体17包括右脚23和左脚24，它们每个都螺栓连接到床架9。
轴承装置8的床架9在其下部25 (图2)处连接到偏航轴承(未示出)，该偏航轴承又连接到塔架5 (图1)。通过具有偏转轴承，床架9能够围绕基本上对应于塔架5的竖直轴线的偏航轴线偏航。
理想地，来自轴10的所有非扭转负载经由轴承壳体16、17的相应四个脚21、22、23、24传递到床板9。然而，非常强的风仍然可能引起轴承壳体16、17相对于彼此以及床板9的弯曲力矩。当这种非扭矩负载进入齿轮箱12时，它们例如可能损坏齿轮箱12。
为了加强轴承壳体16、17与床板9的连接，轴承装置8包括两个加强元件26、27。如图4所示，轴承装置8包括当从风力涡轮机1上方看时横向地布置在轴10的右侧上的右加强元件26。此外，轴承装置8包括横向地布置在轴10的左侧上的左加强元件27。加强元件26、27是实心的单件式元件。
图5示出了加强元件26、27中的一者（例如，图4的右加强元件26）的详细视图。加强元件26仅在一个方向E上延伸。加强元件26的横截面沿着延伸方向E在横截面的面积A1、A2、A3和宽度W1、W2、W3方面变化。在该示例中，加强元件26的高度H1、H2、H3沿着延伸方向E是恒定的。W表示加强元件26的宽度方向。加强元件26仅在由延伸方向E和宽度方向W限定的平面P中延伸。这意味着，加强元件26的高度H1、H2、H3比加强元件26在延伸方向E上的长度L小得多。
主轴10的轴线A例如相对于风力涡轮机1的水平平面H倾斜以角度α(图2)。由于图2示出了风力涡轮机1的轴承装置8的侧视图，水平平面H在图2中示出为线H。
加强元件26包括前部28、后部29、以及在前部28与后部29之间的中间部分30。前部28和后部29都包括用于与轴承壳体16、17连接的多个通孔31。
加强元件26的横截面沿着其延伸方向E变化，使得在中间部分30处的横截面的面积A1小于在前部28处的横截面的面积A2和在后部29处的横截面的面积A3。
此外，加强元件26的横截面沿着其延伸方向E变化，使得在中间部分30处的横截面的宽度W1小于在前部28处的横截面的宽度W2和在后部29处的横截面的宽度W3。
在所示的示例中，中间部分30包括沿宽度方向W的凹部32 (图5)。凹部32具有弯曲形状，其在朝向轴的轴线A(图4)的方向上具有曲率半径R。
为了加强轴承壳体16、17与床架9的连接，右加强元件26通过螺栓33连接到前轴承壳体16的右脚21以及连接到床架9。螺栓33插入前部28的通孔31中，并且插入前轴承壳体16的右脚21的通孔(未示出)中。然后，将螺栓33紧固到床板9。类似地，右加强元件26通过螺栓34连接到后轴承壳体17的右脚23以及连接到床架9。
左加强元件27以与右加强元件26类似的方式通过螺栓35、36 (图2)螺栓连接到轴承壳体16、17以及连接到床架9。
加强元件26、27提供轴承装置8的加固，使得显著地减小了由弯曲力矩引起的轴承壳体16、17和床架9的变形。此外，来自转子叶片6的非扭矩负载能够更好地传递到床架9，并且因此不进入齿轮箱12。
轴承装置8还包括盖结构37，如图6所示。盖结构37覆盖主轴10以保护轴10和/或保护工人免受在操作期间旋转的轴10的影响。
盖结构37覆盖轴10而不与轴10接触，使得轴10能够自由旋转。盖结构37连接到前轴承壳体16 (例如，通过螺栓，未示出)、连接到后轴承壳体17 (例如，通过螺栓，未示出)以及连接到加强元件26、27 (例如，通过螺栓38)。盖结构37包括例如穿孔板。盖结构37还可以包括一个或多个台阶39。因此，即使在风力涡轮机的操作期间，工人也能够在盖结构37上行走，并且例如跨过轴10。
尽管已经根据优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所有实施例中都可以进行修改。

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮机(1)的轴承装置(8)，包括：
床架(9)，
轴(10)，其被配置用于将转子(2)与所述风力涡轮机(1)的发电机(3)连接，
前轴承(14)和后轴承(15)，两者均围绕轴的轴线(A)可旋转地支撑轴(10)，
支撑所述前轴承(14)的前轴承壳体(16)，所述前轴承壳体(16)包括连接到所述床架(9)的一个或多个脚(21、22)，
支撑所述后轴承(15)的后轴承壳体(17)，所述后轴承壳体(17)包括连接到所述床架(9)的一个或多个脚(23、24)，以及
加强元件(26、27)，其连接所述前轴承壳体(16)的脚(21、22)中的一个以及所述后轴承壳体(17)的脚(23、24)中的一个；并且
所述轴承装置包括将所述加强元件(26、27)紧固到所述前轴承壳体(16)的一个脚(21、22)以及紧固到所述床架(9)的第一紧固装置(33、35)，和/或包括将所述加强元件(26、27)紧固到所述后轴承壳体(17)的一个脚(23、24)以及紧固到所述床架(9)的第二紧固装置(34、36)。
2.根据权利要求1所述的轴承装置，
其中，所述加强元件(26、27)仅在一个平面(P)中延伸，所述加强元件(26、27)的平面(P)是水平平面(H)、和/或相对于所述水平平面(H)倾斜以角度(α)的倾斜平面、和/或在所述水平平面(H)与所述倾斜平面之间的平面，所述轴的轴线(A)相对于所述水平平面(H)倾斜以所述角度(α)。
3.根据权利要求1或2所述的轴承装置，
其中，所述加强元件(26、27)仅在一个方向(E)上延伸，并且包括沿其延伸方向(E)变化的横截面。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的轴承装置，
其中，所述加强元件(26、27)包括前部(28)和后部(29)，所述加强元件(26、27)在其前部(28)处连接至所述前轴承壳体(16)的一个脚(21、22)，并且在其后部(29)处连接至所述后轴承壳体(17)的一个脚(23、24)。
5.根据权利要求4所述的轴承装置，
其中，所述加强元件(26、27)的横截面沿着其延伸方向(E)变化，使得在所述加强元件(26、27)的中间部分(30)处的横截面的面积(A1)小于在所述加强元件(26、27)的前部(28)处的横截面的面积(A2)和在所述加强元件(26、27)的后部(29)处的横截面的面积(A3)。
6.根据权利要求5所述的轴承装置，
其中，所述加强元件(26、27)在所述中间部分(30)处的横截面的宽度(W1)小于在所述前部(28)处的横截面的宽度(W2)和在所述后部(29)处的横截面的宽度(W3)。
7.根据权利要求5所述的轴承装置，
其中，所述加强元件(26、27)在所述中间部分(30)处的横截面的高度(H1)等于或大于在所述前部(28)处的横截面的高度(H2)和在所述后部(29)处的横截面的高度(H3)。
8.根据权利要求1或2所述的轴承装置，
其中，当从上方看时，所述加强元件(26、27)仅相对于所述轴的轴线(A)横向地布置。
9.根据权利要求1所述的轴承装置，其中，所述第一紧固装置(33、35)和/或所述第二紧固装置(34、36)包括螺栓。
10.根据权利要求1或2所述的轴承装置，包括覆盖所述轴(10)同时与所述轴(10)间隔开的盖结构(37)，所述盖结构(37)连接到所述前轴承壳体(16)、所述后轴承壳体(17)和/或所述加强元件(26、27)。
11.根据权利要求1或2所述的轴承装置，其中，所述前轴承(14)和/或所述后轴承(15)是球面滚子轴承。
12.根据权利要求1或2所述的轴承装置，其中，所述加强元件(26、27)由铸铁制成。
13.一种风力涡轮机(1)，包括根据权利要求1至12中任一项所述的轴承装置(8)。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，包括转子(2)和发电机(3)，其中，所述轴承装置(8)的轴(10)将所述转子(2)与所述发电机(3)连接。
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