CN112780489B - 一种变桨轴承及延长变桨轴承的使用寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变桨轴承及延长变桨轴承的使用寿命的方法，包括：确定变桨轴承的内圈与受力部件之间的转速差，其中内圈用于与风力发电机叶片连接；以及使内圈与受力部件相对转动一定角度，使得受力部件的负载改变。此外，本发明还涉及一种变桨轴承，该变桨轴承改变变桨轴承的受力部件的负载。通过本发明，可以极大地降低变桨轴承的同一受力部件始终处于重载区域的概率，由此极大地提高变桨轴承的寿命。

Description

一种变桨轴承及延长变桨轴承的使用寿命的方法
技术领域
本发明总得来说涉及风力发电领域，具体而言，涉及一种变桨轴承，此外，本发明还涉及一种延长变桨轴承的使用寿命的方法。
背景技术
近年来，随着各国对环境的重视度提高，清洁能源领域呈现出快速发展的趋势。清洁能源作为一种新型能源，与传统化石燃料相比具有分布广泛、可再生、环境污染小等优点。作为清洁能源的代表，风力发电机的应用日益增长。
风力发电机(或简称风机)的一种重要部件是变桨轴承，其作用是调节风力发电机叶片与叶片旋转平面之间的夹角，以便由此调整风力发电机叶片迎风角度，进而提高风机功率。一般而言，变桨轴承的更换需要拆卸风力发电机叶片并且更换完成后再吊装风力发电机叶片，而风力发电机叶片动辄长达几十米、如30米、重达几百千克，因此如果要更换变桨轴承，其成本是较高的且存在一定危险性。因此，如何提高变桨轴承的寿命是业内关注的一个问题。
发明内容
本发明的任务是，提供一种变桨轴承及延长变桨轴承的使用寿命的方法，该方法和/或该变桨轴承致力于改变变桨轴承的受力部件的负载，可以极大地降低变桨轴承的同一受力部件始终处于重载区域的概率，由此极大地提高变桨轴承的寿命。
在本发明的第一方面，前述任务通过一种变桨轴承来解决，该变桨轴承包括：
控制器，其被配置为执行下列动作：
根据下列公式生成控制信号；
Figure BDA0002988720600000011
Figure BDA0002988720600000021
其中nm为保持架与滚珠的组合的转速，ni为内圈或风力发电机叶片转速，D为滚珠的直径，α为接触角，dm为滚动体分布圆直径；以及
执行器，其被配置为根据所述控制信号使内圈与受力部件相对转动一定角度，所述受力部件包括下列各项至少之一：变桨轴承的滚珠、以及变桨轴承的保持架。
控制器例如可以用软件、硬件、固件或其组合来实现，而执行器例如可以利用轮毂中的用于转动风力发电机叶片的马达来实现，也就是说，可以通过转动风力发电机叶片来转动内圈。
在本发明的一个优选方案中规定，控制器根据公式确定变桨轴承的内圈绕变桨轴承的旋转轴的转速与受力部件绕变桨轴承的旋转轴的转速之间的转速差，以使得该受力部件不再处于重载区域，其中所述重载区域是受到风力发电机叶片的最大重力负载的区域，其中内圈用于与风力发电机叶片连接，根据所述转速差生成控制信号，使得受力部件的负载改变。
在本发明的第二方面，该任务通过一种延长变桨轴承的使用寿命的方法来解决，该方法包括下列步骤：
根据下列公式使内圈与受力部件相对转动一定角度，其中所述受力部件包括保持架和滚珠：
Figure BDA0002988720600000022
Figure BDA0002988720600000023
其中nm为保持架和滚珠的组合的转速，ni为内圈转速，D为滚珠的直径，α为接触角，dm为滚动体分布圆直径。
在本发明的一个优选方案中规定，确定变桨轴承的内圈绕变桨轴承的旋转轴的转速与受力部件绕变桨轴承的旋转轴的转速之间的转速差，其中内圈用于与风力发电机叶片连接；以及使内圈与受力部件相对转动一定角度，使得受力部件的负载改变。其中，使受力部件的负载改变所采用方式可以是，使得该受力部件不再处于重载区域，其中所述重载区域是受到风力发电机叶片的最大重力负载的区域。
在此应当指出，措辞“变桨轴承的内圈绕变桨轴承的旋转轴的转速与受力部件绕变桨轴承的旋转轴的转速之间的转速差”是指，变桨轴承的内圈绕变桨轴承的旋转轴的转速与受力部件绕变桨轴承的旋转轴的转速之差。所述转速例如可以包括线速度和角速度。另外，本发明人发现，诸如滚珠和保持架之类的受力部件与内圈之间的速度差与内圈的转速是相关的，因此在使内圈转动一定角度以后，即可实现受力部件与内圈之间的所期望的相对转动角度。另外，应当指出，本发明中的术语“内圈”和“外圈”仅仅是用于区分而未限定两个圈体的内外布置关系；相反，其中内圈是指与风力发电机叶片连接的可转动的圈体，而外圈则是固定到轮毂的不可转动的圈体，因此在一些实施例中，内圈可能布置在外圈之外也可能布置在外圈之内，但是这些场景都落入本发明的范围。
在本发明的一个优选方案中规定，所述受力部件包括下列各项至少之一：变桨轴承的滚珠、以及变桨轴承的保持架。滚珠和保持架是变桨轴承的受力较大且容易损坏的部件，因此如果使这些部件不始终处于重载区域，则可以极大地提高变桨轴承的寿命。应当指出，本发明的受力部件并不局限于滚珠和保持架，而是在其它变桨轴承结构的情况下还可以涵盖变桨轴承的内圈与外圈之间的其它部件以及也可以包括外圈的各受力区段。
在本发明的一个扩展方案中规定，确定变桨轴承的内圈绕变桨轴承的旋转轴的转速与受力部件绕变桨轴承的旋转轴的转速之间的转速差包括：
根据变桨轴承的规格参数计算滚珠和/或保持架与内圈的风力发电机叶片之间的转速差。通过该扩展方案可以简单地确定转速差。其它的转速差确定方式也是可设想的，例如：通过速度传感器进行转速测量；通过压力传感器进行压力测量，由此确定受力部件的角位置；通过接近传感器确定受力部件的位置，由此确定转速差，等等。
在本发明的另一扩展方案中规定，使内圈与受力部件相对转动一定角度，使得受力部件的负载改变包括下列步骤：
确定当前受到最大负载的受力部件；以及
使内圈与所述受到最大负载的受力部件相对转动一定角度，使得所述受到最大负载的受力部件不再为受到最大负载的受力部件。
在本发明的一个优选方案中规定，所述角度为120°至140°。通过该优选方案，可以以较小的转动角度，将受力部件有效地移出重载区域。
在本发明的一个扩展方案中规定，使内圈与受力部件相对转动一定角度，使得受力部件的负载改变包括：
使内圈与受力部件相对转动一定角度，使得该受力部件不再处于重载区域，其中所述重载区域是受到风力发电机叶片的最大重力负载的区域。
在本发明的另一扩展方案中规定，所述方法定期执行。
此外，本发明还还涉及一种风力发电机，其包括根据本发明的变桨轴承。
本发明至少具有如下有益效果：本发明人通过研究获得如下独特洞察：变桨轴承的寿命主要由其诸如滚珠和保持架之类的受力部件决定，而风力发电机叶片的变桨范围始终是0°到90°，这导致变桨轴承工作方式为摆动，因此有部分滚珠、保持架始终处于重载区域工作，这会降低变桨轴承的寿命；本发明人同时发现，诸如滚珠和保持架之类的受力部件与内圈之间的速度差与内圈的转速是相关的，因此在使内圈转动一定角度以后，即可实现受力部件与内圈之间的所期望的相对转动角度，由此本发明利用变桨轴承滚珠、保持架组合与内圈的转速差，在转动内圈(风力发电机叶片)若干角度后，可实现滚珠、保持架组合相对内圈(风力发电机叶片)转动一定角度，通过例如每隔一段时间实施该方案，可实现了诸如滚珠、保持架之类的受力部件在服役期间均匀受载，由此有效延长变桨轴承的使用寿命。
附图说明
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1示出了风力发电机的变桨轴承的俯视图；以及
图2A至2B示出了根据本发明的方案的原理。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
在本发明中，控制器可以用软件、硬件或固件或其组合来实现。控制器既可以单独存在，也可以是某个部件的一部分。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1示出了风力发电机的变桨轴承100的俯视图。
如图1所示，变桨轴承100包括内圈101和外圈102。风力发电机叶片(未示出)通过螺栓与变桨轴承的内圈101连接，变桨轴承的内圈101与外圈102通过滚珠103的四点接触连接并传递载荷。在此应当指出，术语“内圈”和“外圈”仅仅是用于区分而未限定两个圈体的内外布置关系；相反，内圈是指与风力发电机叶片连接的可转动的圈体，而外圈则是固定到轮毂的不可转动的圈体，因此在一些实施例中，内圈可能布置在外圈之外也可能布置在外圈之内，但是这些场景都落入本发明的范围。在此，内圈101由于与风力发电机叶片连接，因此可以转动以用于调节风力发电机叶片的桨角、即风力发电机叶片与叶片旋转平面之间的夹角。从图1可以看出，由于风力发电机叶片存在较大重力且变桨轴承未处于水平方向(一般随着轮毂的转动而处于不同平面)，因此变桨轴承的一些部件(如滚珠和用于保持滚珠的保持架)可能处于载荷较大的区域，而另一部件则处于载荷较小的区域。
图2A至2B示出了根据本发明的方案的原理。
如图2A所示，本发明人通过研究获得如下独特洞察：变桨轴承的寿命主要由其诸如滚珠103和保持架104之类的受力部件决定，而风力发电机叶片的变桨范围始终是0°到90°，这导致变桨轴承工作方式为摆动，因此有部分滚珠103、保持架始104终处于重载区域工作，这会降低变桨轴承的寿命；本发明人同时发现，诸如滚珠103和保持架104之类的受力部件与内圈101之间的速度差与内圈101的转速是相关的(具体见下面的描述)，因此在使内圈101转动一定角度以后，即可实现受力部件滚珠103和保持架104与内圈101之间的所期望的相对转动角度，由此本发明利用变桨轴承的滚珠103、保持架104组合与内圈101的转速差，在转动内圈101(或风力发电机叶片)若干角度后，可实现滚珠103、保持架104组合相对内圈(风力发电机叶片)转动一定角度，由此改变各受力部件的受力分布。通过例如每隔一段时间实施该方案，可实现了诸如滚珠103、保持架104之类的受力部件在服役期间均匀受载，由此有效延长变桨轴承的使用寿命。
参见图2B，滚珠103和保持架104与内圈101之间的速度差与内圈101的转速具有如下关系：
Figure BDA0002988720600000061
Figure BDA0002988720600000062
其中nm为保持架104与滚珠104的组合的转速,ni为内圈101或风力发电机叶片转速，D为滚珠103的直径，α为接触角，dm为滚动体分布圆直径。
经研究发现，每隔一段时间，将保持架104、滚珠103的组合相对内圈101或风力发电机叶片每次转动140-160度，可以有效地避免相同几个滚珠始终处于重载区域。
以变桨轴承55.2430为例，滚珠直径为55mm，滚道分布圆直径为2430，γ＝0.016，nm与ni速比为0.4920。当变桨轴承的内圈(风力发电机叶片)转动9整圈时，滚珠与保持架组合转到4.43圈，滚珠与保持架相对内圈(风力发电机叶片)转动154°。以每两年实施一次为例，在20年运行中。滚珠与保持架同一部位在重载区域的时间缩短了9倍，能极大延长变桨轴承的使用寿命。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (8)

1.一种变桨轴承，包括：
控制器，其被配置为执行下列动作：
根据下列公式确定变桨轴承的内圈绕变桨轴承的旋转轴的转速与受力部件绕变桨轴承的旋转轴的转速之间的转速差，以使得该受力部件不再处于重载区域，其中所述重载区域是受到风力发电机叶片的最大重力负载的区域，其中内圈用于与风力发电机叶片连接，根据所述转速差生成控制信号，使得受力部件的负载改变；
控制器用软件、硬件、固件或其组合来实现，而执行器利用轮毂中的用于转动风力发电机叶片的马达来实现，通过转动风力发电机叶片来转动内圈；
根据转速差生成控制信号；
Figure FDA0003300463720000011
Figure FDA0003300463720000012
其中nm为保持架与滚珠的组合的转速，ni为内圈或风力发电机叶片转速，D为滚珠的直径，α为接触角，dm为滚动体分布圆直径；以及
执行器，其被配置为根据所述控制信号使内圈与受力部件相对转动一定角度，其中所述受力部件包括保持架和滚珠。
2.一种延长变桨轴承的使用寿命的方法，包括：
根据下列公式确定变桨轴承的内圈绕变桨轴承的旋转轴的转速与受力部件绕变桨轴承的旋转轴的转速之间的转速差，
根据转速差生成控制信号，以使内圈与受力部件相对转动一定角度，使得受力部件的负载改变，以使得该受力部件不再处于重载区域，其中所述重载区域是受到风力发电机叶片的最大重力负载的区域；
所述转速包括线速度和角速度；其中所述受力部件包括保持架和滚珠：
Figure FDA0003300463720000021
Figure FDA0003300463720000022
其中nm为保持架和滚珠的组合的转速，ni为内圈转速，D为滚珠的直径，α为接触角，dm为滚动体分布圆直径。
3.根据权利要求2所述的方法，其中内圈用于与风力发电机叶片连接。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定变桨轴承的内圈与受力部件之间的转速差包括：
根据变桨轴承的规格参数计算滚珠和/或保持架与内圈的风力发电机叶片之间的转速差。
5.根据权利要求2所述的方法，其中使内圈与受力部件相对转动一定角度，使得受力部件的负载改变包括下列步骤：
确定当前受到最大负载的受力部件；以及
使内圈与所述受到最大负载的受力部件相对转动一定角度，使得所述受到最大负载的受力部件不再为受到最大负载的受力部件。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述角度为120°至140°。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述方法定期执行。
8.一种风力发电机，包括根据权利要求1所述的变桨轴承。
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