CN114270033B - 转子轴承座，以及包含转子轴承座的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于接纳风力涡轮机(100)的转子(120)的转子轴承座(10)，具有圆形塔架连接件(20)以及转子轴承，转子轴承具有彼此间隔开的用于安装转子轴(130)的两个环形轴承(30，40)，其中，环形轴承(30，40)被设计成圆锥滚子轴承且在从上方看时是布置在塔架连接件(20)内，其中，当从上方看时，环形轴承(30，40)的有效轴承中心被布置在塔架连接件(20)之外。

Description

转子轴承座，以及包含转子轴承座的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种用于接纳风力涡轮机转子的转子轴承座，带有圆形塔架连接件以及转子轴承，转子轴承具有两个彼此间隔开的用于接纳转子的环形轴承。本发明还涉及一种风力涡轮机，所述风力涡轮机具有：塔架；布置在所述塔架上的转子轴承座；安装在所述转子轴承座内的转子，所述转子具有转子轴；借助于转子凸缘与转子轴连接的转子毂部；以及与转子毂部相连接的至少一个转子叶片；以及与转子相连的发电机。

背景技术

全球对可再生能源、尤其是风能的需求的增长，以及与具有足够风速的适和风力涡轮机地点的快速减少，一起推动了越来越大型且强力的风力涡轮机的发展。涡轮机性能的增长导致所运输及建造的部件具有越来越大的质量与尺寸，并在许多地点带来了重大的物流挑战。在此方面，此种风力涡轮机的吊舱的宽和高以及总重量越来越频繁地超出道路运输所允许的限值。近海区域内涡轮机性能的稳定增长也需要减小塔架塔顶的质量与尺寸，以进一步降低风力涡轮机的构造、基础结构及架设的成本。

因此，开发新型风力涡轮机的一个目标是始终保持吊舱的质量和尺寸尽可能小，并进一步降低生产成本，以提高风力涡轮机的成本效益。在尺寸、质量可靠性和成本方面，特别是对于大型风力涡轮机，采用低变速箱比的紧凑型变速箱发电机组和中速发电机(混合动力驱动)代表了直接驱动发电机和具有高传动比变速箱的高速发电机的两种传统传动系概念之间的最佳折中。

DE10 2007 012 408已经展示了一种十分紧凑的设计，其中转子轴承、变速箱与发电机在此案例中被布置在风力涡轮机的在转子毂部与塔架塔顶之间的动力流中，且这些部件在损坏的情况下只能通过拆解整个转子和传动系才能被替换，这在这种涡轮机的维护成本方面产生了负面影响，且与此同时，这些部件的壳体需要传递所有的转子负载，这引起了所述的部件的不期望的变形，而这进而会对这些部件的功能与使用寿命产生负面影响，而所述壳体因此必须以特别刚性的方式来设计。

US 8,907,517展示了一种连接到变速箱发电机单元的轴承单元，并且转子的载荷因此不是经由变速箱和发电机的壳体来传输。但是所展示的方案的弊端在于依旧需要借助于多个非圆形的凸缘螺纹面的轴承单元与位于下方的机器托架的连接，并由此造成了轴承单元与机器托架成型不理想，导致了凸缘面中的应力峰值以及对凸缘面与附加螺纹连接件额外的机械加工需求，这造成了尺寸、重量与生产成本的上升。

US 4,527,072展示了一种管状支撑结构，但在其中，变速箱的零件与发电机支撑结构是一体的，并且为了吸收转子所有的力，转子轴承被布置在管状支撑结构前方的独立壳体里。这导致了转子负载的力被不利地引入柱状支撑结构，由于额外需要的凸缘连接件而升高的制造成本，以及变速箱损坏情况下吊舱需要被完全拆解的问题。

最后，CN 201386629 Y通过一种示例，展示了被特别设计为一体的最初所描述的转子轴承座。上述转子轴承座具有圆形塔架连接件，其上布置了水平延伸段，里面容纳了两个互相间隔开的环形轴承，用来接纳转子的转子轴。这种设计的缺点在于，与设计相关的费用空间的结构，这样的结构妨碍了紧凑的风力涡轮机的形成。

发明内容

本发明所解决的问题是创造了一种具有尽可能紧凑与轻质的吊舱设计，并且同时允许现场替换重要的传动系部件而无需从塔架上起吊整个吊舱并将其拆解。

根据本发明，该问题通过具有权利要求1的特征的转子轴承座来解决。该问题也通过具有权利要求8的特征的风力涡轮机来解决。每个从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

本发明的基本概念是将转子轴承座如已知的设计为起到转子轴承单元功能的中央单元，于此同时将吊舱的所有部件彼此连接。其结果是，在其他用于接收吊舱部件的设计中使用的如机械托架、第二轴承座以及发电机座的部件变得多余。

根据本发明，仅一个中央转子轴承座的使用特别地造成风力涡轮机的机械部件的生产与加工成本的大幅降低，且相较于已知的风力涡轮机，产生非常紧凑的设计，同时保持变速箱-发电机单元的模块化和可更换性而无需拆卸转子的整个传动系。

具体地说，两个环形轴承对方位支承件在凸缘连接表面上方的布置保证了传输到轴承中的横向力对转子轴承单元下方结构之中的优化能量转移。所述轴承的距离因此与转子轴承座的下方凸缘连接表面直径基本一样大。

同时因为基本由相交的筒体与锥体组成的形状，而该形状非常有利于转子轴承座内能量的流动，所以转子轴承座内只有特别地低的应力与变形，这使得当与已知的常规方案相比时重量有非常大的减轻。

根据本发明的设计非常紧凑的转子轴承座还使得圆形转子表面与风力涡轮机塔壁间的间距小。优选设计为混合动力驱动的自支承的独立变速箱发电机单元的外壳牢牢地螺接在转子轴承座上，这意味着，用来承载这两个部件重量的额外机械托架或发电机托架以及为了吸收传动系扭矩而布置在齿轮箱外壳两侧的扭矩支承件都可以被省略。

转子轴与变速箱输入轴通过补偿耦合或借助于这两个部件间的固定凸缘连接件而连接在一起。对独立的机械托架与扭矩支承件的省略使得本设计的整体长度与整体宽度相对于其他设计显著减小。

所述转子轴承座螺接在下凸缘连接件的方位轴承上，并借助于方位轴承以可直接转动的方式连接到最上的塔架部分。为了使吊舱的运输宽度最小，方位轴承的直径应尽可能减小。十分紧凑的转子轴承座所导致的圆形转子表面与塔架轴线之间的小间距以及方位轴承尽可能最小的直径，可特别地通过将转子布置成背风转轮的下风结构以及省略主动偏摆系统(自由偏摆或被动偏摆系统)来实现。

下风结构相比于平常的将转子布置成上风转轮的上风结构能达到圆形转子表面与塔架壁间更小的间距，因为在下风结构中，转子叶片在正常运行期间因所施加的风载荷而弯离塔架。

具有主动偏摆系统的上风结构则需要应用围绕塔架竖直轴线的特定扭矩，以使吊舱能主动追踪风向。所产生的风力通常会抵消上述运动方向，即风力不支撑运动方向。当使用主动偏摆系统，所述需要的扭矩必须通过适量的偏摆驱动器以及方位轴承足够大的直径来达到。主动偏摆系统因此妨碍了方位轴承直径如期望的那样最小化。

然而，在特别优选的具有被动偏摆系统的下风结构，不需要围绕塔架的竖直轴产生扭矩来供给吊舱的偏摆系统，因为吊舱是根据风向标原理通过所生成的风载荷来被动追踪的。因此无需偏摆驱动器，并且方位轴承的直径可基于传输的弯距完全按理想的那样定尺寸并最小化。

不过方位制动器仍被安装在所述转子轴承座上，它能向牢固连接在所述塔架上的制动盘提供制动扭矩。为此目的，方位制动器被设计成能令制动扭矩在零到最大值之间调节。因此，在某些运行状态或故障情况下，吊舱方位运动可通过激活方位制动器而被限制为允许值的旋转速度或旋转加速度。此限制对于阻止涡轮机由于过大的偏摆速度或偏摆角度而产生不允许的运行状态来说特别必要，该不允许的运行状态可能导致部件的超载与损坏。

滑环单元将电力与必要的控制信号从转动吊舱传输到静止的塔架。由此，对于具有明确最大允许吊舱回转圈数的主动偏摆系统来说在概念上必要的电缆退卷，在使用上述滑环单元时就不再需要了。

被动偏摆系统会根据平均风速与风的其他参数而产生吊舱位置与平均风向的特定偏差。所述偏差不能由被动偏摆系统像主动偏摆系统中常见的那样来主动修正。通过对转子轴线与塔架竖直轴线之间横向偏移的针对性使用，根据本发明优选的，可以为具有最大发电百分比的预期风速使这种风向偏差最小化。

根据本发明，因此提出了接纳风机涡轮转子的转子轴承座，其中转子轴承座具有圆形塔架连接件以及具有彼此间隔开以用于安装转子轴的两个环形轴承的转子轴承，其中当从上方观察时，环形轴承被布置在塔架连接件中，即，在塔架连接件的周边之内。因此，环形轴承被设计成，当从上方观察时，有效轴承中心被布置在塔架连接件之外。这可以容易地完成，尤其是因为所述环形轴承被设计为圆锥滚子轴承。

所述转子轴承座进一步优选地具有一个基本竖直延伸段，在该竖直延伸段的下侧形成有圆形塔架连接件，并且该竖直延伸段与接纳转子轴承的基本水平延伸段成一体。该竖直段被特别设计成锥体，其中转子轴承座特别优选地由与空心筒体相交的空心锥体构成。

在竖直延伸段，提供了为通过塔架连接件进入转子轴承座的竖直段的第一检修口，以及用于从转子轴承座的竖直段移动到转子轴承座之外区域的第二检修口。这允许紧凑的结构，并且同时提供了从风力涡轮机塔架通过转子轴承座进入由吊舱外壳形成的吊舱内的通道。

另外，与塔架连接件基本成90°地延伸的连接凸缘被优选用于固定发电机机体。

根据另一优选实施例，假象轴线穿过环形轴承有效轴承中心的假想轴线且不穿过塔架连接件的中心点。

相应地，还要求保护一种风力涡轮机，其具有塔架；布置在所述塔架上的如前述地设计的转子轴承座；安装在转子轴承座里的转子，所述转子具有转子轴；由转子凸缘连接到所述转子轴上的转子毂部；以及与所述毂部相连的至少一个转子叶片；以及与所述转子轴相连的发电机。

上述风力涡轮机优选具有布置在塔架顶端并具有可相对转动的两个轴承元件的方位系统，其中所述转子轴承座形成方位系统的上支承元件。

环形轴承之间的距离基本对应于方位系统的区域中塔架上部的直径。尤其是，方位系统的区域中塔架上部的直径最多比环形轴承间的距离大15％。确切地说，方位系统的区域中塔架上部的直径最多比环形轴承间的距离大10％。

根据另一优选实施例，转子凸缘的直径也基本对应于环形轴承之间的间距和/或实质上对应于方位系统的区域中塔架上部的直径。所述转子凸缘的直径与方位系统的区域中塔架上部的直径较佳地相比于环形轴承之间的间距最多大或小15％。转子凸缘的直径和方位系统的区域中塔架上部的直径特别较佳地相比于环形轴承之间的间距最多大或小10％。

此较佳的实施例获得了从转子流入塔架的优化功率。

转子轴线较佳地在塔架中心之外行进，以抵消吊舱相对于风向的倾斜，是该倾斜自被动偏摆系统经由所选几何结构所产生。

转子轴承座的连接凸缘较佳地连接到接纳发电机的发电机机体。转子轴较佳地借助于变速箱连接到发电机。变速箱与发电机特别较佳地被设计为混合驱动器。

另外，方位制动器较佳地布置在转子轴承座上。

最后，根据本发明的风力涡轮机较佳地被设计成背风转轮。

本发明实现了十分紧凑的设计，提升了风力涡轮机的可靠性，且同时确保了在不完全拆解吊舱的情况下对故障风险最高的部件的替换。相较其他传动系构思，这在根据本发明设计的风力涡轮机的投资成本与使用寿命成本方面带来了清晰的优势。

附图说明

下文中将使用如附图所示的特别优选构造的实施例来更详细地描述本发明。它们示出了：

图1特别较佳地配置的风力涡轮机吊舱区域中的示意性剖面图；以及

图2来自图1的风力涡轮机的没有吊舱外壳的立体图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明被特别较佳地构造成背风转轮的风力涡轮机在吊舱区域中的示意性剖面图。

特别较佳地构造的风力涡轮机100具有塔架110；布置在塔架110上的根据本发明构造的转子轴承座10；安装在转子轴承座10里的具有转子轴130的转子120；借助于转子凸缘连接到转子轴130的转子毂部140；和连接到转子毂部140的多个转子叶片150；以及被发电机座160接纳并连接到转子轴130的发电机。

可以清晰地看到，转子轴承座10被设计为具有圆形塔架连接件20，圆形塔架连接件20形成了方位系统的上支承单元。转子轴承座10还容纳两个环形轴承30、40，环形轴承30、40彼此间隔开，并且被设计成圆锥滚子轴承。如剖面图所示，环形轴承30、40被布置在塔架连接件20的周边之内，其中环形轴承30、40被设计成使得环形轴承30、40的有效轴承中心落于塔架的周边之外。

环形轴承30、40之间的距离大约对应于方位系统的区域中的塔架110上部的直径。在此情况下，方位系统的区域中的塔架110上部的直径与环形轴承30、40之间的距离的差相对于环形轴承30、40之间的距离为小于10％。

转子凸缘的直径也基本对应于环形轴承30、40之间的距离，并且还基本对应于方位系统的区域内的塔架110上部的直径。在所描绘的示例中，转子凸缘的直径和方位系统的区域内塔架110上部的直径相对于环形轴承30、40之间的距离的差值相对环形轴承30、40之间的距离为小于±10％。

最后，图2示出了来自图1的风力涡轮机的没有吊舱外壳的立体图。

可以清楚地看到，转子轴承10形成基本竖直延伸段12，在其下侧形成圆形塔架连接件20接纳转子轴承的基本水平延伸段14，该转子轴承10可旋转地安装在被设计成背风转轮的风力涡轮机100的塔架110上。在此情况下，两段12、14被设计为一体的，其中，竖直段12被设计为锥体而水平段14被设计成筒体。特别是，转子轴承座10由与空心筒体14相交的空心锥体12制成。

在竖直延伸段12中，布置了用于通过塔架连接件20进入转子轴承座10的第一检修口，其中，在竖直段12的垂直延伸的壁内设置第二检修口50，用于从转子轴承座10的竖直段12移动到转子轴承座10之外的区域。

最后，还可以从图2中看到，风力涡轮100配备有安装在转子轴承座10上的方位制动器170。

Claims (22)

1.用于接纳风力涡轮机(100)的转子(120)的转子轴承座(10)，具有圆形塔架连接件(20)以及具有彼此间隔开的用于安装转子轴(130)的两个环形轴承(30，40)的转子轴承，

其特征在于，

所述环形轴承(30，40)被设计成圆锥滚子轴承，并且当从上方看时被布置在所述塔架连接件(20)之内，其中当从上方看时，所述环形轴承(30，40)的有效轴承中心被布置在所述塔架连接件(20)之外。

2.如前述权利要求之一所述的转子轴承座(10)，其特征在于，具有基本竖直延伸段(12)，所述圆形塔架连接件(20)形成在所述基本竖直延伸段(12)的下侧上，且所述基本竖直延伸段(12)与接纳所述转子轴承的基本水平延伸段(14)成一体。

3.如权利要求2所述的转子轴承座(10)，其特征在于，所述竖直段(12)被设计为锥体。

4.如权利要求2和3之一所述的转子轴承座(10)，其特征在于，所述转子轴承座(10)由与空心筒体(14)相交的空心锥体(12)形成。

5.如权利要求2和3之一所述转子轴承座(10)，其特征在于，具有：布置在所述竖直延伸段(12)内的第一检修口，所述第一检修口用于通过所述塔架连接件(20)进入所述转子轴承座(10)的所述竖直段(12)；以及设置在所述竖直段(12)的壁内的第二检修口(50)，所述第二检修口(50)用于从所述转子轴承座(10)的所述竖直段(12)移动到所述转子轴承座(10)之外的区域。

6.如权利要求1至3之一所述的转子轴承座(10)，其特征在于，具有用于紧固发电机机体的连接凸缘，所述连接凸缘基本以90°延伸至塔架连接件(20)。

7.如权利要求1至3之一所述的转子轴承座(10)，其特征在于，穿过所述环形轴承(30，40)的有效轴承中心的假想轴线并不行进穿过所述塔架连接件(20)的中心点。

8.风力涡轮机(100)，具有：塔架(110)；布置在所述塔架上的如前述权利要求之一所述的转子轴承座(10)；安装在所述转子轴承座(10)里的转子(120)，所述转子具有转子轴(130)；借助于转子凸缘与所述转子轴(130)连接的转子毂部(140)；以及连接到所述转子毂部(140)的至少一个转子叶片(150)；以及与所述转子轴(130)相连的发电机。

9.如权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，具有方位系统，所述方位系统布置在所述塔架(100)上端，并且具有可相对于彼此旋转的两个环形轴承，其中所述转子轴承座(10)形成了所述方位系统的上支承元件。

10.如权利要求9所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述环形轴承(30，40)之间的距离基本对应于所述方位系统的区域中的所述塔架(110)的上部的直径。

11.如权利要求10所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述方位系统的所述区域中所述塔架(110)的所述上部的直径最多比所述环形轴承(30，40)之间的所述距离大15％。

12.如权利要求10所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述方位系统的所述区域中所述塔架(110)的所述上部的直径最多比所述环形轴承(30，40)之间的所述距离大10％。

13.如权利要求11所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述方位系统的所述区域中所述塔架(110)的所述上部的直径最多比所述环形轴承(30，40)之间的所述距离大10％。

14.如权利要求10至13之一所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述转子凸缘的直径基本对应于所述环形轴承(30，40)之间的距离且/或基本对应于所述方位系统的所述区域中所述塔架(110)的所述上部的直径。

15.如权利要求10至13之一所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转子凸缘的直径与所述方位系统的区域中的所述塔架(110)的所述上部的直径相对于所述环形轴承(30，40)之间的所述距离最多大或小15％。

16.如权利要求10至13之一所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转子凸缘的直径与所述方位系统的所述区域中所述塔架(110)的所述上部的直径相对于所述环形轴承(30，40)之间的距离最多大或小10％。

17.如权利要求8至13之一所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述转子轴线行进在所述塔架的中心之外。

18.如权利要求8至13之一所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述转子轴承座(10)的连接凸缘与接纳发电机的发电机机体(160)相连接。

19.如权利要求8至13之一所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述转子轴(130)借助于变速箱与所述发电机相连。

20.如权利要求19所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述变速箱与所述发电机被设计成混合动力驱动器。

21.如权利要求8至13之一所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，具有布置在所述转子轴承座(10)上的方位制动器(170)。

22.如权利要求8至13之一所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述风力涡轮机(100)被设计成背风转轮。