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CN105041872B - 风力涡轮机的增强变桨轴承 - Google Patents

风力涡轮机的增强变桨轴承 Download PDF

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CN105041872B CN201510182995.2A CN201510182995A CN105041872B CN 105041872 B CN105041872 B CN 105041872B CN 201510182995 A CN201510182995 A CN 201510182995A CN 105041872 B CN105041872 B CN 105041872B
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Abstract

本发明涉及一种包括第一增强板(31)和第二增强板(32)的风力涡轮机(10)的增强变桨轴承(30)。所述变桨轴承(30)包括外轴承环(33)和内轴承环(34)，其中两个轴承环(33,34)彼此同轴布置，因此包括公共的对称轴线(35)。第一增强板(31)布置在所述变桨轴承(30)的第一轴向端并且第二增强板(32)布置在所述变桨轴承(30)的第二轴向端。轴向端相对于公共的对称轴线(35)而限定。本发明还涉及一种风力涡轮机(10)以及一种增强风力涡轮机(10)的变桨轴承(30)的方法。

Description

风力涡轮机的增强变桨轴承
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的变桨轴承，其具有相比风力涡轮机的现有变桨轴承改进的刚度。此外，本发明涉及一种包括这样的变桨轴承的风力涡轮机。最后，本发明涉及一种增强风力涡轮机的变桨轴承的方法。
背景技术
大型的工业型横轴风力涡轮机通常包括桨距调节装置以用于控制其转子叶片相对于风的引入气流的取向。相比转子叶片刚性地固定到风力涡轮机的桨毂的失速调节型风力涡轮机，在桨距调节型风力涡轮机中，转子叶片可枢转地安装到桨毂。这样的优点是，转子叶片相对于引入气流的取向可被选择，从而优化由风力涡轮机生成的电力的量。
通常，转子叶片经由轴承安装到桨毂，该轴承包括内轴承环和外轴承环。轴承可以是滚柱轴承，例如锥形的滚柱轴承。
随着风力涡轮机变得越来越大，并且因此转子叶片变得越来越大，从转子叶片经由变桨轴承传递到桨毂的力也增加。因此，变桨轴承的增强是有利的。
为了增强变桨轴承，欧洲专利申请EP 2045464 A2公开了一对增强板。这些增强板相对于内轴承环布置成使得它们构建三明治式封闭结构。
然而，变桨轴承的(特别是内轴承环和/或外轴承环的)变形可能仍会在极大的力施加到变桨轴承时发生。
因此，有利的是提供一种具有进一步提高的刚度的变桨轴承。
该目的由本发明的技术方案实现。本说明书描述了本发明的有利的改进形式和修改。
发明内容
根据本发明，提供了一种风力涡轮机的增强变桨轴承，其包括第一增强板和第二增强板。变桨轴承包括外轴承环和内轴承环，由此，两个轴承环彼此同轴地布置，从而包括公共的对称轴线。第一增强板布置在变桨轴承的第一轴向端处，并且第二增强板布置在变桨轴承的第二轴向端处。轴向端相对于公共的对称轴线而限定。增强板布置成彼此基本上平行，并且变桨轴承包括用于增强的另外的装置，由此，另外的装置布置在第一增强板和第二增强板之间。
风力涡轮机涉及能将风能(即，来自风的动能)转化为机械能的装置，该机械能随后用来发电。风力涡轮机也指风力发电站。
风力涡轮机的转子叶片也指风力涡轮机转子叶片。
增强板具有板的形状，这意味着其横向延伸显著大于其厚度。由于外轴承环和内轴承环均具有优选地环形的形状，在一个优选实施例中，增强板具有圆柱体的形状。换言之，增强板的横截面在变桨轴承的俯视图中为圆形。
有利地，增强板构造和布置成使得其外界线与内轴承环的外界线重合。
内轴承环和外轴承环彼此同轴地布置。这意味着内轴承环和外轴承环的旋转对称轴线重合。因此，两个轴承环具有公共的对称轴线。当转子叶片安装到风力涡轮机的桨毂时，变桨轴承的该公共的对称轴线与称为转子叶片的桨距轴线的轴线重合。转子叶片的桨距轴线通常被认为是围绕其进行转子叶片的桨距调节移动的轴线。
第一轴向端可归因于由在轴向方向上的变桨轴承的端部限定的变桨轴承，由此轴向是指变桨轴承的公共的对称轴线。同样，第二轴向端可归因于由在轴向方向上的变桨轴承的第二端部限定的变桨轴承，由此第一轴向端与第二轴向端相对。由于第一增强板布置在变桨轴承的第一轴向端并且第二增强板布置在变桨轴承的第二轴向端，整个构型可被描述为三明治式构型。换言之，两个增强板闭合内轴承环，因此产生由内轴承环和两个增强板的内表面围绕的中空空间。
第一增强板和第二增强板导致变桨轴承的刚度的显著增加。然而，当高负载施加到风力涡轮机时，仍然会发生变桨轴承的变形或其它损坏。本发明的关键方面是在第一增强板和第二增强板之间的中空空间中引入用于增强的另外的装置。
用于增强变桨轴承的另外的装置可有利地具有铸铁、钢、碳纤维、芳族聚酰胺纤维和/或这些材料的组合。
还应指出的是，不同于板的形状的不同形状也是可能的。还应指出的是，另外的装置和增强板的备选联接也是可能的。
如上所述的增强变桨轴承的优点是，在仍然保持高疲劳极限的同时，大直径的变桨轴承是可能的。
所描述的增强变桨轴承的另一个优点是，外轴承环和内轴承环可保持相对较薄，从而节约用于轴承环的昂贵的材料，同时变桨轴承由可由单独的材料制成的单独的装置增强。
特别地，弯曲应力的减小可以改善螺栓的疲劳储备因数并且因此减小在极端负载下在叶片螺栓中的总应力。关于增强变桨轴承相比常规变桨轴承的调查已表现出叶片螺栓的总应力中的2%和10%之间的减少。
经由另外的装置联接两个增强板的另一个优点是：如果发生变桨轴承在极端负载下的变形，另外的装置引起三明治式增强板的减少的变形。
在一个有利的实施例中，第一增强板和第二增强板由用于增强变桨轴承的另外的装置以使得变桨轴承的刚度增加的方式联接。
联接另外的装置与两个增强板的优点在于，力从变桨轴承的一侧向另一侧的传递得以确保。在另外的装置和增强板之间的连接必须小心进行，以便确保连接足够稳定以经受作用于其上的负载。应当指出，风力涡轮机在超过20或甚至25年的寿命期内在恶劣条件下操作。
在另一个有利的实施例中，第一增强板和/或第二增强板基本上垂直于公共的对称轴线。
由于大部分相关的力作用在基本上平行于变桨轴承的公共的对称轴线的方向上，即，沿着桨距轴线作用，因此有利的是将增强板放置成基本上垂直于公共的对称轴线，以便使对抗变桨轴承的变形的阻力最大化。当增强板附接到内轴承环的上表面和下表面时，因此有利的是内轴承环包括为平面且基本上垂直于公共的对称轴线的上表面和下表面。
在另一个有利的实施例中，第一增强板和/或第二增强板附接到内轴承环。
优选地，增强板附接到内轴承环，使得它们完全覆盖内轴承环的上表面和下表面。因此，最佳连接和在内轴承环与增强板之间的力的最佳传递得以确保。
在另一个有利的实施例中，每个增强板包括至少一个开口用以接近安装到变桨轴承的风力涡轮机转子叶片的内部。
在组装风力涡轮机期间，特别是在将风力涡轮机转子叶片安装和附接到桨毂期间，有利的是维护人员能接近风力涡轮机转子叶片的内部。这可以由在风力涡轮机转子叶片的罩壳中的开口来实现。然而，以特别高效且有利的方式，这通过在两个增强板中的开口来实现。因此，用于机器或甚至用于人的至少一个通路是有利的。对于在实践中直径可能容易超过几米的大型变桨轴承来说，增强板中的若干开口可能是有利的。
在另一个有利的实施例中，用于增强变桨轴承的另外的装置包括在增强板之间直立放置的至少一个板。
用于增强变桨轴承的另外的装置在其具有直立放置在增强板之间的板的形状时是特别有利的，因为由此实现了刚度的最佳增加。板的形状也是有利的，因为它结合了另外的装置的最小重量和体积与高刚度的提供。另外的装置的最小体积是有利的，因为它使变桨轴承的重量、提供另外的装置所需的材料和因此增强变桨轴承的成本最小化。
应当指出，在增强板之间的直立放置必须理解为包括侧向延伸部和厚度的板相对于增强板布置成使得另外的装置的侧向延伸部基本上垂直于增强板的侧向延伸部。这具有进一步的优点，即，必须提供另外的装置的最小的侧向延伸部。例如，与备选布置相比，其中，另外的装置相对于增强板取向成显著不同于90度的角度。
在另一个有利的实施例中，另外的装置包括彼此相对放置的至少两个板。
有利的是提供若干板，以便进一步提高变桨轴承的刚度。
还有利的是将另外的装置分裂成若干单独的板，这导致另外的装置的制造的便利、运输的便利，并且提供了将另外的装置布置在两个增强板之间的空间之间的更大的灵活性。
还可以在增强板之间提供多于两个板，例如四个板。这四个板可以例如布置成使得它们将包括盘形形状的横截面分割成四个相同的部分或部段。
在另一个有利的实施例中，用于增强变桨轴承的另外的装置沿着内轴承环的内表面延伸。
换言之，另外的装置也可具有中空圆柱体的至少一部分的形状。另外的装置可被理解为或者可构造成使得它们代表构建变桨轴承的第三环形物体。换言之，另外的装置可代表外径刚好略小于内轴承环的内径的第二内轴承环。
因此，在一个优选实施例中，另外的装置具有环形形状并且相对于内轴承环同轴地布置。
在另一个有利的实施例中，另外的装置栓接到增强板。
原理上，另外的装置可以以各种方式连接到增强板。然而，由于有利的是实现在另外的装置和增强板之间的稳定且耐久的连接，栓接连接是优选选择。然而，应当指出，在原理上，由粘合剂或由销或类似物实现的连接也是可以的。
可能有利的是使用横贯第一增强板、用于增强变桨轴承的另外的装置和第二增强板的螺栓。因此，优选地提供足够长的螺栓。
在另一个有利的实施例中，另外的装置栓接到风力涡轮机转子叶片的叶根。
风力涡轮机转子叶片在原理上包括叶根和叶叶根段，其中叶根部段围绕叶根。在一个备选方案中，桨毂附接并连接到外轴承环，并且转子叶片连接到内轴承环。
在任何情况下，可能有利的是，另外的装置栓接到风力涡轮机转子叶片的叶根，由此直接且牢固地互连这两个部件。
示例性地，螺栓横贯另外的装置和第一增强板且随后进入风力涡轮机转子叶片的叶根部段。将风力涡轮机转子叶片的叶根与另外的装置互连的所描述的螺栓连接可与另外的装置和增强板之间的栓接连接结合。
这具有提供特别稳定且耐久的连接的优点。
本发明还涉及一种风力涡轮机，其包括至少一个风力涡轮机转子叶片、桨毂和根据所描述的实施例之一的至少一个变桨轴承，其中，变桨轴承可枢转地连接风力涡轮机转子叶片与桨毂。
有利地，风力涡轮机的所有风力涡轮机转子叶片均配有这样的增强变桨轴承。这样的优点是，力和疲劳极限相对于由风力涡轮机包括的所考虑的风力涡轮机转子叶片同等地分布。
此外，本发明涉及一种用于增强风力涡轮机的变桨轴承的方法，其中，变桨轴承包括外轴承环和内轴承环，由此这两个轴承环彼此同轴布置，因此包括公共的对称轴线。
该方法包括以下步骤：
- 将第一增强板附接到变桨轴承的第一轴向端并且将第二增强板附接到变桨轴承的第二轴向端，其中轴向端相对于公共的对称轴线而限定，并且增强板布置成彼此基本上平行；以及
- 将用于增强变桨轴承的另外的装置附接到第一增强板和第二增强板之间。
不同附接步骤的次序可以以各种方式执行。可能有利的是，首先将第一增强板附接到例如内轴承环，随后将另外的装置附接到第一增强板，并且最后将第二增强板附接到另外的装置和内轴承环。
备选地，也可能有利的是首先将两个增强板附接到变桨轴承的剩余部分并且随后引入并连接另外的装置。这可以经由增强板的一个或多个开口进行。
附图说明
现在仅以举例方式参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了带有桨距调节的风力涡轮机转子叶片的风力涡轮机；
图2示出了带有增强变桨轴承的风力涡轮机的桨毂；
图3示出了包括四个增强板的增强变桨轴承，这四个增强板直立地布置在第一增强板和第二增强板之间；
图4示出了没有轴承环的图3的详图；
图5示出了具有环形形状的用于增强变桨轴承的另外的装置；以及
图6示出了具有C形形状的用于增强变桨轴承的另外的装置。
附图中的图示是示意图形式的。应当指出，在不同的图中，类似或相同的元件可具有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中，示出了风力涡轮机10。风力涡轮机10包括机舱12和塔架11。机舱12安装在塔架11的顶部处。机舱12借助于偏航轴承相对于塔架11可旋转地安装。机舱12相对于塔架11的旋转轴线被称为偏航轴线。
风力涡轮机10也包括带有一个或多个转子叶片20的桨毂13。优选地，风力涡轮机10包括三个转子叶片20。桨毂13借助于主轴承相对于机舱12可旋转地安装。桨毂13围绕转子旋转轴线14可旋转地安装。
风力涡轮机10还包括主轴，该主轴连接桨毂13与发电机15的转子。如果桨毂13直接连接到转子，风力涡轮机被称为无齿轮式直驱风力涡轮机。备选地，桨毂13也可经由齿轮箱连接到转子。这种类型的风力涡轮机通常被称为齿轮式风力涡轮机。
发电机15容纳在机舱13内。发电机包括转子和定子。发电机15布置和制备成用于将来自转子的旋转能转化成电能。
在图1的具体示例中，风力涡轮机10包括三个转子叶片20(其中在图1中描绘了两个转子叶片20)。转子叶片20借助于变桨轴承30相对于桨毂13可旋转地安装。转子叶片20可因此被变桨，以便优化其相对于冲击在风力涡轮机10上的风流的取向。
此外，应当指出，转子叶片20各自包括叶根部段22和叶尖部段21。叶根部段是指转子叶片20最靠近桨毂13和变桨轴承30的部分。叶尖部段21是指转子叶片20最远离叶根部段22的部分。
在图2中，描绘了风力涡轮机的桨毂13。桨毂13包括三个变桨轴承30，其中描绘了一个变桨轴承30。此外，桨毂13包括用于主轴承的另一个大开口，桨毂通过主轴承连接到机舱。
可以看出，变桨轴承30包括外轴承环33和内轴承环34。这两个轴承环33、34彼此同轴布置。外轴承环33经由多个螺栓(未示出)牢固地互连到桨毂13。同样，内轴承环34提供了多个孔(未示出)，用于将内轴承环34与转子叶片的叶根部段牢固地互连的螺栓可在所述多个孔中执行。
在面向桨毂13的内部的变桨轴承30的端部处，附接有第一增强板31。第一增强板31包括盘形形状。第一增强板还包括多个开口36，以用于在桨毂13的内部和旨在安装到变桨轴承30的转子叶片20的内部之间提供通路。应当指出，第一增强板31包括一个开口36，该开口足够大，以允许维护人员爬过并接近转子叶片的内部。
图2示出了用于增强变桨轴承30的另外的装置的具体实施例。另外的装置包括第一板401、第二板402、第三板403和第四板404。
这四个板同等地分布在第一增强板31的表面上。它们具有板的形状并且直立地取向，即，相对于第一增强板31呈基本上90度的角度。因此，实现了变桨轴承30的特别坚实而稳固的构造。
在图3中，更详细地示出了增强变桨轴承30。可以很清楚地看到两个增强板31、32的三明治式构造。两个增强板31、32彼此平行。可以看到，另外的装置40直接连接到两个增强板31、32。还可以看到，内轴承环34包括在第一轴向端处的上表面和在第二轴向端处的下表面，其中轴向端是指两个轴承环34、33的公共的对称轴线35。增强板31、32与内轴承环34的外表面齐平。换言之，增强板31、32分别完全覆盖内轴承环34的上表面和下表面。
图4示出了与图3中所示的增强变桨轴承相同的实施例，且不带有内轴承环34和外轴承环33。
图5示出了增强变桨轴承的另一个实施例。同样，可以看到内轴承环34和外轴承环33。这两个轴承环33、34彼此同轴布置。变桨轴承被第一增强板31和第二增强板32增强。变桨轴承被加强块进一步增强，该加强块充当用于增强变桨轴承的另外的装置40。另外的装置40由多个同等地分布的螺栓41附接到增强板31、32。最后，可以看到转子叶片的叶根部段22的一部分。转子叶片的叶根部段22由螺栓41栓接到内轴承环34，螺栓41横贯第二增强板32、内轴承环34和第一增强板31。
在图6中，示出了增强变桨轴承的另一个实施例。该实施例类似于图5中所示实施例。然而，在图6的实施例中，用于增强变桨轴承的另外的装置40具有类似于C形的横截面。换言之，另外的装置40在内轴承环34和增强板31、32之间延伸。
这样的优点是，其进一步提高了变桨轴承的刚度。同样，另外的装置借助于多个螺栓41附接到剩余的变桨轴承，其中第一组螺栓另外的装置40与两个增强板31、32，并且第二组螺栓41连接内轴承环34、两个增强板31、32与转子叶片的叶根部段22。
虽然已参照优选实施例详细描述了本发明，但应当理解，本发明不受所公开的示例限制。事实上，在不脱离本发明的范围的前提下，可由本领域的技术人员对这些示例进行许多附加的修改和变型。
还应当指出，贯穿本申请，“一个”或“一种”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或元件。结合不同的实施例描述的元件也可被组合。还应当指出，权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种包括第一增强板(31)和第二增强板(32)的风力涡轮机(10)的增强变桨轴承(30)，其中
- 所述变桨轴承(30)包括外轴承环(33)和内轴承环(34)，其中，两个轴承环(33, 34)彼此同轴布置，因此包括公共的对称轴线(35)，
- 所述第一增强板(31)布置在所述变桨轴承(30)的第一轴向端，并且所述第二增强板(32)布置在所述变桨轴承(30)的第二轴向端，所述轴向端相对于所述公共的对称轴线(35)而限定，
- 所述增强板(31, 32)布置成彼此平行，
- 所述第一增强板(31)和/或所述第二增强板(32)附接到所述内轴承环(34)，并且
- 所述变桨轴承(30)包括用于增强的另外的装置(40)，所述另外的装置(40)布置在所述第一增强板(31)和所述第二增强板(32)之间，
其特征在于
两个增强板(31, 32)由用于增强所述变桨轴承(30)的所述另外的装置(40)联接，使得所述变桨轴承(30)的刚度增加。
2.根据权利要求1所述的变桨轴承，其中，所述第一增强板(31)和/或所述第二增强板(32)垂直于所述公共的对称轴线(35)。
3.根据权利要求1或2所述的变桨轴承，其中，每个增强板(31, 32)包括至少一个开口(36)用以接近安装到所述变桨轴承(30)的所述风力涡轮机(10)的转子叶片(20)的内部。
4.根据权利要求1或2所述的变桨轴承，其中，用于增强所述变桨轴承(30)的所述另外的装置(40)包括直立地置于所述增强板(31, 32)之间的至少一个板。
5.根据权利要求1或2所述的变桨轴承，其中，所述另外的装置(40)包括放置成彼此相对的至少两个板。
6.根据权利要求1或2所述的变桨轴承，其中，用于增强所述变桨轴承(30)的所述另外的装置(40)沿着所述内轴承环(34)的内表面延伸。
7.根据权利要求1或2所述的变桨轴承，其中，所述另外的装置(40)具有环形形状并且相对于所述内轴承环(34)同轴地布置。
8.根据权利要求1或2所述的变桨轴承，其中，所述另外的装置(40)栓接到所述增强板(31, 32)。
9.根据权利要求1或2所述的变桨轴承，其中，所述另外的装置(40)栓接到所述风力涡轮机(10)的转子叶片(20)的叶根(22)。
10.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括至少一个转子叶片(20)、桨毂(13)和根据前述权利要求中的一项所述的至少一个变桨轴承(30)，
其中，所述变桨轴承(30)可枢转地连接所述转子叶片(20)与所述桨毂(13)。
11.一种用于增强风力涡轮机(10)的变桨轴承(30)的方法，其中，所述变桨轴承(30)包括外轴承环(33)和内轴承环(34)，其中两个轴承环(33, 34)彼此同轴布置，因此包括公共的对称轴线(35)，并且其中，所述方法包括以下步骤：
- 将第一增强板(31)附接到所述变桨轴承(30)的第一轴向端并且将第二增强板(32)附接到所述变桨轴承(30)的第二轴向端，其中所述轴向端相对于所述公共的对称轴线(35)而限定，所述增强板(31, 32)布置成彼此平行；并且所述第一增强板(31)和/或所述第二增强板(32)附接到所述内轴承环(34)，以及
- 将用于增强所述变桨轴承(30)的另外的装置(40)附接到所述第一增强板(31)和所述第二增强板(32)之间，其中，两个增强板(31, 32)由用于增强所述变桨轴承(30)的所述另外的装置(40)联接，使得所述变桨轴承(30)的刚度增加。
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