用于风力涡轮机的变桨轴承以及回转支承轴承的制作方法

本发明的主题整体涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及利用线接触滚动元件的用于风力涡轮机的变桨轴承。

背景技术：

风力被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮机(windturbines)在这方面已经获得了越来越多的关注。现代风力涡轮机通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱(nacelle)和一个或多个转子叶片(rotorblades)。转子叶片使用已知的翼型原理捕获风的动能，并通过旋转能量传输动能以转动轴，轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果没有使用齿轮箱，轴则将转子叶片直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换为可被部署到公用电网的电能。

此外，风力涡轮机可以包括各种轴承以便于其各种部件的旋转。此类轴承的两个实例包括变桨轴承(pitchbearings)和偏航轴承(yawbearings)。更具体地，偏航轴承被构造成根据进入的风使机舱相对于塔架旋转。另外，变桨轴承布置在转子叶片的叶片根部和轮毂(hub)之间。因此，变桨轴承使转子叶片相对于进入的风旋转或相对于进入的风而改变桨距(pitch)。

此类轴承通常包括外座圈(outerrace)、可相对于外座圈旋转的内座圈(innerrace)以及在它们之间的多个滚动元件(rollingelements)。许多风力涡轮机轴承包括点接触滚动元件，例如滚珠轴承1，如图1所示的那些。另选地，如图2所示，一些风力涡轮机轴承可包括具有0°和90°接触角构型的线接触滚动元件，诸如圆柱形滚动元件2。

常规的线接触滚动元件通常包括以0°和90°接触角构型布置的滚动元件。更具体地，如图3所示，示出了根据传统结构的线接触滚动元件轴承3的局部剖视图。如图所示，线接触滚动元件轴承3包括外座圈7和可经由多个线接触滚动元件4，5，6相对于外座圈7旋转的内座圈8。更具体地，如图所示，上部和下部线接触滚动元件4，5具有90°接触角，而中间线接触滚动元件6具有0°接触角。

在此类构型中，具有90°接触角的滚动元件在它们之间以及在以便起作用的滚道中经受相对滑动。线接触滚动元件以90°接触角构型的成功使用通常依赖于在大于1的润滑λ状态(lambdaregimes)内的操作，使得相对滑动对轴承性能没有不利影响。然而，风力涡轮机变桨轴承经受的λ比接近零。因此，当线接触滚动元件轴承用作变桨轴承时，这种滑动会刮伤并磨损界面表面，从而在轴承内部生成热量和碎屑。

因此，能够解决上述问题的具有线接触滚动元件的变桨轴承将受到技术界的欢迎。具体地，具有少于三排线接触滚动元件的变桨轴承将是有益的。

技术实现要素：

本发明的各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。

在一个方面，本公开涉及用于将转子叶片联接到风力涡轮机的轮毂的变桨轴承。变桨轴承包括：外座圈，其被构造成联接到轮毂；内座圈，其可相对于外座圈旋转并且被构造成联接到转子叶片；以及第一多个线接触滚动元件。外座圈限定第一外滚道壁，并且内座圈限定第一内滚道壁。第一多个线接触滚动元件设置在第一内滚道壁和外滚道壁之间。多个线接触滚动元件中的每一个限定预定接触角(predeterminedcontactangle)。预定接触角被定义为在垂直于多个线接触滚动元件中的一个的纵向轴线延伸的参考线与平行于变桨轴承的水平面延伸的参考线之间的角度。此外，预定接触角包括0度(°)和90°之间的角度。

在一个实施方案中，外座圈还可以限定第二外滚道壁，并且内座圈可以限定第二内滚道壁。在此类实施方案中，变桨轴承可以包括设置在第二内滚道壁和外滚道壁之间的第二多个线接触滚动元件。

在另一个实施方案中，第一多个线接触滚动元件和第二多个线接触滚动元件可以包括圆柱形滚动元件。

另选地，第一多个线接触滚动元件和第二多个线接触滚动元件可以包括锥形滚动元件。在此类实施方案中，平行于第一多个锥形滚动元件和第二多个锥形滚动元件的纵向轴线延伸的参考线可以会聚在变桨轴承的公共点处并且限定一个锥角。更具体地，在某些实施方案中，内座圈和外座圈可以是锥体的段，其中滚动元件是锥形的，使得座圈的圆锥表面和滚动元件轴线(如果被投影)将在轴承的主轴线上的同一公共点处相遇。座圈的表面和滚动元件的会聚限定了锥角。例如，在某些实施方案中，锥角可包括范围在从约0.25°至约6°的角度。

在又一个实施方案中，变桨轴承还可以包括至少一附加的多个滚动元件。在又一个实施方案中，变桨轴承还可以包括在第一多个滚动元件和第二多个滚动元件之间延伸的滚道肋(racewayrib)。

在另一个方面，本发明涉及用于将转子叶片联接到风力涡轮机的轮毂的变桨轴承。变桨轴承包括：外座圈，其被构造成联接到轮毂；内座圈，其可相对于外座圈旋转并且被构造成联接到转子叶片；以及第一多个线接触滚动元件。外座圈限定第一外滚道壁，并且内座圈限定第一内滚道壁。第一多个线接触滚动元件设置在第一内滚道壁和第一外滚道壁之间。多个线接触滚动元件中的每一个限定预定接触角。预定接触角被定义为在垂直于多个线接触滚动元件中的一个的纵向轴线延伸的参考线与平行于变桨轴承的水平面延伸的参考线之间的角度。此外，预定接触角包括非0°角和非90°角。应当理解，变桨轴承还可以包括本公开所述的任何附加特征。

在一个实施方案中，所述外座圈限定第二外滚道壁，并且所述内座圈限定第二内滚道壁，所述变桨轴承还包括设置在所述第二内滚道壁和第二外滚道壁之间的第二多个线接触滚动元件。

在另一个实施方案中，所述第一多个线接触滚动元件和第二多个线接触滚动元件包括圆柱形滚动元件。

另选地，所述第一多个线接触滚动元件和第二多个线接触滚动元件包括锥形滚动元件。在此类实施方案中，平行于第一多个锥形滚动元件的纵向轴线延伸的参考线和平行于第二多个锥形滚动元件的纵向轴线延伸的参考线在所述变桨轴承的公共点处会聚并且限定一个锥角，所述锥角被构造成使所述锥形滚动元件的滑动最小化。例如，在某些实施方案中，锥角可包括范围在从约0.25°至约6°的角度。

在又一个实施方案中，变桨轴承还可以包括至少一附加的多个滚动元件。在又一个实施方案中，变桨轴承还可以包括在第一多个滚动元件和第二多个滚动元件之间延伸的滚道肋。

在又一个方面，本发明涉及回转支承轴承(slewingringbearing)。回转支承包括外座圈、可相对于外座圈旋转的内座圈以及多个线接触滚动元件。内座圈相对于外座圈定位，使得在内座圈和外座圈之间限定至少一个滚道。多个线接触滚动元件围绕滚道周向地延伸。多个线接触滚动元件中的每一个限定预定接触角。预定接触角被定义为在垂直于多个线接触滚动元件中的一个的纵向轴线延伸的参考线与平行于回转支承轴承的水平面延伸的参考线之间的角度。此外，预定接触角包括非0°角和非90°角。应当理解，回转支承轴承还可包括本公开所述的任何附加特征。

在一个实施方案中，所述回转支承轴承包括风力涡轮机的变桨轴承或偏航轴承中的至少一个。在此类实施方案中，所述多个线接触滚动元件包括圆柱形滚动元件或锥形滚动元件中的至少一个。

在另一个实施方案中，平行于第一多个线接触滚动元件的纵向轴线延伸的参考线和平行于第二多个线接触滚动元件的纵向轴线延伸的参考线在所述轴承的公共点处会聚并且限定一个锥角，所述锥角被构造成使所述多个线接触滚动元件的滑动最小化，其中所述锥角包括范围为从约0.25°至约6°的角度。

参考以下描述和所附权利要求书，进一步支持并描述本发明的这些和其他特征、方面和优点。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施方案，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整和启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，在附图中：

图1示出了根据传统结构的点接触滚动元件；

图2示出了根据传统结构的线接触滚动元件；

图3示出了根据传统结构的线接触滚动元件轴承的局部剖视图；

图4示出了根据本公开的风力涡轮机的一个实施方案的透视图；

图5示出了图4所示的风力涡轮机的转子叶片中的一个的透视图；

图6示出了图4所示的风力涡轮机的机舱的内部透视图；

图7示出了根据本公开的经由变桨轴承联接到风力涡轮机轮毂的转子叶片的一个实施方案的剖视图；

图8示出了图7所示的变桨轴承的一部分的特写剖视图；

图9示出了根据本公开的变桨轴承的一部分的另一实施方案的特写剖视图；

图10示出了根据本公开的变桨轴承的一部分的又一实施方案的特写剖视图，具体地示出了与滚动元件一起布置的保持架；以及

图11示出了根据本公开的变桨轴承的一部分的又一实施方案的特写剖视图，具体地示出了三排滚动元件构型。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施方案，在图中说明本发明的实施方案的一个或多个实例。每个实例是为了解释本发明而提供，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施方案的一部分的特征可与另一实施方案一起使用以产生再一实施方案。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。

一般来讲，本公开的主题涉及用于风力涡轮机的轴承构型。在若干实施方案中，风力涡轮机的变桨轴承可包括布置在轴承的内座圈和外座圈之间的第一排线接触滚动元件和第二排线接触滚动元件。应当理解，所公开的变桨轴承已独特地构造，以处理风力涡轮机的动态加载。具体地，由于不稳定的力矩加载(erraticmomentloading)以及每个变桨轴承都直接安装到相对柔性的转子叶片的事实，必须配备变桨轴承以处理可随时间显著变化的轴向和径向载荷。如下所述，所公开的轴承提供非0°和非90°的接触角，由此使得通过每个滚动元件施加的合成载荷减少并消除它们之间的滑动。因此，每个滚动元件都可以较少地偏转，并且因此可以保留整个载荷的总体份额，从而减小轴承上的应力。

还应当理解，尽管本公开一般来讲将参考变桨轴承来描述本公开的主题，但所公开的轴承构型可以用在任何合适的风力涡轮机轴承内。例如，偏航轴承通常在风力涡轮机的操作期间经受动态加载。因此，所公开的轴承构型也可以在风力涡轮机的偏航轴承内实施，以减小轴承内的应力。

现在参考附图，图4示出了根据本公开的风力涡轮机10的一个实施方案的透视图。如图所示，风力涡轮机10一般包括塔架12、安装在塔架12上的机舱14以及联接到机舱14的转子16。转子16包括可旋转轮毂18和联接到轮毂18并从其向外延伸的至少一个转子叶片20。例如，在示出的实施方案中，转子16包括三个转子叶片20。然而，在替代实施方案中，转子16可包括多于三个或少于三个的转子叶片20。每个转子叶片20都可围绕轮毂18间隔开以便于旋转转子16，从而使动能能够从风转换成可用的机械能，且随后转换成电能。例如，轮毂18可以可旋转地联接到位于机舱14内的发电机25(图6)，以允许产生电能。

现在参考图5，示出了根据本公开的主题的各方面的图4所示的转子叶片20中的一个的透视图。如图所示，转子叶片20包括叶片根部22和叶片尖部24，该叶片根部22被构造用于将转子叶片20安装到风力涡轮机10的轮毂18(图4)，该叶片尖部24与叶片根部22相对地设置。转子叶片20的主体26可以在叶片根部22和叶片尖部24之间沿长度方向延伸，并且一般可以用作转子叶片20的外壳。如一般所理解的，主体26可以限定空气动力学轮廓(例如，通过限定翼型形状的横截面，诸如对称的或拱形的翼型横截面)，以使得转子叶片20能够使用已知的空气动力学原理捕获风的动能。因此，主体26一般可包括在前缘32和后缘34之间延伸的压力侧28和吸力侧30。另外，转子叶片20可以具有限定主体26的在叶片根部22与叶片尖部24之间的总长度的翼展部(span)36以及限定主体26的在前缘32与后缘34之间的总长度的翼弦部(chord)38。如一般所理解的，随着主体26从叶片根部22延伸到叶片尖部24，翼展部38的长度可以相对于翼展部26变化。

此外，如图所示，转子叶片20还可以包括多个t形螺栓或根部附接组件40，该多个t形螺栓或根部附接组件40用于将叶片根部20联接到风力涡轮机10的轮毂18。一般来讲，每个根部附接组件40都可包括筒形螺母(barrelnut)42和根部螺栓44，该筒形螺母42安装在叶片根部22的一部分内，该根部螺栓44联接到筒形螺母42并从其延伸以从叶片根部22的根端46向外突出。通过从根端46向外突出，根部螺栓44一般可用于将叶片根部22联接到轮毂18(例如，经由变桨轴承50中的一个)，如下面将更详细描述的。

现在参考图6，示出了图4所示风力涡轮机10的机舱14的一个实施方案的简化内部视图。如图所示，发电机25可设置在机舱14内。一般来讲，发电机25可以联接到风力涡轮机10的转子16，用于从由转子16生成的旋转能生成电力。例如，转子16可包括转子轴27，该转子轴27联接到轮毂18以与其一起旋转。发电机25然后可以联接到转子轴27，使得转子轴27的旋转驱动发电机25。例如，在示出的实施方案中，发电机25包括发电机轴29，该发电机轴29通过齿轮箱31可旋转地联接到转子轴27。然而，在其他实施方案中，应当理解，发电机轴29可以可旋转地直接联接到转子轴27。另选地，发电机25可以直接可旋转地联接到转子轴27(通常称为“直驱(direct-drive)风力涡轮机”)。

仍然参考图6，风力涡轮机10可以包括用于使风力涡轮机10的各种部件旋转的多个回转支承轴承(slewingringbearings)。例如，应当理解，如本公开所用的，术语“回转支承轴承”可用于指代风力涡轮机10的偏航轴承35和/或风力涡轮机10的变桨轴承50中的一个变桨轴承50。类似地，应当理解，回转支承轴承35、50一般可以具有任何合适的构型，包括下面描述的轴承构型中的一个或多个。例如，在若干实施方案中，回转支承轴承35、50可以包括内座圈和可相对于内座圈旋转的外座圈，并具有一排或多排滚动元件设置在内座圈和外座圈之间。

另外，风力涡轮机10可以包括一个或多个偏航驱动机构(yawdrivemechanisms)33，该一个或多个偏航驱动机构33安装到和/或穿过位于风力涡轮机塔架12顶部的底板(bedplate)15。具体地，每个偏航驱动机构33都可以安装到和/或穿过底板15以接合偏航轴承35，该偏航轴承35联接在底板15和风力涡轮机10的塔架12之间。偏航轴承35可以安装到底板15，使得随着偏航轴承35围绕风力涡轮机10的偏航轴线(未示出)的旋转，底板15以及因此机舱14类似地围绕偏航轴线旋转。应当理解，尽管示出的风力涡轮机10被示出为包括两个偏航驱动机构232，但风力涡轮机10一般可以包括任何合适数量的偏航驱动机构232。

仍然参考图6，风力涡轮机10还可以包括多个变桨轴承50(示出其中一个)，其中每个变桨轴承50都联接在轮毂18和转子叶片20中的一个之间。如下所述，变桨轴承50可以被构造成允许每个转子叶片20围绕其桨距轴线(pitchaxis)39旋转(例如，经由桨距调节机构45)，从而允许相对于风的方向调节每个叶片20的取向。

一般来讲，应当理解，桨距和偏航驱动机构33、45可以具有任何合适的构型，并且可以包括本领域中已知的允许此类机构33、45如本公开所述起作用的任何合适的部件。例如，如示出的实施方案中所示，桨距调节机构45可包括桨距驱动马达37(例如，电动马达)、桨距驱动齿轮箱41和桨距驱动小齿轮(pinion)43。在此实施方案中，桨距驱动马达37可以联接到桨距驱动齿轮箱41，使得马达37向齿轮箱41施加机械力。类似地，齿轮箱41可以联接到桨距驱动小齿轮43以与其一起旋转。小齿轮43继而可以与内座圈54旋转接合。

现在参考图7和图8，示出了根据本公开的图5所示转子叶片20的局部剖视图，具体地示出了经由变桨轴承50中的一个安装到轮毂18上的转子叶片20。如图所示，变桨轴承50包括外轴承座圈52、内轴承座圈54和设置在外座圈52和内座圈54之间的多个线接触滚动元件56、58(例如，第一多个滚动元件56和第二多个滚动元件58)。更具体地，如图8和图10所示，第一多个线接触滚动元件和第二多个线接触滚动元件56、58可以包括锥形滚动元件76、78。另选地，如图9所示，第一多个线接触滚动元件和第二多个线接触滚动元件56、58可以包括圆柱形滚动元件80、82。

此外，如图所示，外座圈52一般可被构造成使用多个轮毂螺栓62和/或其他合适的紧固机构安装到轮毂18的轮毂凸缘60。类似地，内座圈54可被构造成使用根部附接组件40的根部螺栓44安装到叶片根部22。例如，如图7所示，每个根部螺栓44都可以在第一端64和第二端66之间延伸。第一端64可以被构造成诸如通过使用附接螺母和/或其他合适的紧固机构将第一端64联接到内座圈54来联接到内座圈54的一部分。每个根部螺栓44的第二端66都可以被构造成经由每个根部附接组件40的筒形螺母42联接到叶片根部22。

如一般所理解的，内座圈54可被构造成相对于外座圈52(经由滚动元件56、58)旋转以允许调节每个转子叶片20的桨距角。如图7所示，外座圈52和内座圈54的此相对旋转可以使用安装在轮毂18的一部分内的桨距调节机构45来实现。例如，如图7所示，多个齿轮齿55可以沿着变桨轴承50的内座圈54的内圆周形成，其中齿轮齿55被构造成与形成在小齿轮43上的对应的齿轮齿47啮合。因此，由于齿轮齿47，55的啮合，桨距驱动小齿轮43的旋转引起内座圈54经由多个滚动元件56、58相对于外座圈52的旋转以及因此转子叶片20相对于轮毂18的旋转。

现在参考图8，示出了根据本公开的主题的各方面的如图7所示的变桨轴承50的一部分的特写剖视图。如图所示，线接触滚动元件56、58被接纳在内座圈和外座圈52、54之间所限定的单独的滚道(raceways)内。具体地，第一滚道70限定在内座圈和外座圈52、54之间用于接纳第一多个滚动元件56，并且第二滚道72限定在内座圈和外座圈52、54之间用于接纳第二多个滚动元件58。在此实施方案中，每个滚道70、72都可以由外座圈和内座圈52、54的单独的壁限定。

另外，如图所示，线接触滚动元件56、58对应于第一多个锥形滚动元件和第二多个锥形(tapered)滚动元件76、78。在此类轴承中，内座圈和外座圈52、54是锥体的段，并且滚动元件56、58是锥形的，使得座圈52、54的圆锥表面和滚动元件轴线(如果被投影)将在轴承50的主轴线上的公共点处相遇。这种几何结构防止在外座圈和内座圈52、54内的滚动元件56、58之间发生滑动运动。例如，如图8所示，通过滚动元件轴线绘制的参考线(referencelines)57、59被投影并会聚在变桨轴承50的公共点84处。此外，座圈的表面和滚动元件也会聚在同一点上。如此这样，锥角87被设计和选择成使锥形滚动元件56、58的滑动最小化。更具体地，在某些实施方案中，锥角87可包括范围在从约0.25°至约6°的角度。

仍然参考图8，多个线接触滚动元件56、58中的每一个都限定预定接触角80、82。更具体地，第一预定接触角80被定义为在垂直于第一多个线接触滚动元件56中的一个的纵向轴线57延伸的参考线73与平行于变桨轴承50的水平面延伸的参考线75之间的角度。类似地，第二预定接触角82被定义为垂直于第二多个线接触滚动元件58中的一个的纵向轴线59延伸的参考线74与平行于变桨轴承50的水平面延伸的参考线75之间的角度。此外，预定接触角80、82可包括任何非0°角和非90°角。例如，在一个实施方案中，预定接触角80、82可以包括0度(°)和90°之间的角度。另外，预定接触角80、82可包括大于90°角的角度。

还应当理解，第一接触角80和第二接触角82可以是相同的角度，也可以是不同的角度。具体地，当接触角接近零度时，对应的滚动元件可能更有能力(bebetterequipped)处理径向载荷，而当接触角接近90度时，对应的滚动元件可能更有能力处理轴向载荷。因此，通过改变接触角80、82，每排滚动元件56、58都可以通过以下操作而在给定方向上更硬(stiffer)，诸如：将第一多个滚动元件56构造成轴向更硬(例如，通过将第一接触角80选择为更接近90度)；以及将第二多个滚动元件58构造成径向更硬(例如，通过将第二接触角82选择为更接近0度)。

尽管本公开所述的轴承能够仅用两排线接触滚动元件就实现所需的径向、轴向和力矩加载，但应该进一步理解，也可以根据需要使用附加的排。例如，如图11所示，变桨轴承50还可以包括至少一排附加的多个滚动元件65。

一般来讲，参考图8至图10，变桨轴承50还可以包括将第一滚道70与第二滚道72至少部分地分开的滚道肋68。在若干实施方案中，滚道肋68可以形成外座圈52的延伸部。例如，如图8的剖视图所示，滚道肋68可以对应于外座圈52的在线接触滚动元件56、58之间延伸的径向突出部。另选地，滚道肋68可以被构造成形成内座圈54的延伸部。例如，滚道肋68可以对应于内座圈54的被构造成在滚动元件56、58之间延伸的径向突出部。

应当理解，每排内所包含的滚动元件56、58可以使用保持架(cages)和/或间隔件(spacers)而彼此周向地间隔开。例如，如图10所示，一个或多个保持架90可以与线接触滚动元件56、58一起布置以保持其间距。

还应当理解，图7至图10所示的一种或多种轴承构型可以用于一个或多个任何其他合适的风力涡轮机轴承。例如，在若干实施方案中，该一种或多种轴承构型可以用在风力涡轮机10的偏航轴承35内。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳方式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可以包括所属领域的技术人员所想到的其他实例。如果此类其他实例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其他实例希望在权利要求书的范围内。