具有低摩擦径向轴密封件的风力涡轮机传动系部件的制作方法

本发明涉及一种风力涡轮机传动系部件，其包括具有径向密封件的旋转轴。本发明还涉及一种用于冷却风力涡轮机传动系部件的方法。

背景技术：

风力涡轮机包括许多旋转部件，这些旋转部件浸在油或其它润滑剂中以确保它们平稳地运行并且是耐磨的。另外，油在耗散由旋转部件和相互啮合的齿轮产生的热量方面起作用。油循环回路提供通过旋转部件的连续油流，并允许在别处过滤和冷却润滑剂。在旋转部件没有被完全封闭在充油腔中，而是还与充气隔室接触的情况下，设置密封件以确保油不会泄漏到充气隔室中，并且空气不会渗入油中。从充油隔室的角度来看，密封件的任务是保持油进入和空气排出。

传统上使用接触密封件来提供所需的空气-油屏障。柔性和弹性材料，通常是某种橡胶，与旋转部件一起旋转，并在沿固定部件的表面滑动时与固定部件保持接触。然而，随着时间的推移，密封件的材料可能劣化，导致旋转密封件和固定部件之间的接触减小。空气和油可能开始通过密封件泄漏，并且需要更换密封件以确保装置的适当功能。

在风力涡轮机中，例如，在齿轮箱和发电机之间的界面处，旋转轴从充满油的齿轮箱腔延伸到机舱的充气隔室中。设置密封件以防止齿轮箱和空气隔室之间的空气和油的交换。基于气流的外部齿轮箱和/或发电机冷却可导致在充气隔室中的高气流和在界面两侧的两个隔室之间的压力差，这进一步增加了对高质量气密和液密密封的需要。

典型的现代风力涡轮机具有可超过80米高的塔架。因此，磨损部件的修理和维护是困难且耗时的工作。许多密封位置不易接近，并且密封件更换是高度破坏性的维护活动。只有当风力涡轮机停止工作时，才可能更换齿轮箱-发电机界面处的密封件。所导致的风力涡轮机的停机时间降低了其能量产量和收益率。

因此，需要提供一种不需要像传统密封件那样经常更换的更好的密封件。

技术实现要素：

根据本发明，该目的通过提供具有固定部件和旋转部件的径向密封件来实现。固定部件包括具有内边缘和外边缘的环，内边缘构造成用于无接触地围绕轴。该旋转部件包括盘，该盘同轴地连接到该轴以便与该轴一起旋转并且包括凸缘，该凸缘环绕该环的外边缘。径向密封件还包括环形气锁间隙，用于容纳一定量的润滑流体，从而当旋转部件以高于预定阈值速度的旋转速度旋转时封闭气锁间隙，环形气锁间隙由凸缘的内表面、盘的对置平行表面的外部和环的外边缘形成。

这种新的径向密封件的一个重要优点是，它不依赖于旋转部件和固定部件之间的任何直接接触，以在充油腔和充气隔室之间提供气密和液密的屏障。当密封件中存在足够量的润滑流体，例如油，并且轴与盘一起以高于阈值速度的旋转速度旋转时，离心力将迫使润滑剂向外，在该处润滑剂将被由盘和在其外边缘处的凸缘形成的旋转环形储存器(即，气锁间隙)捕获。随着固定环的外边缘延伸到润滑剂填充的气锁间隙中的情况下，用于流体离开或空气进入密封件的路径被阻塞。旋转部件相对于固定部件自由旋转。这两个部件之间不需要直接接触。而且，在环靠近盘转动的情况下，在两者之间总是存在空气或润滑剂流体，这导致比传统接触密封件中更小的摩擦，并且即使在长期使用之后也避免了密封件的磨损。

当旋转部件的旋转速度降低到超过阈值速度时，润滑剂可能落入溢流容积中，该溢流容积设置在盘的旋转轴线下方并且位于环形气锁间隙的下游。可以在该溢流容积的下游设置排放装置，用于允许该润滑剂流向润滑流体储存器。润滑流体可以从储存器再次被向上泵送到旋转部件的位置，在该位置它可以润滑这些部件并且再次成为环形气锁间隙中的液体密封件的一部分。在工作过程中，通常有连续的流体流流到旋转部件。过量的流体通过溢流容积排出。在溢流容积和排放装置之间，可以设置液体锁，用于防止径向密封件和润滑流体储存器之间的空气交换。

应当注意，盘可以是附接到轴的外端的完整盘，或者是在中间具有用于接收轴的孔的盘。对于密封件的适当功能，重要的是没有流体能够通过轴和盘之间的开口泄漏。盘内的孔可以具有比它所装配到的轴稍大的直径。在这种情况下，可以在轴和盘之间应用标准密封件，以防止流体在它们之间泄漏。

在本发明的实施例中，径向密封件还包括设置在环和盘的对置平行表面之间的流体流动通道。流体流动通道的入口位于环的内边缘处。流体流动通道的出口位于环的外边缘处。环形气锁间隙位于流体流动通道的出口处。流体流动通道可以是密封件一侧的油腔与另一侧的空气隔室之间唯一可用的流动路径。

当轴以低速旋转或根本不旋转时，流过旋转轴的润滑剂将落入环形气锁间隙的底部和/或落入设置在旋转轴下方的溢流容积中。与前面一样，溢流容积设置在环形气锁间隙的下游，因此也设置在流体流动通道的下游。

当轴加速时，离心力推动流体径向向外通过流动通道并在所有径向方向上越过盘的内表面。当旋转速度超过阈值时，更多的流体被向外推动并一直到盘的外边缘，在那里流体将被捕获在形成于凸缘处的环形气锁间隙中。当整个气锁间隙充满润滑剂时，对于任何想要进入流体流动通道的空气，流体流动通道出口被有效地阻断。进入密封件的任何过量的润滑剂将落入溢流容积中，或者直接在流体流动通道的入口处，或者稍后在环形气锁间隙的下游端处被填充气锁间隙的新的流体推出之后。

附加地或可选地，径向密封件可包括供应管，用于将润滑流体供应到邻近气锁间隙的释放点。代替依靠离心力将润滑剂输送到环形气锁间隙，供应管可以直接在气锁间隙处释放润滑剂。而且，当使用这种供应管时，轴速度将仍然必须高于阈值速度，以允许离心力将整个环形气锁间隙保持为充满润滑剂。

附加的迷宫式密封件可以设置在环形气锁间隙的下游并且在固定部件和旋转部件之间。当轴以较高的速度旋转时，流体仍然可以离开环形气锁间隙的下游端。迷宫式密封件有助于将流体保持在密封件的湿侧，并避免流体进入密封件另一侧的干腔。使用迷宫式密封件，因为它也是无接触类型的密封件，因此可以添加而不损失本发明的任何优点。

任选地，该环在其表面处包括邻近该环的外边缘的叶片和/或翼片。这样的叶片或翼片可以帮助离心力将润滑剂向外移动到环形空气间隙锁定件中，并且在轴足够快地旋转时将润滑剂保持在那里。通过增加叶片和/或翼片，密封件可以在较低的旋转速度下提供更好的密封。

根据本发明的密封件可以与风力涡轮机中的旋转轴一起使用，例如在风力涡轮机齿轮箱的输出轴和/或风力涡轮发电机的输入轴处。根据本发明的另一个方面，提供使用冷却风扇来冷却具有如上所述的密封件的风力涡轮机传动系部件的方法。通常，紧邻齿轮箱设置的发电机由气流冷却。然而，本发明也适用于其它传动系元件被空气冷却的情况。应当注意，冷却系统的主要目的可以是冷却本身不包括上述径向密封件，而是仅靠近该密封件放置的风力涡轮机传动系部件。然而，同样在这种构造中，具有径向密封件的传动系部件将被附近的气流冷却。

根据本发明的方法包括检查环形气锁间隙是否关闭的步骤，并且只有当环形气锁间隙包含一定量的润滑流体时，才打开冷却风扇。这将确保由冷却风扇引起的增加的气流和压力差不会在环形气锁间隙充满润滑剂并且液体密封完全建立之前发生。检查步骤可以例如包括确定旋转部件的当前旋转速度或者确定在气锁间隙中是否包含所述量的润滑流体。例如速度传感器或流体传感器可用于此目的。

应当理解，本发明第一方面的优选和/或可选特征可以与本发明的其它方面组合。本发明的各个方面在下面的独立权利要求中限定，有利的特征在下面的从属权利要求中限定。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将参照附图描述本发明的一些实施例，其中：

图1示意性地示出了可以有利地使用本发明的风力涡轮机。

图2示意性地示出了图1所示风力涡轮机的机舱的横截面。

图3示意性地示出了根据本发明的径向密封件的横截面。

图4示出了图3的截面的特写。

图5示意性地示出了根据本发明的径向密封件的第二实施例的横截面。

图6示出了根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出了可以有利地使用本发明的风力涡轮机100。风力涡轮机100包括塔架10，该塔架10具有位于其顶部的机舱20，机舱20包括风力涡轮机100的许多功能部件。转子毂30可旋转地安装到机舱20的前端并承载多个转子叶片40。这里所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片40，但是具有或多或少的转子叶片40的风力涡轮机也是可能的。风力涡轮机100通过转动(偏航)机舱20产生电能，使得转子叶片40在其中旋转的平面大致垂直于风的方向定位。在机舱20，中，发电机用于将轮毂旋转转换成电力。

图2示意性地示出了图1所示的风力涡轮机100的机舱20的横截面。在工作中，风使转子叶片40和转子毂30旋转。由机舱20包围的动力系将转子毂30的旋转转换成电力。电力电缆(未示出)从动力系穿过塔架10向下延伸到地面，在地面处电能可以被使用、存储在电池中或传输到电网。该风力涡轮机100的动力系包括主轴承21，其设置用于支撑转子毂30并促进其旋转。输出轴24与转子毂30一起旋转形成后续齿轮箱22的输入。在齿轮箱22中，在齿轮箱输入处的低速转子毂30的转速被转换成在齿轮箱输出处的发电机23的更高的转速。发电机23将齿轮箱输出轴25的旋转动力转换成有用的电力，然后通过风力涡轮机塔架10向下传输。

关键动力系部件的润滑对于确保它们的功能是重要的。通常，润滑剂是油，但是也可以使用其它润滑流体。油通常包括在具有油箱和泵的冷却回路中。泵将油从油箱泵送到能够润滑旋转部件的位置。然后收集用过的油并将其送回油箱。优选地，为了保持油的清洁并使磨损最小化，油在被泵送回旋转部件之前被过滤。可选地，油也可以被冷却和/或加热，用于旋转的风力涡轮机部件的热管理。

旋转部件可以包括在封闭的充油腔中，或者可以将油从储存器(即油箱)泵送到旋转部件附近的位置，用于将润滑剂直接输送到需要润滑剂的位置。前一种布置通常称为湿式集油槽润滑系统，后一种布置称为干式集油槽。虽然根据本发明的径向密封件将相对于湿式集油槽润滑回路进行描述，并且在湿式集油槽润滑回路中可能是最有利的，但是它也可以用在干式集油槽装置中，而不需要任何特殊的修改。

图3示意性地示出了根据本发明的径向密封件50的横截面。在该实施例中，径向密封件50设置在旋转轴61上，该旋转轴延伸穿过例如齿轮箱22的充油腔60并进入位于齿轮箱22外部的充气隔室70。例如，在风力涡轮机100，中，齿轮箱22的输出轴61可以是发电机23的输入轴61。轴61安装在一组轴承63中用于旋转。

因为轴61延伸穿过齿轮箱壁，所以需要密封件50来防止油64泄漏到空气隔室中。特别是当齿轮箱22和/或发电机23被空气冷却时，这种漏油可能是相当成问题的。发电机内的大量循环空气在空气隔室70和齿轮箱腔60之间产生压差。与泄漏的油结合，这可能导致在空气隔室70中形成油雾。这样的油雾可能例如通过阻碍制动块的适当工作而导致机舱20中的各种技术问题。在图3中，示出了根据本发明的径向密封件50的主要功能元件。下面将参照图4详细解释径向密封件50的工作。

图4示出了图3的截面的特写。在该截面中，示出了固定地连接到齿轮箱22的壳体的环51。环51中的中心孔大到足以容纳轴61并且在轴61和环51之间留下间隙，油64可以流过该间隙。环51可以由较硬或较软的材料制成。较软的材料，例如橡胶，可以带来的优点是它们更容易组装到齿轮箱壳体。盘52同轴地连接到轴61并且关闭油64在轴表面上流动的流动路径。盘52与轴61一起旋转。固定环51和旋转盘52的对置表面之间的小间隙形成流动通道54，加速油64可通过该流动通道流向环51的外边缘处的气锁间隙55。该间隙可以是可调节的，例如通过沿着轴61滑动，以允许调节和优化径向密封件50中的流体流动动力学。

盘52的外边缘处的凸缘53围绕环51的外边缘卷绕，以在凸缘53和盘52的内表面与环51的外边缘之间形成u形间隙55。在该示例中，凸缘53位于盘52的外边缘处，但是如果盘52具有较大的直径，则凸缘53将位于该外边缘的径向内侧。如将在下面更详细地解释的，当填充有液体时，u形间隙将密封用于来自齿轮箱22的内部的液体和来自齿轮箱22的外部的空气的流动路径54。在旋转凸缘53的外表面和固定齿轮箱壳体22之间的间隙中，可以设置迷宫式密封件59作为附加密封件。也可以使用其它类型的密封件作为副密封件，但是迷宫式密封件具有这样的优点，即它们是无接触的并且不会像接触密封件那样快地磨损。

蜿蜒通过轴承63、流动路径54、气锁间隙55和溢流容积56的箭头指示当润滑旋转轴61的轴承63时油64可以遵循的路线。当轴61不旋转并且油64没有被泵送通过润滑回路时，一些油64可能仍然通过轴承泄漏并且然后将落入溢流容积56中。在环形凸缘53的下部处，一些剩余的油64可以填充u形气锁间隙55，但是气锁间隙55的大部分将不被密封。这不被认为是一个问题，因为当轴61不旋转时，几乎没有或没有油泄漏到空气隔室中的危险，甚至当安装附加的迷宫式密封件59以封闭盘52和齿轮箱壳体之间的间隙时也是如此。

当轴61开始旋转并且油64被泵送通过润滑回路时，更多的油将流过轴承63并且流过环51和轴61之间的间隙。在较低的转速下，油64将落入溢流容积56中。在较高的旋转速度下，轴61的旋转产生离心力，该离心力将油64径向向外推动通过流动路径54。当旋转速度超过预定阈值时，足够量的油64被径向向外推入气锁间隙55中，以有效地关闭固定环51和旋转盘52之间的开口。在不需要固定部件和旋转部件之间的任何直接接触的情况下建立流体密封和气密密封。在环表面和/或对置的盘表面上的叶片和/或脊可以帮助在气锁间隙55中形成流体密封。

当轴61旋转并且润滑剂泵泵送时，新鲜油继续流过轴承63。在流动路径54和气锁间隙55已经填充的情况下，附加油64可以落入溢流容积56中，或者将一些油推出气锁间隙55，然后推出的油将落入溢流容积56中。由于新油64的连续流入，气锁间隙55将继续充满液体。只有当轴61的旋转速度低于阈值速度时，密封件才会破裂，但是在这样低的旋转速度下，泄漏的风险很低。

图5示意性地示出了根据本发明的径向密封件的第二实施例的横截面。与图3和图4的实施例的主要区别在于，供应管71用于将一些润滑剂直接从油腔60传送到气锁间隙55。仍然需要旋转轴61的离心力来将流体保持在气锁间隙55中，但是间隙55的填充比依靠离心力推动流体通过流动路径54时更可靠一些。

图6示出了用于冷却如上所述的风力涡轮机传动系部件的方法的流程图。齿轮箱22包括延伸穿过齿轮箱壳体进入空气隔室70的轴61。齿轮箱22本身或齿轮箱附近的操作传动系部件由风扇83或不同类型的基于气流的冷却装置冷却。来自风扇83的气流84引起空气隔室70和齿轮箱22内部之间的压力差。如果没有提供适当的密封件，该压力差可能导致润滑剂从齿轮箱22泄漏到空气隔室70中。通过如上所述的密封件50，以下控制方法用于防止润滑剂泄漏到空气隔室70中。

该方法开始于检查环形气锁间隙55是否闭合以及是否已经建立适当的密封的步骤81。例如，传感器可以检查环形气锁间隙55是否填充有足够量的流体以有效地建立密封50。例如，可以使用接触传感器或基于光的传感器来检查气锁间隙55中流体的存在。通过测量齿轮箱22的旋转速度(ω)超过密封件50的阈值速度(ωth)来提供建立适当密封的可靠间接测量。旋转速度(ω)可以例如使用轴61上的速度传感器来测量。当旋转速度(ω)超过阈值速度(ωth)时，可以假定环形气锁间隙55被润滑剂封闭。为了确保存在足够的润滑剂来填充间隙，该步骤81还可以包括检查润滑剂泵的当前状态。当润滑剂泵工作时，将有润滑剂连续流过系统，并且可以建立密封。当然，可以组合不同类型的传感器，用于更可靠的密封建立检查81。

如果发现环形间隙还没有填充流体，密封建立检查81将以设定的时间间隔重复，直到气锁间隙55被润滑剂填充，并且检查81提供肯定的结果。加速轴61和开启润滑剂泵当然可以加速建立密封。

当确定气锁间隙55关闭时，在步骤82中启动冷却风扇83。优选地，当冷却风扇83工作时，系统保持检查密封件的质量。当轴61的转速下降到阈值速度(ωth)以下时，或者当流体传感器指示气锁间隙55没有填充足够量的润滑剂时，风扇83关闭。

应当理解，本发明第一方面的优选和/或可选特征可以与本发明的其它方面组合。本发明的各个方面在下面的独立权利要求中限定，有利的特征在下面的从属权利要求中限定。