通过吸收变桨或偏航轴承中使用的润滑剂维持风轮机中的清洁环境的密封系统及方法
【专利摘要】一种用于风轮机的密封系统，该密封系统包括第一部件及紧邻所述第一部件定位并且可相对于第一部件运动的第二部件。吸收性元件固定至所述第一部件，并且包括吸油材料。接触构件固定至吸收性元件并且包括非吸收性材料。接触构件邻接所述第二部件使得从第一部件和第二部件之间泄漏的润滑剂被所述吸收性元件收集。还公开了一种利用这种密封系统维持风轮机中的清洁环境的方法。
【专利说明】通过吸收变桨或偏航轴承中使用的润滑剂维持风轮机中的清洁环境的密封系统及方法
【技术领域】
[0001]本申请总体涉及密封系统，更具体地说涉及用于风轮机轴承的密封系统以及利用密封系统维持风轮机中的清洁环境的方法。
【背景技术】
[0002]风轮机被用于利用可再生资源生产电能而不燃烧石化燃料。通常，风轮机将风中的动能转换为机械能，然后将机械能转换为电力。水平轴风轮机通常包括塔架、由塔架支撑的机舱以及安装至机舱的转子。转子经由传动系接合至容纳在机舱内的发电机。转子包括中心轮毂以及安装至轮毂并从轮毂径向延伸的多个叶片(例如三个叶片)。
[0003]现代风轮机具有便于将风能转换为电能的多个运动部件。就此而言，风轮机通常包括多个轴承，这些轴承以相对高效、低摩擦的方式提供相邻部件之间的相对运动。例如，在大部分风轮机中，机舱可旋转地安装至塔架，使得可使用偏航系统控制转子平面(即，叶片扫过的区域)相对于风向的角度。此外，叶片可旋转地安装至轮毂，使得可使用变桨系统控制叶片相对于风向的桨距(例如，叶片绕其纵轴旋转)。因此，叶片轴承、偏航轴承及其它轴承在优化风轮机运转方面发挥重要的作用。
[0004]轴承通常需要润滑剂以在低摩擦下运转并延长其寿命。风轮机中的大部分轴承包括可相对于彼此运动的第一部件及第二部件，例如第一环和第二环。此外，在第一部件和第二部件之间通常定位有诸如滚轴元件或滑块之类的结构元件。在第一部件和第二部件之间提供润滑剂以减小表面疲劳磨损。然而，一个挑战是要将润滑剂约束在该空间，以便不污染或弄脏附近的其它部件及周围环境。在这些区域进行维护操作之前可能需要清除不期望区域中的润滑剂，由此增加操作时间及成本。而且，风轮机内的可用空间有限，出入区域通常受限，使得清洁工作本身成为挑战。
[0005]大多数轴承包括防止润滑剂泄漏的密封件。密封件通常是定位在轴承的运动部件之间的橡胶元件。尽管这样的密封件在多数情形下可能是令人满意的，但是存在意外泄漏的可能性。密封件经过一段时间会磨损，尤其是当在轴承环的表面发生锈蚀或腐蚀时。这会危害密封件约束环之间的润滑剂的能力。此外，由于风轮机的受限空间，如不移除轴承，更换磨损的密封件会很困难，甚至是不可能的。因此，更换操作可能会是代价高昂的，并且增加了风轮机的停工时间。
【发明内容】
[0006]以下描述用于容纳润滑剂的密封系统。该密封系统大体包括:第一部件；第二部件，该第二部件紧邻所述第一部件定位并且能相对于所述第一部件运动；以及固定至所述第一部件的吸收性元件。所述吸收性元件包括吸油材料。接触构件固定至所述吸收性元件。所述接触构件邻接所述第二部件，并且包括非吸收性材料。
[0007]有利的是，这样的布置有助于防止润滑剂从第一部件和第二部件之间泄漏或扩散至密封系统以外的区域。吸收性元件相对于第一部件及接触构件被有效地固定，接触构件接触第二部件。吸收性元件通过保持“静止”而能在不涉及磨损等的情况下收集润滑剂。此夕卜，接触构件与吸收性元件之间的相互作用不仅允许相对运动，而且还对泄漏产生阻力，使得泄漏的润滑剂反而流向吸收性元件。
[0008]第一部件和第二部件可以是轴承的第一环及第二环。实际上，由于风轮机的受限空间及对于为维修操作维持清洁环境、视觉外观等的特殊需求，密封系统在与风轮机轴承关联使用的情况下尤其有利。因此，以下同样也描述风轮机。风轮机包括塔架、由塔架支撑的机舱以及转子，该转子具有以可旋转的方式安装至机舱的轮毂以及至少一个以可旋转的方式安装至轮毂的叶片。轴承定位在塔架与机舱(例如，偏航轴承)之间，或者定位在轮毂与叶片(例如，叶片轴承)之间。轴承的第一环及第二环可相对于彼此运动，并且固定至前述部件中的不同部件(塔架、机舱、轮毂或者叶片)。密封系统的吸收性元件固定至第一环。接触构件邻接第二环以及供固定该第二环的部件这二者中的至少一者。
[0009]还描述利用密封系统维持风轮机中的清洁环境的方法。该方法大体包括:在彼此紧邻定位的第一部件和第二部件之间提供润滑剂；将吸收性元件固定至第一部件；操作风轮机使得第一部件和第二部件沿不同方向相对于彼此运动；以及利用吸收性元件收集润滑齐U。如所述，吸收性元件包括吸油材料。在吸收性元件固定至第一部件的情况下，固定至吸收性元件的接触构件邻接第二部件。
[0010]在另一方面或另一实施方式中，润滑剂包括油及增稠剂。吸收性元件是亲油且疏增稠剂性的，使得油被吸收而增稠剂被排斥。于是，增稠剂会积累以有助于进一步阻挡泄漏。因此，所述密封系统成为“自密封”，从而可允许使用具有更少增稠剂的润滑剂。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是风轮机的一个实施方式的立体图。
[0012]图2是图1的风轮机的一部分的放大立体图。
[0013]图3是示意性示出图1的风轮机的叶片轴承组件的分解立体图。
[0014]图4是包括根据一个实施方式的密封系统的叶片轴承的一部分的立体图。
[0015]图5至图8是从不同角度得到的图4的密封系统的一部分的立体图。
[0016]图9是图4的叶片轴承的不同部分的立体图。
[0017]图10与图11是根据另选实施方式的密封系统的示意图。
【具体实施方式】
[0018]参照图1与图2，示例性风轮机10包括塔架12、布置在塔架12顶部的机舱14，以及转子16，该转子接合至容纳在机舱14内的发电机(未示出)。风轮机10的转子16用作机电系统的原动机。超过最低水平的风将启动转子16，使其沿大致垂直于风向的方向旋转。此旋转的机械能由传动系(利用或不用齿轮级)传递至发电机，发电机如公知那样将机械能转换为电能。
[0019]风轮机10中具有多个相对于彼此旋转以优化功率产出的部件。轴承通常用于允许这些相对旋转，图2中示出了两个轴承作为实施例。特别是，转子16包括轮毂18及从轮毂18向外径向突出的多个叶片20。叶片20借助各自的叶片轴承28可旋转地安装至轮毂18，该叶片轴承28允许叶片20变桨成迎风或顺风(图2中由箭头26大体示出该运动)。因此，各个叶片20绕纵向轴线24旋转会控制由风产生并驱动转子16旋转的升量。
[0020]图1中还示意性地示出偏航轴承30。偏航轴承30定位在机舱14与塔架12之间，使得转子16可相对于风向转动，另外也影响叶片20上的升力。再次说明，叶片轴承28与偏航轴承30两者仅是风轮机10中的轴承的实施例。实际上，以下重点描述第一及第二运动部件之间的密封系统，而不是描述具体轴承。仅仅为了方便而将以其中一个叶片轴承28为背景描述密封系统。
[0021]为此目的，参照图3，叶片轴承28包括能相对于彼此运动的第一环36及第二环38。可在第一环36及第二环38之间设置多个滚轴元件(未示出)以便于该运动。在所示的实施方式中，第一环36是借助多个螺栓40安装至轮毂18的外环。第二环38是同样借助多个螺栓(未示出)安装至叶片20的内环。用于使第二环38相对于第一环36运动并由此使叶片20变桨的多种部件固定至轮毂18。这些部件联合形成变桨系统，并且可包括液压或电力驱动器。在另选的实施方式中，第一环36可安装至叶片20，而第二环38可安装至轮毂18。
[0022]在第一环36及第二环38之间提供润滑剂以减小摩擦及磨损。为了有助于约束该润滑剂，如图4至图8所示，风轮机10还包括密封系统50。以下将更详细地描述密封系统50的细节。然而，通常密封系统50包括吸收性元件52及接触构件54。吸收性元件52固定至第一环36，并包括吸油材料。接触构件54固定至吸收性元件52，并包括邻接第二环38和/或叶片20的非吸收性材料。这些元件的组合与布置使吸收性元件52能够与运动部件(例如第一环36及第二环38)、不适于吸收性元件52本身的环境关联使用。吸收性元件52可单独使用，或者作为定位于第一环36及第二环38之间的主密封件56的增补/备用。此夕卜，尽管附图仅示出了在叶片轴承28 —侧上的密封系统50，但是可在相对侧上设置相似的密封系统。
[0023]在一个实施方式中，吸收性元件52是像那些用于清洁油或化学品溢流的细长袜状结构。可基于期望的润滑剂类型选择吸油材料以有助于约束。实施例包括但不限于聚合材料、纤维素基材料(例如木浆纤维)及其组合。此材料可容纳在不同材料形成的壳内，使得吸收性元件52具有外层与内部主体。吸收性元件52可足够长以能完整地绕叶片轴承28延伸，或者密封系统50可包括多个用于此目的的吸收性元件52。另选的是，可定位一个或若干个吸收性元件52以覆盖叶片轴承28的选定位置。
[0024]图4至图8中的吸收性元件由固定至螺栓40的多个支架60夹持至第一环36。更具体地说，每个支架60包括接收在其中一个螺栓40上的附接部62以及从附接部62延伸的夹持部64。定位支架60后，通过将螺母66紧固在螺栓40上而固定附接部62。当固定时，夹持部64对着第一环36压迫吸收性元件52。可理解的是，支架60的尺寸与形状可依据附接部62被固定时相对于第一环36及第二环38的位置而变更。例如，图9示出了叶片轴承28的不同部分，其中一个或多个结构元件70在这些部分固定至第一环36。利用螺栓72沿第一环的周长固定结构元件70以加固此选定区域。这导致使用长螺栓，使得螺栓72在被接收在这位部位时，支架74的附接部76远离吸收性元件52定位。为对此进行补偿，夹持部78设置有与支架60相比更长的长度。
[0025]图4至图9示出了作为弯曲金属件的支架60、74。支架可以另选地或附加地包括塑料材料。实际上，除了设置不同尺寸与形状外，应理解支架的构造也可变更。例如，图10与图11示意性地示出了根据另选实施方式的支架80。支架80是模制部件，其包括构造成不使用附加紧固件或工具而固定至螺栓40的附接部82。附接部的内表面92上的突出部86(齿、凸起等)构造成接合螺栓40的螺纹90。因此，在将附接部82定位在其中一个螺栓40的裸露部分上时，手向下推动附接部82时提供类似棘轮效应。支架80也包括夹持部84，该夹持部可以仅仅是材料从附接部82的延伸。
[0026]有利的是，支架80可解除地固定至螺栓40，使得其同样能被手动移除。例如，突出部86可仅沿内表面92的预定部分延伸，而在内表面92与螺纹90之间的其它部位留有间隙88。如图11中所示，附接部82在这些其它部位可被挤压以解除突出部86与螺纹90的接合。然后，可使支架80升离螺栓40。可以理解其它无需利用附加紧固件的可解除连接的实施例，从而无需描述。同样，上述实施方式仅是将吸收性元件52固定至第一环36的可行方式的实施例。
[0027]返回来参照图6至图8，所示的实施方式中的接触构件54包括一条塑料材料，吸收性元件52借助粘合剂固定至该塑料材料。可在即将固定接触构件54之前施加粘合剂。另选的是，可更早(例如在制造厂)将粘合剂施加至接触构件54，该接触构件54则可设置有在使用时移除的防粘覆层。在另选的实施方式中，吸收性元件52可借助诸如紧固之类的其它方法固定至接触构件54。
[0028]如上所述,接触构件54邻接第二环38和/或叶片20,但是不必直接接触这些部件。在所示的实施方式中，密封系统50还包括固定至叶片20的接触条96。接触条96可由与接触构件54相同的材料(例如塑料)构成，并在第二环38的紧上方绕整个或部分叶片20延伸。软管夹98可在接触条96上绕叶片延伸以将接触条96固定到位。另选地或附加地，可使用粘合剂或紧固件将接触条96固定至叶片20。
[0029]现将描述密封系统50的操作。在风轮机10运转期间，第二环38在叶片20变桨时相对于第一环36运动。此运动以相对较低的速度沿两个方向发生。第一环36及第二环38之间提供的润滑剂主要由叶片轴承28的主密封件56约束至该空间。然而，经过一段时间，会穿过主密封件56发生泄漏。由于邻接表面的作用，润滑剂不会在接触构件54与第二环38或叶片20之间逸出。相反，润滑剂被引向吸收性元件52并被吸收性元件52收集。
[0030]因此，密封系统50帮助防止润滑剂污染轮毂18中或叶片20及轮毂18的外表面上的附近空间。可维持更清洁的环境，减少或免除执行维修作业前进行清洁的必要。同样也无需为了维持期望的视觉外观(例如，在叶片20的外表面上)而进行清洁，或者与不具有密封系统50的风轮机相比，至少可以不需要同等程度或同等频率地进行清洁。这缩短了风轮机的整体停工期,从而可因此增加总体的功率产出。
[0031]可在定期的维修作业期间对密封系统50进行视觉检查，以确定是否需要更换吸收性元件52。例如，能够依据颜色、感觉或者其它特征确定吸收性元件52是否接近最大饱和。向附近区域泄漏由此指示完全饱和，这可以是另一种指征。另选地或附加地，可在吸收性元件52内设置传感器(未示出)以测量饱和度，或者在吸收性元件52附近设置传感器以检测逸出吸收性元件52的泄漏。在这样的实施方式中，可远程监控吸收性元件52以确定是否应该安排维修来进行更换。
[0032]可迅速而容易地执行更换吸收性元件52的过程。在移除螺母66后，可从螺栓40移除将吸收性元件夹持至第一环36的支架60。而后可移除并以适当的方式处置吸收性元件52自身。甚至可以不移除支架60而仅仅通过放松螺母66直至支架60能运动至足以解除夹持力就可移除吸收性元件52。此外，如上所述，其它实施方式(例如图10与图11)可涉及不具有螺母或其它紧固件的可解除连接。
[0033]可在接触构件54保持固定于吸收性元件52的情况下移除吸收性元件52。然后，可使用相同支架60或新的支架将新的吸收性元件(未示出)与其上固定的新的接触构件一起固定至第一环36。甚至可例如通过测量期望的长度并从一卷材料或其它材料供应切下一根塑料条而在现场构造新的接触构件并将其固定至新的吸收性元件。然后，如上所述，可借助粘合剂等将新的接触构件固定至新的吸收性元件。
[0034]因此，更换吸收性元件52需要最少的步骤及部件。因此，密封系统50所减少的可能不仅仅是清洁工作。当作为主密封件56的备用件时，即便主密封件56的功能受损，密封系统50也可减少或免除更换主密封件56的需求。如果经过一段时间主密封件56不太有效而开始泄漏，可无需更换主密封件56。风轮机完全可借助密封系统50收集泄漏的润滑剂而继续运转。当进行维修时，只更换密封系统50而不更换主密封件56可能就足够了。所以这不会那么费时而繁琐，这是因为要更换主密封件56就可能需要移除叶片轴承28。
[0035]尽管已关于叶片轴承28描述了密封系统50，但是密封系统50能以相同的方式与偏航轴承30 (图2)关联使用。偏航轴承30像叶片轴承28 —样允许以相对较低的速度沿两个方向相对旋转。本领域技术人员会理解密封系统50的其它应用。实际上，上述实施方式仅仅是由所附权利要求限定的本发明的实施例。轴承的第一 36及第二环38仅仅是可相对于彼此运动的第一部件和第二部件的代表，其它不涉及轴承环的应用也是可行的。而且，密封系统50也可应用于除风轮机以外的机器。
[0036]密封系统设计领域的技术人员基于本说明书将会理解附加实施例、变型例以及附加优势。作为附加实施例，在一些实施方式中，密封系统50甚至可在不具有主密封件的情况下使用。
[0037]所述密封系统也可允许优化润滑剂来减小摩擦并且优化促进密封的方式进行。普通密封系统会难以实现润滑剂在性能与操纵之间的最佳平衡。一方面，润滑剂应该是使摩擦尽可能小的油。另一方面，通常需要增稠剂(例如金属皂)来使润滑剂更容易操纵及容纳。因添加了增稠剂而牺牲了尤其是在低温下的一些性能。根据本发明的密封系统的一个实施方式，通过设置亲油而疏增稠剂的吸收性元件解决了这些问题。因此，吸收性元件会自润滑剂吸引油而排斥皂类或其它增稠剂。如果润滑剂从第一部件和第二部件之间泄漏，那么来自泄漏的润滑剂的油会被吸收性元件吸收，同时增稠剂会被留下而在泄漏区聚集。积累的增稠剂会变得粘度更高，这会用于帮助阻挡进一步的泄漏。不管密封系统是否与主密封件一起使用这都是有利的。而且，该“自密封”的优势会使得能够使用具有更少增稠剂的润滑剂。
【权利要求】
1.一种用于容纳润滑剂的密封系统，该密封系统包括: 第一部件； 第二部件，该第二部件紧邻所述第一部件定位并且能相对于所述第一部件运动；固定至所述第一部件的吸收性元件，所述吸收性元件包括吸油材料；以及固定至所述吸收性元件的接触构件，所述接触构件邻接所述第二部件，并且包括非吸收性材料。
2.根据权利要求1所述的密封系统，其中，所述第二部件能相对于所述第一部件在两个方向上运动。
3.根据权利要求2所述的密封系统，其中，所述第一部件和所述第二部件包括轴承的第一环及第二环。
4.根据权利要求3所述的密封系统，该密封系统还包括: 定位在所述第一环与所述第二环之间的主密封件，所述吸收性元件被定位在所述主密封件之上。
5.根据权利要求3或4所述的密封系统，其中，所述吸收性元件被夹持至所述第一环。
6.根据权利要求5所述的密封系统，其中，所述第一环包括多个螺栓孔及延伸穿过这些螺栓孔的多个螺栓，所述密封系统还包括: 用于将所述吸收性元件夹持至所述第一环的多个支架，其中，每个支架固定至一个所述螺栓。
7.根据权利要求6所述的密封系统，其中，所述支架在不使用附加紧固件的情况下以可解除的方式固定至所述螺栓。
8.根据前述任一权利要求所述的密封系统，其中，所述吸收性元件包括袜状结构，并且所述接触构件借助粘合剂被固定至所述吸收性元件。
9.根据前述任一权利要求所述的密封系统，其中，所述吸收性元件的所述吸油材料构造成吸引所述润滑剂中的油，并且排斥所述润滑剂中的增稠剂。
10.一种风轮机,该风轮机包括: 塔架； 由所述塔架支撑的机舱； 转子，该转子包括以可旋转的方式安装至所述机舱的轮毂以及至少一个以可旋转的方式安装至所述轮毂的叶片；以及 轴承，该轴承定位在所述塔架与所述机舱之间或者定位在所述轮毂与所述叶片之间，所述轴承具有能相对于彼此运动的第一环及第二环，所述第一环及所述第二环各自固定至所述塔架、所述机舱、所述轮毂以及所述叶片其中之一； 用于容纳润滑剂的密封系统，该密封系统包括: 固定至所述第一环的吸收性元件，所述吸收性元件包括吸油材料；以及固定至所述吸收性元件的接触构件，所述接触构件邻接所述第二环和供固定所述第二环的部件这二者中的至少一者，所述接触构件包括非吸收性材料。
11.根据权利要求10所述的风轮机，该风轮机还包括: 定位在所述第一环及所述第二环之间的主密封件，所述吸收性元件被定位在所述主密封件之上。
12.根据权利要求10或11所述的风轮机，其中，所述吸收性元件被夹持至所述第一环。
13.根据权利要求12所述的风轮机，其中，所述第一环包括多个螺栓孔以及延伸穿过这些螺栓孔的多个螺栓，所述密封系统还包括: 用于将所述吸收性元件夹持至所述第一环的多个支架，其中，每个支架固定至一个所述螺栓。
14.根据权利要求13所述的风轮机，其中，所述支架在不使用附加紧固件的情况下固定至所述螺栓。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的风轮机，其中，所述第一环是固定至所述轮毂的外环，并且所述第二环是固定至所述叶片的内环。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的风轮机，其中，所述密封系统还包括: 固定至与所述接触构件邻接的部件的接触条，所述接触构件及所述接触条包括塑料材料。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的风轮机，其中，所述吸收性元件的所述吸油材料构造成吸引所述润滑剂中的油，并且排斥所述润滑剂中的增稠剂。
18.—种维持风轮机中的清洁环境的方法，该方法包括: 在彼此紧邻定位的第一部件和第二部件之间提供润滑剂； 将吸收性元件固定至所述第一部件，所述吸收性元件包括吸油材料，并且其中，在所述吸收性元件被固定至所述第 一部件的情况下，固定至所述吸收性元件的接触构件邻接所述第二部件； 操作所述风轮机使得所述第一部件和所述第二部件沿不同方向相对于彼此运动；以及 利用所述吸收性元件收集从所述第一部件和所述第二部件之间泄漏的润滑剂。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一部件和所述第二部件是轴承的第一环及第二环，其中，固定所述吸收性元件的步骤还包括: 将所述吸收性元件固定在定位于所述第一环及所述第二环之间的主密封件之上。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中， 所述轴承被定位在塔架与由所述塔架支撑的机舱之间，或者定位在轮毂与以可旋转的方式安装至所述轮毂的叶片之间，并且所述第一环及所述第二环各自固定至所述塔架、所述机舱、所述轮毂以及所述叶片其中之一，并且操作所述风轮机的步骤包括: 使所述叶片相对于所述轮毂变桨，或者使所述机舱相对于所述塔架偏航。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，固定所述吸收性元件的步骤还包括: 借助多个支架将所述吸收性元件夹持至所述第一部件，其中所述吸收性元件在不使用附加紧固件的情况下以可解除的方式被夹持。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，该方法还包括: 从所述第一部件移除所述吸收性元件； 将新的吸收性元件固定至所述第一部件，其中将新的接触构件固定至所述新的吸收性元件。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其中所述润滑剂包括油及增稠剂，所述吸收性元件是亲油且疏增稠剂性的，并利用所述吸收性元件收集润滑剂的步骤还包括:从所述润滑剂吸收油并排斥增稠 剂，使得所述增稠剂在所述润滑剂的泄漏位置积累。
【文档编号】F03D11/00GK103492713SQ201280019297
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年2月21日 优先权日:2011年2月21日
【发明者】T·F·包恩, R·朗特里 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司