专利名称：轴承装置及具有所述轴承装置的风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本文大体上涉及一种风力涡轮机，其包括具有至少一个转子的传动系，该至少一
个转子具有附接到轮毂上的至少一个转子叶片，且具体地涉及一种用于可旋转地支承风力 涡轮机传动系主轴的设备。具体而言，本文涉及适于支承风力涡轮机主轴的轴承设计及布置。
背景技术：
风力涡轮机作为一种对环境安全且相对便宜的能源而变得日益重要。因此，对改 善风力涡轮机性能的日益增长的需求促成对有关风力涡轮机主轴的高效能轴承的尝试。用 于此类主轴的轴承装置可包括复杂的润滑系统。通常，风力涡轮机的主轴具有大的直径，且 以较低的速度旋转。施加在风力涡轮机主轴上的转矩可相对较高，以便将风能从转子朝向 速度适配器如风力涡轮机的齿轮箱传递。
发明内容
鉴于上述问题，提供了一种用于风力涡轮机主轴的轴承装置，所述轴承装置包括 适于安装在风力涡轮机机舱处的固定的中空圆柱部分，其中，该中空圆柱部分的内径大于 主轴的外径，使得当主轴插入中空圆柱部分中时在其间形成腔室以及适于将润滑流体提 供到固定的中空圆柱部分与主轴之间的腔室中的接头(fitting)。 根据另一个方面，提供了一种用于风力涡轮机轮毂的轴承装置，所述轴承装置包 括适于安装在风力涡轮机机舱的主构架上的凸起部分；适于连接到轮毂上的可旋转的中 空圆柱部分，其中，可旋转的中空圆柱部分的内径大于凸起部分的外径，使得当凸起部分插 入可旋转的中空圆柱部分时在其间形成腔室；以及接头，其适于将润滑流体提供到凸起部 分与可旋转的中空圆柱部分之间的腔室中。 其它示例性实施例则根据从属权利要求、说明书及附图。
在余下的说明书中包括参照附图，向本领域的普通技术人员更为具体地阐述了本 发明包括其最佳模式的完整和能够实现的公开内容，在附图中 图l示出了风力涡轮机的示意性侧视图，其中，风力涡轮机的主轴线定向为在风 力涡轮机位置上朝向来风方向； 图2为风力涡轮机机舱内的典型构件的示意性顶视图，其中，主轴线由两个轴承 支承； 图3示出了根据典型实施例的轴颈轴承，其中，风力涡轮机的主轴线在装满高粘 性油的腔室内旋转； 图4为根据典型实施例的附接到风力 轮机主轴上的典型构件的侧视图，其中， 主轴由轴颈轴承和风力涡轮机的齿轮箱支承；
图5为根据另一典型实施例的附接到风力涡轮机主轴上的典型构件的侧视图，其 中，风力涡轮机由两个轴颈轴承支承； 图6为根据又一典型实施例的通过电流变流体进行工作的轴颈轴承的截面图；以 及 图7为根据又一典型实施例的风力涡轮机传动系的典型构件的截面图，其中，主 轴为固定的，而轮毂围绕主轴旋转，其中，该轮毂由轴颈轴承支承。零件清单
100风力涡轮机
101转子叶片
102塔架
103机舱
104轮毂105风向106偏航角107垂直轴线108桨距角109弯矩110旋转传感器111齿轮箱112主轴113旋转轴线114主构架115a齿轮箱输出轴115凸起部分116轴线支承单元200轴承装置201旋转方向202壳体203接头204腔室205推力轴承206电流变流体207电极208高性能塑料209第一安装单元210第二安装单元
具体实施例方式
现将详细地参照各种示例性实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。各个
5实例通过举例的方式提供而非意在进行限制。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的 特征可用于其它实施例或结合其它实施例来使用，以产生又一实施例。期望的是，本公开内 容包括此类修改和变化。 下文将阐述多个实施例。在此情形中，相同的结构特征在附图中由相同的参考标 号标明。附图中所示的结构并未按真实比例绘制，而是仅便于更好地理解实施例。
图1为具有机舱103的风力涡轮机100的简图，机舱103可旋转地安装在塔架102 顶上。风力涡轮机100还包括具有轮毂104和至少一个转子叶片101的转子。轮毂104位 于转子的中心部分，而至少一个转子叶片101从轮毂向外延伸。 尽管图1中所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片IOI，但也可提供任意数量的 转子叶片101。位于塔架102顶上的机舱103可围绕中心轴线如塔架102的垂直轴线107 旋转。 机舱103相对于塔架102中心轴线的定向称为偏航角106。对偏航角106进行调
整，使得风力涡轮机传动系主轴112的轴线通常定向为朝向来风方向105。 此外，至少一个转子叶片101可相对于其纵轴线调整，使得转子叶片的桨距角108
可与来风速度相适应。由于存在垂直风切变，故可产生弯矩109，使得风力涡轮机主轴112
经受弯曲力。风力涡轮机的主轴112将轮毂104机械地连接到齿轮箱111上，使得由风能
提供的旋转动量可传递到齿轮箱111上，且进一步传递到发电机(图1中未示出)上，以用
于产生电能。 这里应注意，尽管图1中未示出，但代替使用齿轮箱lll将低转速的旋转能转换成 高转速的旋转能，可使用不需要任何机械齿轮箱的磁性速度适配器。 在图1中，参考标号111表示机械齿轮箱，其并未在如下说明中进行详细描述，这 是因为齿轮箱本身并不会帮助对本文的理解。轴承装置200提供成用于可旋转地支承风力 涡轮机100的主轴112。 图2为示出风力涡轮机传动系典型构件的风力涡轮机100的示意性顶视图。至少 一个转子叶片101附接到轮毂104上，其中，轮毂104的旋转导致主轴112旋转。旋转传感 器110提供为以便确定主轴112的转速。主轴112由将在下文中详细描述的轴承装置200 支承。主轴112还连接到齿轮箱111上，齿轮箱111将低的旋转输入速度转换成在齿轮箱 输出轴115a处提供的高旋转输出速度。 通常，风力涡轮机100的传动系包括具有至少一个转子叶片101和轮毂104的转 子，以及主轴112。主轴112由至少一个轴承装置200支承。
图3示出了根据典型实施例的轴承装置200。 图3为轴承装置200位置处的风力涡轮机100的主轴112的截面图。根据图3中 所示的典型实施例的轴承装置200包括用作壳体的固定的中空圆柱部分202，其具有接头 203。 该接头203适于将高粘性流体引入壳体202的内部。在壳体内，主轴112可旋转 地受到支承。参考标号113表示主轴112的旋转轴线。壳体202可形成为具有端盖的中空 圆柱部分，以便防止流体泄漏。 高粘性流体分布在主轴112与壳体202内壁之间的腔室204内。根据图3中所示 的轴颈轴承装置200的典型设置，提供了无摩擦环境，以便支承和引导旋转的主轴112。典型的轴颈轴承200与常规滚柱轴承相比表现出更长的寿命。 壳体202提供为包绕主轴112的圆柱体，其中，主轴112外表面与壳体202内表面 之间的腔室204填充有流体润滑剂，例如高粘性油。在图3中所示的轴承布置中，当主轴 112旋转时，主轴112由流体润滑剂支承。在主轴112旋转时起作用的液体动力原理支承主 轴112，且将其在腔室204内重新定位。 通常，高粘性润滑剂填充到腔室204中，以用于提供使风力涡轮机100的主轴112 缓慢旋转的轴承。图3中的参考标号201示出了旋转方向。 图4为风力涡轮机IOO传动系的侧视图，其中，该传动系通常包括轮毂104及连接 到轮毂104上的主轴112。在图4中所示的典型实施例中，主轴112还连接到齿轮箱111上， 该齿轮箱lll可提供为速度适配器。齿轮箱lll由第二安装单元210支承，使得主轴112 的一端受到支承。 主轴112的另一端由轴承装置200支承，根据典型实施例，该轴承装置200提供为 轴颈轴承。轴承装置200由第一安装单元209支承。第一安装单元209和第二安装单元 210 二者都固定在风力涡轮机100机舱103的主构架(图4中未示出)处。
根据典型实施例，第一安装单元209和第二安装单元210可提供为用于轴颈轴承 的弹性支承件，以便吸收上述的极端负载和/或弯矩。 此外，提供了推力轴承205，以便限定主轴112的轴向位置。推力轴承205可提供 为常规滚柱轴承和/或轴颈轴承。 这里应当注意，尽管图4中示出了单个轴颈轴承装置200，但也可提供两个或多个 轴颈轴承装置200，以便可旋转地支承风力涡轮机100传动系的主轴112。在图4中所示的 典型实施例中，主轴112在图4的左侧由轴承装置200支承，而在图4的右侧则由齿轮箱 111支承。 图5为根据另一典型实施例的传动系布置的侧视图。传动系包括主轴112中的轮 毂104，其中，主轴112为轮毂104与齿轮箱111之间的连接装置。在图5中所示的典型实 施例中，提供了两个轴颈轴承装置200，以便可旋转地支承风力涡轮机100的主轴112。
两个轴承装置200由第一安装单元209和第二安装单元210支承。这里应当注意， 第一安装单元209和第二安装单元210可提供为弹性支承件，以便吸收来自于主轴112的 极端负载和/或弯矩。在图5中所示的典型实施例中，齿轮箱111附接到主轴112的一侧 上。此外，使用了可提供为轴颈轴承的推力轴承205，以便轴向地限定主轴112的位置。
用于至少一个轴颈轴承装置200、尤其是用于至少一个轴颈轴承装置200的壳体 202的材料包括但不限于白合金、巴比特合金、复合材料、高性能塑料材料以及磷青铜。根据 其它典型实施例，可应用具有定制(tailor-made)涂层的金属，如硬质涂层镍铬硼。
此外，高性能塑料材料可用于金属部分与塑料部分之间。通常，用于根据典型实施 例的轴颈轴承200的高粘性油在4(TC时具有大于1， OOOcSt(厘沲；lcSt = 10—Ws—1)的粘 度。此外，根据典型实施例，可使用具有大约43，000cSt的粘度的聚a烯烃合成油，其将容 许具有所需的油膜。 轴颈轴承200位置处的主轴112外表面可进行抛光。此外，轴颈轴承壳体202的内 表面可具有经抛光的结构。流体润滑剂如高粘性油经由接头203(见图3)进给到轴承200 的腔室204中。对轴颈轴承200填充流体润滑剂可在高压下进行。
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图6为根据又一典型实施例的轴颈轴承200的截面图。图6中所示的轴颈轴承 200具有壳体202和附接到中空圆柱壳体202内壁上的高性能塑料材料208。圆柱形电极 207嵌入在高性能塑料材料208内。图3中的参考标号201示出了主轴112围绕旋转轴线 113的旋转方向。 主轴112与壳体202之间的腔室204(图3中由参考标号204表示)由电流变流体 206填充。电流变流体206为其粘度可通过施加到整个流体层上的电场进行控制的流体。
电流变流体206通过接头203引入腔室204中。在典型实施例中，在高压下引入 电流变流体206。 根据典型实施例，使用了电源(未示出)，以便将电位差施加在电极207与导电的 主轴112之间。电极207与主轴112之间所施加的电场越大，则流体润滑剂即电流变流体 206的粘度就越大。电流变流体206的粘度可根据环境温度调整，使得即使在例如夏季/冬 季引起环境温度变化，也可为轴颈轴承200提供恒定的粘度。 此外，将磁流变流体引入主轴112与壳体202之间的腔室204中也是可行的。
磁流变流体可通过磁场控制。因此，除取代电极构造207， 112的磁场产生装置(附 图中未示出)之外，还必须为轴承装置200的壳体202提供磁性传递材料。在直接驱动中 产生的磁场可用于此目的，并且可在发电机/转换器的控制之下嵌入对磁场和/或电场的 控制。 图7为根据又一典型实施例的风力涡轮机传动系的侧截面视图。在图7中所示的 布置中，主构架114为固定的，而轮毂104连同至少一个转子叶片101 (图7中未示出)一 起围绕固定的主构架114的固定的凸起部分115旋转。 旋转轴线113与主轴112的中心轴线重合。凸起部分115可为中空的，使得主轴 112可插入凸起部分中。因此，主轴112适于在固定主构架114的固定凸起部分115内旋 转。轴颈轴承装置200在沿固定主构架114的固定凸起部分115的两个轴向位置处提供对 轮毂104的支承。轴承装置可包括适于提供润滑流体的接头203。此外，提供了推力轴承 205，以便限定旋转轮毂104的轴向位置。轮毂104至主轴112的机械连接由轴线支承单元 116提供。 这里应当注意，尽管图7中未示出，但根据典型实施例(例如见图3)，主轴112可 由至少一个轴颈轴承装置200支承。 本发明已基于附图中所示的实施例进行了描述，并且从实施例中显出了其它优点 和变型。然而，本文并不限于以具体形式描述的实施例，而是可采用适合的方式进行修改和 变化。将一个实施例的独立特征和特征的组合与另一个实施例的特征和特征的组合以适合 的方式相结合以便得到其它的实施例，也落在本发明的范围内。 本领域的技术人员很清楚，基于本文所教导的内容，可在不脱离本文的公开内容 及其更宽泛方面的情况下进行变化和修改。也就是说，上文所阐述的所有实例旨在为示例 性的而非限制性的。
权利要求
一种用于风力涡轮机主轴(112)的轴承装置(200)，包括固定的中空圆柱部分(202)，其适于安装在所述风力涡轮机(100)的机舱(103)处，其中，所述中空圆柱部分(202)的内径大于所述主轴(112)的外径，使得当所述主轴(112)插入所述中空圆柱部分(202)时在其间形成腔室(204)；以及接头(203)，其适于将润滑流体提供给位于所述固定的中空圆柱部分(202)与所述主轴(112)之间的所述腔室(204)。
2. 根据权利要求l所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述润滑流体提供为高粘性油 和/或脂。
3. 根据权利要求l所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述固定的中空圆柱部分 (202)还包括电极(207)，其中，所述润滑流体提供为电流变流体(206)，所述电流变流体 (206)适于通过施加在所述电极与所述主轴(112)之间的电场对粘度进行控制。
4. 根据权利要求l所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述固定的中空圆柱部分 (202)还包括适于在所述腔室(204)内产生磁场的磁场产生装置，其中，所述润滑流体提供 为磁流变流体，所述磁流变流体适于通过由所述磁场产生装置所产生的所述磁场对粘度进 行控制。
5. 根据权利要求l所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述固定的中空圆柱部分 (202)由白合金、巴比特合金、复合材料、高性能塑料材料和磷青铜的组合中的至少一种材 料制成。
6. 根据权利要求1所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述主轴(112)在所述轴承装 置(200)位置处具有抛光的外表面。
7. 根据权利要求l所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述固定的中空圆柱部分 (202)具有抛光的内表面。
8. —种用于风力涡轮机(100)的轮毂(104)的轴承装置(200)，包括 凸起部分(115)，其适于安装在所述风力涡轮机(100)机舱(103)的主构架处； 适于连接到所述轮毂(104)上的可旋转的中空圆柱部分(202)，其中，所述可旋转的中空圆柱部分(202)的内径大于所述凸起部分(115)的外径，使得当所述凸起部分(115)插 入所述可旋转的中空圆柱部分(202)时在其间形成腔室(204);以及接头(203)，其适于将润滑流体提供给位于所述凸起部分(115)与所述可旋转的中空 圆柱部分(202)之间的所述腔室(204)。
9. 根据权利要求8所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述润滑流体提供为高粘性油 和/或脂。
10. 根据权利要求8所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述可旋转的中空圆柱部分 还包括电极，其中，所述润滑流体提供为电流变流体(206)，所述电流变流体(206)适于通 过施加在所述电极与所述固定的中空圆柱部分(202)之间的电场对粘度进行控制。
11. 根据权利要求8所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述凸起部分(115)还包括 适于在所述腔室(204)内产生磁场的磁场产生装置，其中，所述润滑流体提供为磁流变流 体，所述磁流变流体适于通过由所述磁场产生装置所产生的磁场对粘度进行控制。
12. 根据权利要求8所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述凸起部分(115)由白合 金、巴比特合金、复合材料、高性能塑料材料和磷青铜的组合中的至少一种材料制成。
13. 根据权利要求8所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述凸起部分(115)为中空 的，使得所述风力涡轮机(100)的主轴(112)可在所述凸起部分(115)内旋转。
14. 根据权利要求8所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述凸起部分(115)在所述 轴承装置(200)位置处具有抛光的外表面。
15. 根据权利要求8所述的轴承装置(200)，其特征在于，所述可旋转的中空圆柱部分 (202)具有抛光的内表面。
全文摘要
本发明涉及轴承装置及具有所述轴承装置的风力涡轮机。具体而言，用于风力涡轮机(100)主轴(112)的轴承装置(200)包括适于安装在风力涡轮机(100)机舱(103)处的固定的中空圆柱部分(202)。中空圆柱部分(202)的内径大于主轴(112)的外径，使得当主轴(112)插入中空圆柱部分(202)时在其间形成腔室(204)。此外，接头(203)将润滑流体提供给位于固定的中空圆柱部分(202)与主轴(112)之间的腔室(204)。
文档编号F16C32/00GK101737272SQ20091024642
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月20日 优先权日2008年11月21日
发明者E·耶格罗塞戈维亚, P·L·贝尼托圣地亚哥 申请人:通用电气公司