專利名稱：風(fēng)力渦輪機主軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述了風(fēng)力渦輪機主軸承。本發(fā)明還描述了具有風(fēng)力渦輪機主軸承的風(fēng)力渦輪機以及對風(fēng)力渦輪機進行維護的方法。
背景技術(shù)：
在用于產(chǎn)生電能的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器(也被稱為風(fēng)力發(fā)電機)中使用的風(fēng)力渦輪機對于從可再生資源中獲得能量具有寶貴的貢獻。風(fēng)能轉(zhuǎn)換器能夠在內(nèi)陸，即基于陸地的，或者在近海，即構(gòu)造在沿海區(qū)域中。近海渦輪機在性能上優(yōu)于內(nèi)陸風(fēng)力渦輪機，這是因為通常在海上盛行多風(fēng)環(huán)境，而且根據(jù)其位置，基于陸地的風(fēng)力渦輪機會承受持久的小風(fēng)力時期且因而具有相對較低的動力輸出。為此，建造了越來越多的近海渦輪機，并且近海渦輪機的數(shù)量預(yù)期在未來會繼續(xù)增加。這些進展以及新型風(fēng)力渦輪機具有更大的尺寸均導(dǎo)致了對于維修能力和穩(wěn)固性的更大需求。顯而易見的，近海渦輪機與基于陸地的或內(nèi)陸渦輪機相比具有更大的維修成本。目前使用了幾種不同類型的風(fēng)力渦輪機或風(fēng)能轉(zhuǎn)換器。許多使用的是轂和葉片處于其一端且變速箱處于另一端的主軸，不過還存在替代性設(shè)計。例如，Vestas 3MW V90使用結(jié)合的主軸承和變速箱，即變速箱被整合到主軸承，并且因此不具有主軸。另一風(fēng)力渦輪機類型不具有變速箱，并且發(fā)電機低速旋轉(zhuǎn)。這些風(fēng)力渦輪機被稱為“直接驅(qū)動發(fā)電機”并且因此不具有諸如此類的主軸。這些現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機使用滾動體軸承作為主軸承來支撐轉(zhuǎn)子和葉片，并且如果風(fēng)力渦輪機具有主軸的話還支撐主軸。典型的維修問題是更換不合格軸承，具體地是主軸承，其根據(jù)風(fēng)力渦輪機的尺寸和風(fēng)力情況而必須支撐非常大的動態(tài)負(fù)載。主軸承上的負(fù)載主要由葉片、轂和主軸的綜合質(zhì)量以及風(fēng)速來確定。這些大的動態(tài)負(fù)載導(dǎo)致了風(fēng)力渦輪機中相應(yīng)的大的動態(tài)軸偏轉(zhuǎn)。由渦輪機尺寸且因而葉片尺寸來確定風(fēng)力渦輪機的最大旋轉(zhuǎn)速度。具有較大葉片的較大渦輪機產(chǎn)生較小的最大旋轉(zhuǎn)速度。例如現(xiàn)有2.0 MW渦輪機具有19 rpm的最大旋轉(zhuǎn)速度，而3. 6 MW渦輪機的最大旋轉(zhuǎn)速度僅是13 rpm。在這些低速下，施加在主軸和主軸承上的動態(tài)負(fù)載會非常大，特別是在強風(fēng)情況時，其中施加在軸承上的大約高于2 MN (兆牛頓)的最終力并不是罕見的。在起動或停機時，情況變得更加嚴(yán)峻，因為旋轉(zhuǎn)速度極低，例如小于5 rpm，并且軸和主軸承之間的摩擦變得更大。明顯地，軸承負(fù)載隨著風(fēng)力渦輪機尺寸的增加而增加。 大型滾動體軸承對于材料品質(zhì)非常敏感且需要正確處理和潤滑，與這些問題相結(jié)合的工況使得滾子軸承或球軸承更傾向于在所需使用壽命期間失效。因為較大的風(fēng)力渦輪機由于其整體上更佳的系統(tǒng)效益而是理想的，所以軸承的使用壽命和性能在風(fēng)力渦輪機設(shè)計中成為更加關(guān)鍵的方面，特別是對于近海風(fēng)力渦輪機而言。常規(guī)滾子軸承與許多問題相關(guān)。滾子軸承必須被機加工至高精度，因為任何不規(guī)則均能夠快速地導(dǎo)致材料失效。在風(fēng)力渦輪機的主軸承中使用滾子軸承系統(tǒng)的另一個主要問題是與其維護相關(guān)的困難。例如滑動軸承或頸軸承(journal bearing)的替代方案與滾子軸承相比雖然對噪音和振動較不敏感，但是同樣是不合適的，因為它們對于邊緣負(fù)載不耐受，因為相對柔性的渦輪機結(jié)構(gòu)的原因?qū)a(chǎn)生該邊緣負(fù)載。不可能在不首先拆除驅(qū)動系的情況下更換這樣的軸承或軸承零件。需要適當(dāng)?shù)拇笮屯獠科鹬貦C來將轂、葉片、軸和軸承提升離開渦輪機。之后能夠拆卸和更換軸承，并且之后部件必須被再次提升就位以便組裝。具有必要提升能力的外部起重機導(dǎo)致了顯著的附加成本，特別是對于近海風(fēng)力渦輪機而言，因為必須通過船舶來(在良好天氣情況下)運輸外部起重機。如技術(shù)人員將意識到的，在風(fēng)能轉(zhuǎn)換器中的這種維護過程是昂貴且耗時的，特別是在近海位置。而且，僅能夠在小風(fēng)力情況時執(zhí)行這種維護。不過在近海位置，小風(fēng)力情況會是非常罕見的。于是，具有損壞軸承的渦輪機必須被長期收攏直到風(fēng)速減慢，在此期間渦輪機不能夠用于產(chǎn)生電能。簡而言之，當(dāng)前的軸承系統(tǒng)在用作風(fēng)力渦輪機內(nèi)的主軸承時不能令人滿意地滿足長久使用壽命和低維修的需求。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供避免上述問題的用于風(fēng)力渦輪機的改良軸承。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)通過根據(jù)權(quán)利要求1的風(fēng)力渦輪機主軸承、根據(jù)權(quán)利要求12的風(fēng)力渦輪機、根據(jù)權(quán)利要求15的在風(fēng)力渦輪機上進行維護的方法以及通過根據(jù)權(quán)利要求16的將流體軸承作為風(fēng)力渦輪機中的主軸的用法來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機主軸承被實現(xiàn)為承載風(fēng)力渦輪機的軸，由連接到軸的多個葉片來導(dǎo)致軸旋轉(zhuǎn)，特征在于風(fēng)力渦輪機主軸承包括具有繞軸設(shè)置的多個軸承墊的流體軸承。本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機主軸承特別適用于承載軸、轂、葉片等的綜合重量以及施加在這些部件上的動態(tài)負(fù)載。由于約束的結(jié)合，軸的最大許用旋轉(zhuǎn)速度小。根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機主軸承被定尺寸且實現(xiàn)為用于如下的風(fēng)力渦輪機中，即被實現(xiàn)為使軸以5 rpm -25 rpm范圍內(nèi)的速度旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選地以5-20 rpm范圍內(nèi)的速度旋轉(zhuǎn)，且最優(yōu)選地以5_15 rpm 范圍內(nèi)的速度旋轉(zhuǎn)。流體軸承是支撐全部在薄的液體(通常是油)層上的負(fù)載的軸承。在下文中，術(shù)語 “風(fēng)力渦輪機主軸承”和“流體軸承”可以互換地使用而不以任何方式限制本發(fā)明。從諸如水力發(fā)電中使用的渦輪機中可以得知流體軸承。流體軸承還可以用于航海應(yīng)用，例如船舶發(fā)動機和潛水艇推進器軸。不過，這些應(yīng)用領(lǐng)域中使用的渦輪機是高速且低負(fù)載的應(yīng)用，即轉(zhuǎn)子以數(shù)百rpm的高速旋轉(zhuǎn)，而施加在主軸承上的負(fù)載通常較小且是恒定的，這是由于水流具有更加恒定的屬性，且這樣的渦輪機極少經(jīng)歷起動或停機過程。不過在風(fēng)能轉(zhuǎn)換器中，工況是非常不同的，如背景技術(shù)部分指出的，包括低旋轉(zhuǎn)速度、高負(fù)載和頻繁的起動和停機。 因為這些原因，在內(nèi)陸和近海位置使用的現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機尚未使用流體軸承作為主軸承，而是依賴于常規(guī)軸承，如滾子軸承。有利的是，因此，本發(fā)明用于風(fēng)力渦輪機的流體軸承提供了更加合適的軸承類型， 其與常規(guī)滾子軸承相比更不易于軸承失效，且同時顯著地更易于維護。例如，流體軸承的墊能夠相對容易地被去除或插入，而不必須拆卸驅(qū)動系，而在滾子軸承的情況下則必須要拆卸驅(qū)動系以便通達到軸承。在下文中，在不以任何方式限制本發(fā)明的情況下，術(shù)語“風(fēng)力渦輪機”可以被理解為指的是內(nèi)陸或近海風(fēng)能轉(zhuǎn)換器。因為根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機能夠包括主軸和變速箱， 或者能夠是直接驅(qū)動發(fā)電機，所以術(shù)語“軸”和“主軸”可以互換地使用而不會以任何方式限制本發(fā)明，并且旨在指的是由主軸承支撐的旋轉(zhuǎn)零件。根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機包括流體軸承作為其主軸承，該流體軸承包括圍繞風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子軸設(shè)置的多個軸承墊。在根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機中，在保持墊繼續(xù)支撐負(fù)載的時候能夠去除或插入個別墊。因此與維護滾子軸承相比，根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機中的這種流體軸承的維護是相當(dāng)容易且快捷的，在滾子軸承的維護中，如背景技術(shù)中所描述的，驅(qū)動系必須首先通過起重機被提升且之后被拆卸以便通達到軸承。因此，因為根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機的流體軸承比直到現(xiàn)在為止現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機中所用的常規(guī)軸承類型更加穩(wěn)固，所以這樣的風(fēng)力渦輪機將需要更少的維護并且當(dāng)需要維護時能夠更快速且在更少勞力的情況下被執(zhí)行。這些原因使得根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機特別有益于近海位置。因為與需要高精度機加工的常規(guī)滾子軸承相比，流體軸承的制造更加簡明且經(jīng)濟，因此對于內(nèi)陸位置而言，本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機也明顯地是有吸引力的。根據(jù)本發(fā)明，在這樣的風(fēng)力渦輪機上進行維護的方法包括如下步驟停止軸的旋轉(zhuǎn)；操作升降設(shè)置來抬升軸；以及從風(fēng)力渦輪機主軸承的軸承殼體去除風(fēng)力渦輪機主軸承的軸承墊。這種非常簡明的方法與現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機相比是令人滿意的，具有滾子軸承作為主軸承的現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機必須具有更加復(fù)雜的維護過程，并且需要外部起重機來從渦輪機拆開并提升轂、葉片、軸和軸承。之后，能夠更換軸承并且之后所有部件必須被提升就位以便組裝。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，能夠在不拆卸驅(qū)動系的情況下從軸承殼體容易地去除軸承墊。根據(jù)本發(fā)明的方法的明顯優(yōu)點在于減少了成本，因為不需要具有大提升能力的昂貴的外部起重機。而且，因為能夠在不必須拆卸驅(qū)動系的情況下在根據(jù)本發(fā)明的主軸承上容易地實現(xiàn)維護，所以在維護期間穩(wěn)定的小風(fēng)速天氣情況不是絕對必要的。因此，非常令人滿意地減少了維護期間風(fēng)力渦輪機長時間停機的風(fēng)險。如下面的描述所示的，通過從屬權(quán)利要求給出了本發(fā)明的具體有利實施例和特征。風(fēng)能轉(zhuǎn)換器的動力輸出在很大程度上取決于其尺寸。大體而言，具有較長葉片且因而具有較大主軸的風(fēng)力渦輪機能夠產(chǎn)生更多的電能。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，風(fēng)力渦輪機主軸承被實現(xiàn)為承載具有至少40厘米直徑(在主軸承的區(qū)域內(nèi))的軸，更優(yōu)選地該直徑至少50 cm，并且最優(yōu)選地該直徑至少80 cm。主軸承通常圍繞軸的最大直徑設(shè)置， 通常處于轂端(直徑可以朝向變速箱端顯著減小)。例如，1.3 MW風(fēng)力渦輪機在主軸承處能夠具有大約陽cm的軸直徑，而2. 3 MW風(fēng)力渦輪機在主軸承處可以具有大約80 cm的軸直徑。3.6 MW風(fēng)力渦輪機的主軸承處的軸甚至能夠具有100 cm或更大的直徑。根據(jù)本發(fā)明的流體軸承特別適用于承載這樣的大型渦輪機的負(fù)載以及在工作期間施加的任意動態(tài)負(fù)載。根據(jù)本發(fā)明的且用作主軸承的流體軸承應(yīng)當(dāng)不會與在一些風(fēng)力渦輪機中用于其他目的的常規(guī)流體軸承混淆，例如所述風(fēng)力渦輪機也可以裝備有例如在變速箱內(nèi)或之外的常規(guī)流體軸承作為驅(qū)動組件的一部分，該常規(guī)流體軸承直徑上非常小。這樣的流體軸承的一種示例是Main Metall International AG制造的流體動力學(xué)“Norixlager”，其具有最大6 cm 的內(nèi)直徑并且預(yù)計用于變速箱或發(fā)電機中的高旋轉(zhuǎn)使用。如技術(shù)人員將知道的，這樣的常
6規(guī)流體軸承不被設(shè)計成當(dāng)主軸在風(fēng)力渦輪機中以低旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)時工作并且不能夠承受風(fēng)力渦輪機中產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)。流體軸承的軸承墊優(yōu)選地被設(shè)置在外部容納結(jié)構(gòu)或主軸承殼體內(nèi)。軸承墊可以在下文中被總體地稱為“墊設(shè)置”。軸承殼體優(yōu)選地被實現(xiàn)為還容納用于潤滑軸承的流體。這樣的流體可以是具有例如ISO VG 46 - ISO VG 460粘度的適當(dāng)?shù)挠突驖櫥瑒?。在理想情況下，風(fēng)能轉(zhuǎn)換器的葉片導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞其中心縱向軸線平緩旋轉(zhuǎn)。不過， 一些橫向力也可施加在轉(zhuǎn)子軸上，該轉(zhuǎn)子軸會因為大的動態(tài)負(fù)載而在一定程度上運動且彎曲，并且流體軸承的軸承墊應(yīng)該優(yōu)選地能夠適應(yīng)這些運動。因此，根據(jù)本發(fā)明的流體軸承優(yōu)選地被實現(xiàn)為使得軸承墊可傾斜以適應(yīng)軸的偏轉(zhuǎn)。在外部軸承殼體中存在大量可傾斜安裝軸承墊的方式。例如，軸承墊和外部容納結(jié)構(gòu)可以實質(zhì)上以“單件”方式來實現(xiàn)，例如通過柔性連接件將軸承墊連結(jié)到軸承殼體。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，流體軸承的軸承墊包括樞軸承從而將軸承墊可傾斜地連接到軸承殼體。樞軸承能夠包括針對每個軸承墊的球-窩設(shè)置(ball and socket arrangement)，使得軸承墊的外表面包括窩槽，并且“球”或半球是外部容納結(jié)構(gòu)的一部分。 這些流體軸承類型也被稱為“傾斜墊流體軸承”(tilting-pad fluid bearing)。在下文中，為了簡明，術(shù)語“流體軸承”和“傾斜墊流體軸承”可以被互換地使用而不以任何方式限制本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的流體軸承的軸承墊能夠是形狀對稱的?？商娲兀粚ΨQ形狀可以是優(yōu)選的。例如，軸承墊在橫截面上可以呈現(xiàn)基本“不等邊”三角形形狀。軸承墊的這種形狀可允許軸承墊更好地適應(yīng)操作期間施加在主軸上的動態(tài)負(fù)載。根據(jù)本發(fā)明的流體軸承能夠被實現(xiàn)為流體靜力學(xué)和/或流體動力學(xué)軸承。在作為流體動力學(xué)軸承操作期間，當(dāng)轉(zhuǎn)子運動時，潤滑劑在軸承墊下方被汲取，該軸承墊由于流體壓力而稍傾斜?！皟A斜”程度取決于負(fù)載和旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)潤滑劑或流體在軸承墊下方被汲取時，在軸承墊和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生加壓流體的“楔”(wedge)。此外，這樣的流體動力學(xué)軸承在起動時會因為軸承墊和軸之間的大摩擦而經(jīng)受增大的磨損，直到在軸承墊下方已經(jīng)汲取了足夠的潤滑劑。這樣的起動摩擦能夠減少軸承的使用壽命。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，流體軸承被實現(xiàn)為流體靜力學(xué)軸承并且優(yōu)選地包括具有位于軸承墊的內(nèi)表面上的多個腔室的軸承墊，其中腔室包括用于向軸承墊的內(nèi)表面噴射流體潤滑劑的流體入口。以此方式，能夠在非常高壓力下在軸承墊下方直接向主軸的表面噴射潤滑劑，從而在這兩個表面之間迫使形成潤滑劑層，并且允許主軸甚至在起動時在理想的小摩擦下運動。因為在軸承墊和主軸之間噴射的高壓流體導(dǎo)致軸承墊被流體膜抬升和支撐，所以壓力更均勻地分布于墊，并且因此軸承墊的載重能力增加。最終，這可以延長軸承的使用壽命并且減少維護工作。在下文中，腔室還可以被稱為“穴”或“凹槽”。由于軸承墊和主軸之間的流體而導(dǎo)致的壓力分布在軸承墊的內(nèi)表面上是不均勻的，而是在朝向軸承墊的“后邊緣”的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)最大壓力區(qū)，這是由于軸和墊之間的相對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的。因此，在本發(fā)明的具體優(yōu)選實施例中，基于軸承墊的內(nèi)表面上的相對壓力分布來選擇腔室或穴在軸承墊的內(nèi)表面上的位置。以此方式，能夠在軸承表面上的理想位置處發(fā)生油噴射。最優(yōu)選地，腔室或穴的位置與軸承墊的內(nèi)表面上的低相對壓力的區(qū)域一致
7或?qū)?yīng)，以便當(dāng)流體被噴射到這樣的腔室內(nèi)時，軸承墊的內(nèi)表面上流體的總體壓力更均勻地分布。能夠通過計算軸承墊上的壓力分布、將這個壓力分布轉(zhuǎn)換成多個“等壓線輪廓” (isobar contour)并且確定低壓等壓線輪廓相對于軸承墊內(nèi)表面的位置，從而確定低壓區(qū)域。之后，腔室可以優(yōu)選地被形成在軸承墊內(nèi)表面上從而遵循等壓線輪廓，更優(yōu)選地遵循與低壓區(qū)域?qū)?yīng)的等壓線輪廓，或者至少部分地與其一致。之后，流體能夠被更加優(yōu)化地噴射到軸承墊的內(nèi)表面上。例如，在基本矩形軸承墊內(nèi)表面的外部角隅區(qū)域中設(shè)置四個腔室的情況下，在風(fēng)力渦輪機的起動期間和/或操作期間噴射到這些腔室中的流體導(dǎo)致壓力基本均勻分布于軸承墊內(nèi)表面，使得軸承墊承載的負(fù)載更均勻地分布。明顯地，根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機中所用的流體軸承可以被實現(xiàn)為混合軸承，其中一個或更多個墊包括如上所述的腔室以用于在高溫時噴射流體，并且其中旋轉(zhuǎn)主軸的自由表面上的流體同樣在軸承墊的下方被汲取?？梢曰陲L(fēng)力渦輪機的預(yù)期功能及其尺寸(例如能夠基于其未來的位置以及其運轉(zhuǎn)所處的工況)來選擇軸承墊所用的材料。例如，在預(yù)計用于大動力產(chǎn)出且因而具有相應(yīng)尺寸的風(fēng)力渦輪機中，轉(zhuǎn)子施加在軸承上的負(fù)載會非常大，大約2 MN。這些負(fù)載能夠被預(yù)先計算，并且能夠相應(yīng)地選擇材料。軸承材料的示例可以是硬化鋼或拋光鋼，或者具有白金屬 (也被稱為“Babbitt”或“Babbitt金屬”)薄涂層的鋼。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，軸承墊的內(nèi)表面包括具有低彈性模量的聚合物襯底，例如PTFE (聚四氟乙烯)、PVDF (聚偏氟乙烯)、POM (聚甲醛)、PEEK (聚醚醚酮)等的材料。這些材料具有理想的穩(wěn)定性和剛性，并且是輕質(zhì)的，具有低摩擦系數(shù)，并且能夠浸入油中而不被損壞。使用這樣的材料作為軸承的內(nèi)表面能夠是有利的，因為具有這些性質(zhì)的聚合物在壓力下將稍稍變形，使得軸承具有更多的“靈活性”。這允許在流體動力學(xué)操作期間產(chǎn)生更佳的流體膜厚度。聚合物層的厚度能夠取決于流體軸承的使用條件以及軸承墊的尺寸。對于流體靜力學(xué)軸承而言，上述腔室還能夠被切入聚合物襯底中或從聚合物襯底切除。用于風(fēng)力渦輪機的流體軸承的墊設(shè)置能夠包括相對于轉(zhuǎn)子被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置且由外部容納結(jié)構(gòu)保持就位的多個軸承墊。優(yōu)選地，至少三個軸承墊圍繞轉(zhuǎn)子軸以環(huán)或環(huán)形設(shè)置的方式來設(shè)置。例如，環(huán)形設(shè)置能夠包括圍繞轉(zhuǎn)子基本均勻設(shè)置且由適當(dāng)軸承保持就位的三個軸承墊，其中所述適當(dāng)軸承例如上面已經(jīng)描述的樞軸承。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，墊設(shè)置包括圍繞轉(zhuǎn)子軸設(shè)置的兩個或更多個軸承墊環(huán)形設(shè)置。在這樣的情況下，例如使用兩個這樣的環(huán)形設(shè)置且每個具有三個軸承墊，則使用更小的軸承墊就足夠了，因為負(fù)載被分布于所有的六個軸承墊上。在根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機的另一優(yōu)選實施例中，風(fēng)力渦輪機包括例如千斤頂?shù)纳翟O(shè)置，以用于抬升例如主軸的相關(guān)零件，從而減少主軸承上的負(fù)載，以便有助于去除、 插入或維護在軸承殼體的下方區(qū)域內(nèi)的軸承墊。如技術(shù)人員將意識到的，這樣的簡單千斤頂非常容易被安裝到風(fēng)力渦輪機機艙殼體中。使用這樣的千斤頂，主軸或轉(zhuǎn)子能夠被提升并固定從而支撐負(fù)載并保持軸穩(wěn)定。之后，因為軸承墊不再處于任何負(fù)載下，所以它們能夠容易地在單次操作中被更換。如果存在處于環(huán)形設(shè)置的三個或更多個墊，則在維護期間能夠一次去除一個墊且同時剩余的墊繼續(xù)支撐軸或轉(zhuǎn)子。使用處于環(huán)形設(shè)置的至少三個墊是有利的，因為當(dāng)去除一個軸承墊時至少兩個墊可有效地支撐軸?？梢栽诓惶鬏S的情況下容易地去除處于軸承殼體的上方區(qū)域內(nèi)的軸承墊，因為當(dāng)軸不旋轉(zhuǎn)時軸的重量由下方區(qū)域內(nèi)的墊承載。具有主軸的風(fēng)力渦輪機能夠具有一個或更多個軸承，例如主軸承包括根據(jù)本發(fā)明被置于轂端(在此負(fù)載最大)的流體軸承，以及在變速箱中支撐主軸的另一端的常規(guī)滾子軸承。在風(fēng)力渦輪機操作期間并且取決于風(fēng)力情況，軸向負(fù)載還可以被施加在軸上。為了避免材料損壞，風(fēng)力渦輪機優(yōu)選地包括多個推力軸承，其被設(shè)置成例如圍繞軸并且被實現(xiàn)為適應(yīng)軸的這種軸向運動。這些軸向負(fù)載通常沿“下游”方向被施加，即沿軸沿背離轂的方向被施加。這些推力軸承墊還可以被實現(xiàn)成是可傾斜的。為了吸收可能沿相反方向意外地被施加的負(fù)載，風(fēng)力渦輪機還可以優(yōu)選地包括在主軸的前端處的“限位擋塊”(bump stop)，例如在主軸承和轂之間的適當(dāng)位置處的限位擋塊。結(jié)合附圖參考下述詳細(xì)描述將顯而易見到本發(fā)明的其他目標(biāo)和特征。不過應(yīng)該理解，附圖僅用于圖釋的目的并且不作為對本發(fā)明限制的限定。


圖1示出了示例性常規(guī)風(fēng)力渦輪機的基本元件的示意繪圖2示出了貫穿本發(fā)明的第一實施例中的風(fēng)力渦輪機的相關(guān)零件的徑向和縱向示意性橫截面；
圖3示出了貫穿本發(fā)明的第二實施例中的風(fēng)力渦輪機的相關(guān)零件的徑向示意性橫截面，其示出去除了軸承殼體和軸承墊以便維護；
圖4以分解圖示出了圖3的徑向示意性橫截面，其示出了軸承殼體的零件被拆下以便維護；
圖5示出了在用于流體動力學(xué)傾斜墊流體軸承的軸承墊的內(nèi)表面上的三維壓力分布的二維繪圖6示出了在代表軸承墊的內(nèi)表面的表面上圖5的壓力分布的等壓線標(biāo)繪； 圖7基于圖6的等壓線標(biāo)繪示出了軸承墊的內(nèi)表面上的腔室的可能布局； 圖8示出了具有腔室的軸承墊，其中所述腔室使用圖7所述技術(shù)被置于軸承墊的內(nèi)表面內(nèi)；
圖9示出了在具有靜止軸的圖8的軸承墊的內(nèi)表面上的三維壓力分布的二維繪圖； 圖10示出了在具有旋轉(zhuǎn)軸的圖8的軸承墊的內(nèi)表面上的三維壓力分布的二維繪圖； 圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的流體軸承內(nèi)的軸承墊的第二設(shè)置。在附圖中，自始至終，類似附圖標(biāo)記指代類似物體。圖中的物體不必成比例繪制。
具體實施例方式圖1示出了示例性現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)力渦輪機20的基本元件的示意繪圖，在本例中，是風(fēng)力渦輪機的機艙設(shè)置，其具有在由塔201承載的殼體200內(nèi)的驅(qū)動系和變速箱。為了簡潔，僅示出相關(guān)元件。風(fēng)力渦輪機20的葉片11借助于變槳軸承120被固定到轂12或整流罩12，其中所述葉片11的數(shù)量通常但不必須是三個，使用所述變槳軸承120所述葉片11能夠例如在暴風(fēng)情況期間被收攏。在正常操作中，風(fēng)在葉片11上施加壓力，這導(dǎo)致整流罩12和附接的主軸13旋轉(zhuǎn)。使用變速箱14和發(fā)電機140將旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為電能。在這里能量轉(zhuǎn)換的細(xì)節(jié)是無關(guān)緊要的，因而將不會更具體地進行解釋。包括主軸13、變速箱14等的驅(qū)動組件被安裝在機艙基板17上。機艙殼體200的內(nèi)部的尺寸可以大約近似3 m高和10 m長。主軸 13的尺寸能夠是大約40 cm - 100 cm或者更大。葉片11、轂12、主軸13和未被列出的其他元件的綜合重量所施加的以及由風(fēng)施加的力所導(dǎo)致的負(fù)載主要由主軸承15承載，該主軸承15定位成靠近主軸13的整流罩端。作為變速箱14的一部分的附加軸承(圖中未示出)能夠承載小部分負(fù)載。在常規(guī)風(fēng)力渦輪機中，主軸承15是滾子軸承。在機艙中的起重機16用于在維修期間將小的部件和工具吊起到機艙中。對于較重的部件，或者為了提升轂、葉片和軸，需要外部起重機(圖中未示出)。這樣的外部起重機必須被運輸?shù)斤L(fēng)力渦輪機，如背景技術(shù)中解釋的。圖2示出了貫穿風(fēng)力渦輪機10的相關(guān)零件的橫向橫截面(圖的左手側(cè))和縱向橫截面(右手側(cè))，其包括根據(jù)本發(fā)明的傾斜墊流體軸承1。在右側(cè)的縱向橫截面實質(zhì)上是沿橫向橫截面中所示的虛線獲得的并且示出了葉片11、轂12、主軸13和變速箱14。為了簡明， 省去了不相關(guān)的零件，例如機艙基板、發(fā)電機等，不過本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到這些元件當(dāng)然是需要的。在根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機10的這種實施例中，主軸承1包括傾斜流體軸承1，并且主軸13被成形為借助于導(dǎo)致主軸13的圓筒形區(qū)域130的較厚零件來適應(yīng)流體軸承1的軸承墊2。如橫向橫截面中能夠清楚看到的，為了吸收沿方向D (其主要對應(yīng)于主風(fēng)向)的軸向負(fù)載，多個推力軸承墊18沿主軸的“下半部分”的后方外邊緣設(shè)置。沿相反方向的軸向負(fù)載(其更小且較不經(jīng)常發(fā)生)能夠由適當(dāng)?shù)南尬粨鯄K19吸收，該限位擋塊19位于主軸的下半部分的前方外邊緣上的一點。在左手側(cè)的橫向橫截面中，能夠看到軸承墊2的第一設(shè)置，其包括圍繞主軸13的外表面以環(huán)形設(shè)置定位的三個軸承墊2。在縱向橫截面中，僅能夠看到軸承墊2中的兩個。 為了簡明，在這幅圖中僅大致示出軸承墊2的形狀，不過將在下文中更具體地描述。此外， 軸承殼體3被簡單地示作閉合圓，不過下文將在圖3和圖4中更詳細(xì)地描述。軸承墊2可以借助于適當(dāng)?shù)妮S承(未示出)被可傾斜地固定到軸承殼體3。軸承墊被示為具有不對稱橫截面，即不等邊三角形的形式且三角形的外“角”(限定了墊傾斜所繞的點或軸線)位于軸承殼體處且較長邊在軸的旋轉(zhuǎn)方向上。軸承墊的不對稱形式最佳地匹配了軸的旋轉(zhuǎn)方向。為了簡明，在橫向橫截面中軸承殼體3僅被示為圓，該軸承殼體3裝備有適當(dāng)?shù)拿芊饧?未示出)以便容納任意潤滑流體。為了通達到軸承墊2以便維護，千斤頂22被安裝在機艙基板上并且能夠用于將主軸13抬升足夠的量以便允許去除下方軸承墊2之一。圖3示出了貫穿根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機10的相關(guān)零件的橫向橫截面，其示出了包括頂部元件34、側(cè)元件33和基底元件35的軸承殼體。這些元件33、34或部段能夠被理想地定尺寸，以便它們能夠被容易地提升，例如使用內(nèi)部起重機來提升。在這種示例中，軸承殼體容納四個軸承墊2，其中一個被去除以便維護(如箭頭所指)。附圖示出了圍繞主軸13 設(shè)置且使用球-窩樞軸承30被固定到軸承殼體的墊2。附圖還示出了沿主軸13的下部區(qū)域定位的一系列推力軸承墊18’。在主軸承13下方，放置了貯存器32或貯槽32以便收集潤滑流體并使其返回到泵(圖中未示出)。圖4示出了在上文的圖3中所述的軸承殼體的分解圖。這幅圖示出了如何能夠容易地提升或去除軸承殼體的各元件33、34以便允許通達到軸承墊2。取決于要更換哪個或哪些軸承墊2，可以提出側(cè)元件33，或者可以抬升頂部元件34。在不需要昂貴的外部起重機 (如上文在常規(guī)風(fēng)力渦輪機的維護背景下所描述的)的情況下，能夠容易地去除和更換這些元件33、34。在右手側(cè)，附圖示出了軸承墊2被去除以便更換或維修(如箭頭所指)。圖5示出了在用于流體動力學(xué)傾斜墊流體軸承的軸承墊的內(nèi)表面上的三維壓力分布的二維繪圖，其中在軸旋轉(zhuǎn)時，在軸承墊下方汲取潤滑流體。X和Y軸線分別代表軸承墊的寬度(跨過軸承殼體)和長度(沿主軸的周界)。所示尺寸僅是示例性的，并且對于大多數(shù)風(fēng)力渦輪機構(gòu)造而言0.5 m X 0.7 m的軸承墊表面將是足夠的。為了簡化表達，由X和 Y軸線界定的平面所得到的“軸承表面”被表示為是平的，而在實際上其可以是彎曲的區(qū)域從而適應(yīng)軸的曲率。通過平行于Y軸線的箭頭來給出主軸的旋轉(zhuǎn)方向R，而軸承墊的“后邊緣”與X軸線一致。如技術(shù)人員所公知的，壓力分布源自墊和軸之間速度的差異以及傾斜墊軸承和旋轉(zhuǎn)軸之間形成的加壓液體的會聚“楔”(converging wedge).壓力的單位是 MPa (兆帕斯卡)，并且所示的值同樣僅是示例性的。如能夠從附圖中看出的，示出了壓力的峰值。峰值壓力相對于軸承墊的位置可以取決于軸承墊連接到軸承殼體的方式，例如樞軸承的位置。操作期間壓力的量以及構(gòu)建的壓力分布取決于多個因素，例如主軸的旋轉(zhuǎn)速度和軸承上的外力，這主要由風(fēng)速和軸承墊所承載的機器的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量來確定。圖6示出了圖5的壓力分布在代表軸承墊的內(nèi)表面的表面上的等壓線標(biāo)繪。輪廓線呈現(xiàn)了朝向軸承墊的后邊緣的密度，在此壓力急劇增加。能夠看到低壓區(qū)朝向軸承墊內(nèi)表面的邊緣和角隅區(qū)域，在此等壓線或輪廓線進一步分開。圖7示出了基于圖6的等壓線標(biāo)繪腔室或凹槽在軸承墊的內(nèi)表面上的可能布局。 如附圖所示，凹槽主要“遵循”對應(yīng)較低壓力的區(qū)域內(nèi)的輪廓。圖8示出了具有使用上文圖7所述的技術(shù)所放置的在軸承墊2的內(nèi)表面內(nèi)的腔室 C1,C2X3^C4的軸承墊2。在這種實施例中，通過具有低彈性模量的聚合物襯底50來得到軸承墊2的內(nèi)表面。這種襯底50能夠根據(jù)設(shè)計需求而具有一定厚度。腔室CpC2X3X4能夠延伸到例如具有大約5 cm厚度的軸承墊2內(nèi)5 mm深度。對于流體靜力學(xué)操作而言，腔室 C1^ C2, C3> C4配備有流體入口 Fi、F2、F3、F4以便在操作期間在高壓下噴射流體。圖9示出了在軸靜止時圖8的軸承墊2的內(nèi)表面上的三維壓力分布的二維繪圖。 這個附圖示出了，即使在靜止時，施加在軸承墊內(nèi)表面上的壓力仍相對均勻地分布。最高壓力的區(qū)域與穴Cp C2, C3, C4 一致，因為流體被噴射到這些區(qū)域內(nèi)，從而導(dǎo)致軸承墊2被推離主軸并由流體膜支撐。這種均勻流體壓力分布在起動條件期間是特別有利的，因為顯著減小了由于摩擦導(dǎo)致的磨損。這種操作模式被稱為流體靜力學(xué)操作。圖10示出了當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)并且流體在高壓下噴射到腔室內(nèi)時圖8的軸承墊2的內(nèi)表面上的三維壓力分布的二維繪圖。這種操作模式被稱為混合操作并且是流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)操作的結(jié)合。該附圖示出了在流體靜力學(xué)操作期間使用這樣的腔室來噴射流體的優(yōu)點。與圖5的流體動力學(xué)壓力分布相比，帶有穴的軸承墊所獲得的流體靜力學(xué)壓力分布顯示出壓力更均勻地分布在軸承墊的內(nèi)表面上，并且減小了峰值壓力和低壓區(qū)域之間的差。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的用于風(fēng)力渦輪機的傾斜墊流體軸承內(nèi)的軸承墊2的第二設(shè)置的非常簡化的示意圖。主軸13被簡單地表示為圓筒體，不過技術(shù)人員將意識到其形式可以顯著不同于這種表示。在這種認(rèn)識下，軸承墊2被實現(xiàn)為彎曲部段且樞軸承位于軸承墊“背面”和軸承殼
11體(圖中未示出)內(nèi)側(cè)之間，以便將軸承墊可傾斜地固定到軸承殼體。附圖表示出了針對這種樞軸承在各軸承墊2的外表面上的窩槽62。樞軸承能夠是簡單的球-窩軸承，如技術(shù)人員公知的。樞軸承將軸承墊2固定到軸承殼體且同時允許軸承墊2動態(tài)地適應(yīng)在操作期間主軸13的旋轉(zhuǎn)速度和施加在主軸13上的變化力。軸承墊2的形式可以是不對稱地以便適應(yīng)軸13的旋轉(zhuǎn)方向R，如上所述。這里，每個均包括三個軸承墊2的兩個環(huán)形設(shè)置被設(shè)置成圍繞風(fēng)力渦輪機的主軸 13。一些或全部軸承墊2可以具有如上所述的穴或腔室的特征。例如，位于主軸13“下方” 且承載其重量的軸承墊2可以具有穴以用于在高壓時噴射流體從而將主軸13 “推”離軸承墊2，且同時可以在主軸13的“頂部上”具有無穴軸承墊2的情況下獲得令人滿意的操作。雖然已經(jīng)以優(yōu)選實施例及其變型的形式公開了本發(fā)明，不過將理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下能夠?qū)ζ渥鞒龃罅款~外的改進和變型。為了簡明，應(yīng)該理解，貫穿本申請使用“一”或“一種”并不排除多個，并且“包括” 不排除其他步驟或元件。除非另做聲明，否則“單元”或“模塊”能夠包括多個單元或模塊。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機主軸承(1 )，其被實現(xiàn)為承載風(fēng)力渦輪機(10)的軸(13)，由連接到該軸(13)的多個葉片(11)導(dǎo)致該軸旋轉(zhuǎn)，其特征在于所述風(fēng)力渦輪機主軸承(1)包括具有繞所述軸(13 )設(shè)置的多個軸承墊(2 )的流體軸承(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機主軸承，其特征在于風(fēng)力渦輪機主軸承(1)被實現(xiàn)為承載的軸(13)具有至少40厘米的直徑(Ds)，更優(yōu)選地至少50厘米的直徑，并且最優(yōu)選地至少80厘米的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機主軸承，其特征在于所述風(fēng)力渦輪機主軸承(1)被實現(xiàn)為使得所述軸承墊(2)可傾斜以適應(yīng)所述軸(13)的偏轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其特征在于所述風(fēng)力渦輪機主軸承 (1)包括軸承殼體(3)，并且其中所述風(fēng)力渦輪機主軸承(1)的軸承墊(2)包括樞軸承(30) 從而將所述軸承墊(2 )可傾斜地連接到所述軸承殼體(3 )。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其特征在于軸承墊(2) 具有根據(jù)所述軸(13 )的旋轉(zhuǎn)方向(R)而選擇的不對稱結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其特征在于軸承墊(2) 包括位于所述軸承墊(2)的內(nèi)表面上的多個腔室((1、(2、(3、(；)，其中腔室((1、(2、(3、(；)包括流體入口(Fi、F2、F3、F4)以用于將流體潤滑劑噴射到所述軸承墊(2)的所述內(nèi)表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其特征在于基于在所述軸承墊(2)的所述內(nèi)表面上的相對壓力分布來選擇腔室(CpCp(^C4)的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其特征在于腔室(Cp C2、C3、C4)的位置對應(yīng)于所述軸承墊(2)的所述內(nèi)表面上的低相對壓力區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其特征在于基于代表所述軸承墊(2)的所述內(nèi)表面上的低相對壓力區(qū)域的特定等壓線輪廓來選擇腔室(Cp C2, C3、 C4)的位置。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其特征在于軸承墊(2) 的內(nèi)表面襯有聚合物襯底(50 )。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其特征在于繞所述軸 (13)設(shè)置的軸承墊(2)的至少一個環(huán)形設(shè)置。
12.—種風(fēng)力渦輪機(10)，包括被連接到軸(13)且實現(xiàn)為使所述軸(13)旋轉(zhuǎn)的多個葉片(11 )，并且包括用于所述軸(13)的主軸承(1 )，其特征在于所述主軸承(1)是根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項所述的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的風(fēng)力渦輪機(10)，其特征在于繞所述軸(13)設(shè)置的多個推力軸承(18，18’)以及任選地設(shè)置在所述軸(13)的前端處的限位擋塊(19)，其被實現(xiàn)為適應(yīng)所述軸(13)的縱向運動。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的風(fēng)力渦輪機(10)，其特征在于升降設(shè)置 (22)，其用于抬升所述風(fēng)力渦輪機(10)的元件以便有助于去除、插入或維護所述風(fēng)力渦輪機主軸承(1)的軸承墊(2)。
15.一種在根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(10)上進行維護的方法， 包括步驟-停止所述軸(13)的旋轉(zhuǎn)；-操作升降設(shè)置(22 )來抬升所述軸(13 )；以及-從所述風(fēng)力渦輪機主軸承(1)的所述軸承殼體(3 )去除所述風(fēng)力渦輪機主軸承(1)的軸承墊(2)。
16. 一種將流體軸承(1)作為風(fēng)力渦輪機(10)中的主軸承(1)的用法，其中所述流體軸承(1)包括繞所述風(fēng)力渦輪機(10)的軸(13)設(shè)置的多個軸承墊(2)，由連接到所述軸(13) 的多個葉片(11)來導(dǎo)致該軸旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明描述了風(fēng)力渦輪機主軸承(1)，其被實現(xiàn)為承載風(fēng)力渦輪機(10)的軸(13)，由連接到軸(13)的多個葉片(11)導(dǎo)致軸旋轉(zhuǎn)，特征在于風(fēng)力渦輪機主軸承(1)包括流體軸承(1)，流體軸承具有圍繞軸(13)設(shè)置的多個軸承墊(2)。本發(fā)明還描述了一種風(fēng)力渦輪機(10)，其包括連接到軸(13)且被實現(xiàn)為使軸(13)旋轉(zhuǎn)的多個葉片(11)，該風(fēng)力渦輪機(10)包括作為主軸承(1)的風(fēng)力渦輪機主軸承(1)。本發(fā)明還描述了在根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的風(fēng)力渦輪機(10)上進行維護的方法，包括步驟停止軸(13)的旋轉(zhuǎn)；操作升降設(shè)置(22)來抬升軸(13)；以及從風(fēng)力渦輪機主軸承(1)的軸承殼體(3)去除風(fēng)力渦輪機主軸承(1)的軸承墊(2)。
文檔編號F03D11/00GK102472253SQ200980160389
公開日2012年5月23日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者斯特格 J., 湯森 K., 紐 N., 古倫堡 P-A. 申請人:西門子公司