偏航軸承系統的製作方法

2023-05-23 04:36:26

專利名稱：偏航軸承系統的製作方法
技術領域：
本公開內容涉及風能系統和用於風能系統的偏航軸承系統。
背景技術：
來自於風能系統傳動系的力和力矩通過大型偏航軸承引導至風能系統的塔架。偏航軸承通常為一個大型輪體，其取決於偏航驅動器的位置而具有向外或向內朝向的齒。偏航驅動器用於相對於塔架定向帶有傳動系的機器機艙。風能系統具有底板(bed plate)固定於其中的機艙。底板連接到偏航軸承上。當前的底板設計可能會確定疲勞問題，尤其是在力和力矩具有最大值的偏航軸承附近。可能的結果是保修成本較高而客戶滿意度較低。因此，機艙與風能系統塔架的連接應當改進以減少疲勞問題，尤其是在將來更大的風力渦輪機的情況下。

發明內容
鑑於上文，提供了一種風能系統，其中，該風能系統具有塔架；機器機艙；下偏航軸承；以及上偏航軸承；下偏航軸承和上偏航軸承布置成用以將所述機器機艙可樞轉地連接到風能系統的塔架上。根據另一方面，提供了一種在風能系統中使用的偏航軸承系統，其中，該偏航軸承系統具有下偏航軸承；上偏航軸承，該下偏航軸承和上偏航軸承適於將機艙可樞轉地連接到風能系統的塔架上。根據又一方面，提供了一種風能系統，其中，該風能系統具有塔架；機器機艙；以及轂，其中，該轂相對於機器機艙可旋轉地固定；且塔架和機器機艙通過至少兩個偏航軸承相連，其中，一個偏航軸承定位成高於風能系統的轂的旋轉軸線。根據又一方面，提供了一種用於操作具有機艙和塔架的風能系統的方法，該機艙和塔架通過至少兩個偏航軸承相連，該方法包括旋轉該至少兩個偏航軸承以相對於塔架定向所述機艙的步驟。可結合本文所述實施例的其它方面、優點、細節和特徵根據從屬權利要求、說明和附圖而清楚。


在包括參照附圖的餘下說明書中，向本領域的普通技術人員更為具體地闡述了本發明包括其最佳模式的完整和能夠實施的公開內容，在附圖中圖1為根據本文所述實施例的風能系統的簡圖。圖2為根據圖1的風能系統的簡圖，其中，在圖2中示出了附加部分。圖3以正視圖示意性地示出了風能系統另一實施例的部分。圖4以另一視圖示意性地示出了圖3中實施例的附加部分。圖5示意性地示出了風能系統另一實施例的部分。
圖6示出了根據一個實施例的圖5中所示的風能系統的部分的線框(或網架)模型。圖7示意性地示出了根據本公開內容的偏航軸承系統和風能系統的典型實施例的部分。圖8示意性地示出了風能系統的又一實施例。圖9示意性地示出了風能系統的又一實施例。零件清單100風能系統
110塔架
120機艙
130轂
170下偏航軸承
180上偏航軸承
190軸
195直接驅動發電機
200主構架
220偏航驅動器
250中空軸
260入口門
270艙頂出艙口
280空間構架
290底板
具體實施例方式現將更為詳細地參照本發明的各種實施例，其中的一個或多個實例在附圖中示出。各實例均是以闡釋本發明來提供的，而非意在作為對本發明進行限制。例如，示為或描述為一個實施例的一部分的特徵可用於其它實施例或結合其它實施例來使用，以產生又一個實施例。期望的是，本發明包括此類修改和變化。在附圖的以下說明中，相同的參考標號表示相同的構件。通常，描述的僅是相對於單獨實施例的差異。附圖中所示的結構並未按真實比例繪製，而僅是為了更好地理解實施例。圖1為風能系統(也稱為風力渦輪機)100的簡圖。風能系統100包括機器機艙 120安裝在其頂端上的塔架110。具有三個轉子葉片140的轂130安裝於該機艙120上。轂130安裝在機器機艙120的側端上。轂通常可連接到定位在風能系統100的機器機艙120內的發電機(未示出)上。轂通常可圍繞水平軸線旋轉。圖2為示出附加部分的圖1中的風能系統100的簡圖。為了更好理解，機器機艙 120的本體在圖2中示為透明的。此外，圖2示出了下偏航軸承170和上偏航軸承180。偏航軸承170和180將機器機艙120連接到塔架110上。本文所述的典型實施例提供了兩個偏航軸承，也即下偏航軸承和上偏航軸承。提供的兩個偏航軸承在兩個偏航軸承上分攤彎曲力矩。本文所述的實施例的偏航軸承以此種不產生或產生微弱附加彎曲力矩並降低塔架和主構架結構負載的方式配合。典型的實施例表明偏心負載傳遞較少，且表明因負載減小而節省了材料。偏航軸承受到較低的應力，且具有降低的複雜性。由於減小了每一偏航軸承的力和彎曲力矩，故降低了疲勞破壞效的可能性。降低主要是通過兩個偏航軸承之間的距離而獲得的。由於提供了兩個偏航軸承，故使得塔架與機器機艙之間的連接更加穩定且更為可靠。在典型的實施例中，偏航軸承之間的距離為至少50cm，更為典型的是至少lm，甚至更為典型的是至少1.5m。距離越大，則作用在軸承上的彎曲力便越小。由於作用在一個偏航軸承上的力較小，故偏航軸承的直徑可為較小的。根據本文公開的典型實施例的偏航軸承的直徑小於5. Om或4. Om或3. 0m。此外，根據本文公開的典型實施例的偏航軸承的直徑大於50cm或1. Om或1. 5m。本文所述的典型實施例包括至少一個另外的偏航軸承。一些實施例具有三個偏航軸承，也即一個下偏航軸承、一個上偏航軸承以及位於上偏航軸承與下偏航軸承之間的一個偏航軸承。通常，中間偏航軸承大致定位在上偏航軸承與下偏航軸承的中間。「大致" 通常應理解為包含與算術中值偏差+/_15%。三個偏航軸承或甚至更多偏航軸承提供在風能系統塔架與機器機艙之間的更為穩定的連接。在典型的實施例中，具有轉子葉片的轂圍繞水平旋轉軸線旋轉。因而，葉片限定了一平面。應當注意的是，通常葉片並未與"轉子葉片平面"精確地對準。確切而言，葉片可相對於該平面傾斜大約數度(大約0.5°至5° )，從而形成鈍角圓錐體。通常，偏航適於使得轉子葉片的平面垂直於風向對準。在實施例中，具有轉子葉片的轂的旋轉軸線傾斜大約若干度，一般低於10度，例如5度。這裡，用語"基本上水平"包含精確水平的軸線和相對於水平線傾斜最大8度；5度；或2度的軸線。根據本文所述的實施例，一個偏航軸承定位成高於風能系統的轂的旋轉軸線。定位成高於上述旋轉軸線的偏航軸承通常為上偏航軸承。下偏航軸承通常定位成低於風能系統的旋轉軸線。該布置提供了作用於偏航軸線上的良好分解力。圖3示意性地示出了偏航軸承和風能系統的典型實施例的部分。在圖3中，軸190 示為使轂130與直接驅動發電機195相連。應當注意的是，圖3中為了清楚而省略了許多部分。圖4中示出了一些附加部分，其中，圖4中沒有示出主構架或轂。因此，圖3A和圖;3B
在一起闡釋。根據本文所述的實施例，軸連接到直接驅動發電機上。直接驅動發電機適用於具有有限空間的機器機艙。直接驅動發電機在轂與發電機之間沒有齒輪箱。直接驅動發電機可容易地配合到機器機艙中，因為不必為齒輪箱提供空間。在其它典型實施例中，軸連接到齒輪箱上，而齒輪箱連接到發電機上。有可能使用僅需要有限空間的齒輪箱。其它典型實施例使用齒輪箱與發電機的小空間組合，以便減小齒輪箱和發電機所需的空間。偏航軸承170和180連接到主構架200上，其中，偏航軸承170和180連接至主構架200的不同支柱，也即上支柱和下支柱。主構架200為機器機艙(為了清楚起見，圖3中未示出)的一部分，且設計為在圖3中以二維視圖繪出的結構(或架構，framework)。詳細而言，機器機艙安裝在主構架200的外支柱上。主構架還支承直接驅動發電機195。
根據本文所述的典型實施例，主構架設計為一種結構，例如類似於在節點處連接的具有支柱的普通鐵路橋的結構。大多數支柱以平行方式布置，以便使主構架的構造容易。在另外的典型實施例中，主構架設計為一種空間構架，該空間構架具有優化成用以減小空間構架不同部分中的力的設計。空間構架僅具有以平行方式布置的較少支柱，或甚至沒有平行支柱。空間構架具有支柱，該支柱主要沿著作用在空間構架上的力的軌跡。在圖4中，示出了偏航驅動器220，該偏航驅動器220與下偏航軸承170接合。下偏航軸承170包括齒，這些齒與偏航驅動器220的齒接合。偏航驅動器220可用於使具有主構架200的機器機艙120圍繞塔架110轉動。這容許具有轉子葉片140的轂130定向成使得風能系統100相對於風向處於最佳位置。在典型的實施例中，一個偏航驅動器用於對準機器機艙、轂和轉子葉片。一個偏航驅動器可足以使機器機艙對準，從而降低整個風能系統的成本。在典型的實施例中，單個偏航驅動器與下偏航軸承接合。在另外的典型實施例中，單個偏航驅動器與上偏航軸承接合。 偏航驅動器的位置可取決於機艙中的可用空間來選擇。在本文所述的其它典型實施例中，兩個或多個偏航驅動器可用於對準機器機艙。 兩個偏航驅動器減小了各偏航驅動器所受到的力。通常，一個偏航驅動器布置成靠近相應的偏航軸承，例如，上偏航驅動器用於與上偏航軸承相互作用，而下偏航驅動器用於與下偏航軸承相互作用。根據可與本文所述的所有實施例相結合的可能實施例，一個以上的偏航驅動器將提供給每一偏航軸承。偏航驅動器例如可為液壓馬達或電動馬達。轂130圍繞水平旋轉軸線旋轉。軸150和發電機160 —般與旋轉軸線對準。在圖 3A和圖;3B中所示的實施例中，風能系統100構造成使得旋轉軸線為水平的。根據圖3A和圖;3B中所示的實施例，塔架穿過下偏航軸承170延伸。下偏航軸承 170和上偏航軸承180可通過中空軸相連，該中空軸在圖3A和圖;3B中示例性地示為中空軸 250。中空軸可為塔架110的組成部分。因此，人員可穿過塔架110，穿過偏航軸承170從塔架110的下部進入中空軸250中。在典型實施例中，塔架穿過下偏航軸承延伸並在上偏航軸承處終止。因此，塔架形成位於下偏航軸承與上偏航軸承之間的中空軸。本文所述的其它典型實施例使用單獨的中空軸和在塔架與中空軸之間採用法蘭連接。法蘭連接處在下偏航軸承處或附近。在圖;3B中，下偏航軸承與上偏航軸承之間的中空軸250包括入口門沈0，該入口門 260可用於從塔架110和中空軸250進入機艙120。此外，中空軸250可從機艙120的艙頂通過艙頂出艙口 270進入，該艙頂出艙口 270定位在上偏航軸承180附近的中空軸250的上端處。本文所述的典型實施例包括用於從塔架進入機艙的中空軸中的入口或入口門。進入機艙變得容易。在其它實施例中，簡單的開口用於容許從塔架進入機艙中。具有人孔蓋的人孔可位於中空軸與塔架之間。在其它實施例中，塔架簡單地穿過下偏航軸承。通常，一個偏航軸承位於用於從塔架進入機艙的入口的上方，而一個偏航件位於入口的下方。在典型的實施例中，在塔架內下偏航軸承的高度處，提供了支柱來使塔架強化。在下偏航軸承的區域中必須處理較高的力。因此，支柱提供了將力從下偏航軸承良好地引導至塔架中。本文所述的其它典型實施例提供了在中空軸內側的強化板，以便在下偏航軸承的位置處強化中空軸。強化板可具有人孔。
典型的實施例包括位於中空軸頂部或上偏航軸承處的艙頂出艙口。艙頂出艙口容許操作人員離開塔架和中空軸而到達機器機艙的頂部。其它實施例具有遠離中空軸定向的機器機艙艙頂中的艙頂出口。典型實施例具有定位在機器機艙的一個側壁上的出口。圖5示意性地示出了根據本公開內容的偏航軸承和風能系統的典型實施例。在圖 5中，圖3中所示的一些部分為了使圖清楚而被省略。詳細而言，已經省略了直接驅動發電機、將轂連接到直接驅動發電機上的軸以及一些其它部分。圖5中所示的實施例相對於圖3中所示的實施例的不同之處在於，圖5中所示的風能系統的主構架設計為空間構架觀0。空間構架280具有若干彎曲支柱，使得空間構架 280的輪廓可容易地由機器機艙的定形外殼所覆蓋。此外，空間構架280的支柱設計為對於最小凹口應力，從而減少疲勞問題。圖5為空間構架的示意性三維視圖。在圖6中，空間構架更詳細地示為線框模型。此外，定位在內部的偏航軸承、中空軸和入口門也在圖5和圖6 中示意性地示出。典型實施例包括作為主構架的空間構架。典型實施例的空間構架可提供改善的穩定性(或剛性)。結合典型實施例的兩個軸承，使得較大的塔架間隙成為可能。較高的塔架間隙容許使用較低的穩定性，且因此採用較為便宜的轉子葉片。其它典型實施例使用三維構架來改善穩定性。圖7示意性地示出了根據本公開內容的偏航軸承系統和風能系統的典型實施例的部分。圖7中所示的實施例包括底板四0，該底板四0由下偏航軸承170和上偏航軸承 180連接到塔架110上。底板290適於連接到下偏航軸承170和上偏航軸承180上。另外， 在圖7中，已經省略了風能系統100的一些部分，以便示出底板290和偏航軸承170，180的布置。典型實施例包括底板，該底板通過兩個偏航軸承連接到塔架上，該兩個偏航軸承布置成具有通常為至少20cm或50cm的垂直距離。另外的實施例包括使底板與塔架相連的三個偏航軸承。圖8示意性地示出了風能系統100實施例。圖8中的風能系統100為具有前傾塔架頂部區段的風能系統。風能系統100包括下偏航軸承170和上偏航軸承180。兩個偏航軸承170，180之間的距離在0. 2m至1. Om之間，例如0. 5m,以便減小偏航軸承170，180上的負載。圖9示意性地示出了風能系統100的實施例。圖9中的風能系統100包括下偏航軸承170和上偏航軸承180。偏航軸承之間的距離處在0. 2m至1. Om之間，例如0. 5m。提供前傾塔架頂部區段的典型實施例示出了兩個偏航軸承之間為至少0. 5m的距離。其它實施例具有至少1.0m的距離。較高的距離提供較好的負載分解。典型實施例提供了前傾塔架頂部區段。這些實施例具有較大的塔架間隙。此外， 轉子葉片的穩定性可降低，或轉子葉片的長度可由於較大的塔架間隙而增大。此外，可減小圓錐角。其它典型實施例使用布置在塔架頂上的中間位置的機艙。通常，典型實施例由於其偏航軸承系統而提供較大塔架間隙的可能性，該偏航軸承系統能夠處理較高的負載和較高的彎曲力矩，尤其是相對於傾斜軸線。因此，典型實施例可用於增大塔架間隙，以採取增大風能系統AEP (年發電量)的措施。本書面說明使用了包括最佳方式的實例來公開本發明，並且還使任何本領域的普通技術人員能夠製作和使用本發明。儘管已根據各種具體實施例描述了本發明，但本領域的普通技術人員將認識到，本發明可利用在權利要求的精神和範圍內的變型而予以實施。 尤其是，上述實施例相互間的非相互排斥的特徵可彼此結合。本發明可取得專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域的普通技術人員所構思出的其它實例。如果這些其它實例具有與權利要求的文字語言並無不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的字面語言無實質差異的同等結構元件，則認為這些實例落在權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種風能系統(100)，其中，所述風能系統(100)具有塔架(110)；機器機艙(120)；下偏航軸承(170)；以及上偏航軸承(180)；所述下偏航軸承(170)和所述上偏航軸承(180)布置成用以將所述機器機艙(120)可樞轉地連接到所述風能系統(100)的所述塔架(110)上。
2.根據權利要求1所述的風能系統(100)，其特徵在於，所述機器機艙(120)具有主構架000)，其中，所述下偏航軸承(170)和所述上偏航軸承(180)將所述主構架(200)可樞轉地連接到所述風能系統(100)的所述塔架(110)上。
3.根據前述權利要求中任一項所述的風能系統(100)，其特徵在於，所述風能系統 (100)還包括至少一個偏航驅動器020)，所述偏航驅動器(220)適於使所述機器機艙 (120)圍繞所述塔架(110)樞轉。
4.根據權利要求3所述的風能系統(100)，其特徵在於，所述偏航驅動器(220)與所述上偏航軸承(180)和所述下偏航軸承(170)中的至少一個接合。
5.根據前述權利要求中任一項所述的風能系統(100)，其特徵在於，所述風能系統 (100)還包括至少兩個偏航驅動器020)，其中，所述兩個偏航驅動器Q20)中的一個與所述上偏航軸承(180)接合，以及所述兩個偏航驅動器中的另一個與所述下偏航軸承(170) 接合。
6.根據前述權利要求中任一項所述的風能系統(100)，其特徵在於，所述風能系統 (100)還包括至少一個另外的偏航軸承。
7.根據前述權利要求中任一項所述的風能系統(100)，其特徵在於，具有轉子葉片 (140)的轂(130)安裝到所述機器機艙(120)上，以及其中，所述轂(130)可圍繞大致水平的旋轉軸線旋轉。
8.根據權利要求7所述的風能系統(100)，其特徵在於，所述下偏航軸承(170)布置在所述旋轉軸線的下方，以及所述上偏航軸承(180)布置在所述旋轉軸線的上方。
9.根據前述權利要求中任一項所述的風能系統(100)，其特徵在於，所述下偏航軸承 (170)和所述上偏航軸承(180)通過中空軸(250)相連。
10.根據前述權利要求中任一項所述的風能系統(100)，其特徵在於，所述塔架(110) 繼續穿過所述下偏航軸承(170)，其中，所述中空軸(250)為所述塔架(110)的一部分。
全文摘要
本發明涉及偏航軸承系統。具體而言，提供了一種風能系統(100)，其中，該風能系統(100)具有塔架(110)；機器機艙(120)；下偏航軸承(170)；以及上偏航軸承(180)；該下偏航軸承(170)和上偏航軸承(180)布置成用以將機器機艙(120)可樞轉地連接到風能系統(100)的塔架(110)上。
文檔編號F03D11/00GK102312795SQ20111019248
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者J·赫尼希 申請人:通用電氣公司