CN101918711A - 风力发电设备的转子轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力发电设备(1)的转子轴承，该风力发电设备基本上包括：可旋转地安装在机塔(2)上的、带有用于发电的发电机(4)的机房(3)；承载至少两个转子叶片(6)的转子轮毂(7)的、风力驱动的转子(5)；以及承载转子(5)的大型滚动轴承(8)，该滚动轴承具有抗扭地固定在机房(3)上的并与转子轮毂(7)同轴布置的第一轴承环(9)以及可扭转地保持在第一轴承环(9)上的并固定在转子轮毂(7)上的第二轴承环(10)以及大量在轴承环(9，10)之间滚动的滚动体(11)，并且该滚动轴承与连接在后面的、与发电机(4)连接的行星齿轮变速器(12)相连接，该行星齿轮变速器由带有环绕的内齿部(14)的环形齿轮(13)、多个支承在行星齿轮架(15)上的行星齿轮以及中间的恒星齿轮组成。根据本发明所述的大型滚动轴承(8)的两个轴承环(9或10)的径向内部的轴承环同时形成了与发电机(4)连接的行星齿轮变速器(12)的环形齿轮(13)，方法是其内侧(16)设有环形齿轮(13)的环绕的内齿部(14)。

Description

风力发电设备的转子轴承
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的所述的用于风力发电设备的转子轴承，并且该转子轴承可以尤其有利地在风力发电设备上用支承在主轴承中的转子和连接在后面的行星齿轮变速器实现。
背景技术
这种风力发电设备例如由WO 03/014 567 A1或者由US6.872.049 B2中公开。在这些文件中公开的风力发电设备基本上相应地包括：可旋转地安装在机塔上的、具有用于发电的发电机的机房；承载至少两个转子叶片的转子轮毂的、风力驱动的转子；以及承载转子的大型滚动轴承。在此，该大型滚动轴承至少构造成两列式的圆锥滚子轴承并且具有抗扭地固定在机房上的、并与转子轮毂同轴布置的第一轴承环以及可扭转地保持在第一轴承环上的并固定在转子轮毂上的第二轴承环，大量构造成锥形滚子的滚动体在第一和第二轴承环之间滚动。此外，大型滚动轴承与和机房中的发电机连接的、并以已知的方式由带有环绕的内齿部的环形齿轮、多个支承在行星齿轮架上的行星齿轮以及中间的恒星齿轮组成的行星齿轮变速器相连接，方法是该大型滚动轴承的两个轴承环的内轴承环通过压力配合连接固定在行星齿轮变速器的环形齿轮的外罩面上。
此外，通过EP 811 764 A1也公开了如此实现大型滚动轴承与行星齿轮变速器的连接，使得大型滚动轴承的两个轴承环的内轴承环压到与转子轮毂连接的并承载行星齿轮架的环上。
然而，这种转子轴承的缺点是，大型滚动轴承和连接在后面的行星齿轮变速器由较多的单个部件组成，并且由此一方面在其制造中非常耗成本并且另一方面具有较高的总重量，该总重量在其装配在120m高度以下的机房中时会引起很多缺点。此外，行星齿轮变速器的环形齿轮和大型滚动轴承的内轴承环必须具有至少一个2m以上的外直径或者说内直径，尽管其尺寸制造得非常精确，使得可以可靠地排除由在内轴承环和环形齿轮之间进行压力配合连接时正的配合过度形成的或者说由有待夯实的配合形成的对轴颈的功能或者对行星齿轮变速器的齿部的负面影响。这种有待夯实的配合一方面会导致大型滚动轴承的内轴承环在其装配在环形齿轮上时略微地扩开并且大型滚动轴承的所调节的径向缝隙太小，从而过度地增加了滚动体和其在轴承环中的滚动面之间的摩擦。这会导致超过大型滚动轴承的允许的操作温度，这有时会引起润滑材料燃烧并且由此引起大型滚动轴承中缺少润滑作用并且最后该大型滚动轴承提前失效。另一方面，在大型滚动轴承的内轴承环和行星齿轮变速器的环形齿轮之间的有待夯实的配合也会使得环形齿轮略微收缩，从而改变了在环形齿轮的内齿部和行星齿轮变速器的行星齿轮的齿部之间的接触点，伴随着这样的结果，即行星齿轮变速器内部不再有确定的力传递并且在最不利的情况下会在齿部之一上出现齿断裂。
发明内容
因此，从现有技术的解决方案的缺点出发，本发明的目的是提出一种用于风力发电设备的转子轴承，其构造紧凑并且重量减少，并且其特征在于，大型滚动轴承上的以及连接在后面的行星齿轮变速器上的更少量的单个部件，并且其中可靠地排除由在大型滚动轴承的内轴承环和行星齿轮变速器的环形齿轮之间进行压力配合连接时正的配合过度形成的对轴颈的功能或者对行星齿轮变速器的齿部的负面影响。
根据本发明，该目的在根据权利要求1前序部分所述的转子轴承中如此实现，即大型滚动轴承的两个轴承环的径向内部的轴承环同时形成了与发电机连接的行星齿轮变速器的环形齿轮，方法是其内侧设有环形齿轮的环绕的内齿部。
由此，本发明基于这样的认识，即所提出的目的能够以简单的方式通过以下方法得以实现，即代替在行星齿轮变速器的环形齿轮和大型滚动轴承的内轴承环之间的耗费的压力配合连接，仅仅通过唯一一个成本低廉的并且重量减少的结构部件来相互集成两个环形的结构部件，其中根本不会出现对轴颈或者行星齿轮变速器的齿部的负面的配合影响。
根据本发明构造的转子轴承的优选设计方案和改进方案在从属权利要求中得到描述。
对此，根据权利要求2在根据本发明构造的转子轴承中，在第一实施方式中优选将大型滚动轴承构造成具有两列并排布置的、作为滚动体的锥形滚子的圆锥滚子轴承，其具有内齿部的内轴承环沿轴向非对称地分成两个部分环。
然而根据权利要求3也可以作为替代方案，在第二实施方式中将根据本发明构造的转子轴承的大型滚动轴承构造成具有两列并排布置的、作为滚动体的滚珠的径向推力球轴承，其具有内齿部的内轴承环同样沿轴向非对称地分成两个部分环。
在此，在实践中优选的实施方式是将大型滚动轴承构造成两列的圆锥滚子轴承，因为这种轴承原则上用于较高的承载量或者说较高的功率密度。然而如果要使用具有较大直径的大型滚动轴承，其中功率密度不再是决定性的标准，那么技术上可替换的替代方案是将该大型滚动轴承构造成两列的径向推力球轴承。在此，可以在两种轴承中将内轴承环和外轴承环要么抗扭地固定在机房或者说机架上，要么与转子的转子轮毂相连接，其中首先将两个实施方式的内轴承环轴向非对称地分成两个部分环，从而能够更简单地装配该大型滚动轴承。
独立于前面所描述的实施方式，根据权利要求4，根据本发明构造的转子轴承的另一特征是，内轴承环通过非对称的划分由在其内侧上具有完整的内齿部的第一部分环和通过压力配合连接固定在该部分环上的第二部分环组成。由此，非对称地划分内轴承环除了能够更简单地装配大型滚动轴承外，同时具有这样的优点，即内齿部可以完全加入部分环之一中并且由此可以成本低廉地进行制造。在此，证明特别有利的是，第二部分环完全形成了大型滚动轴承的滚动体的两个滚动面之一，然而其中也可以考虑内轴承环的其它非对称的划分。
此外，从前面所述的特征出发，根据权利要求5的本发明的转子轴承的特征还在于，在内轴承环的第一部分环的内侧上的内齿部可选地构造成连续的直齿或者斜齿或者构造成分别以轴向中间的分隔槽相互偏移的人字齿或者说人字齿部。
在此，常规的方案是将内齿部构造成直齿，首先在察觉到由内齿部产生的噪音排放和声音排放之前使用这种方案。首先在直齿与现代的降噪措施相结合的使用中，这种直齿在其有利的制造成本方面还是一如既往地让人感兴趣。
然而，最新的传动概念通常设置用于行星齿轮变速器的所有轮的斜齿，因为在这种齿部中可以选择倾斜角度，该倾斜角度相对于直齿会在齿部中产生显著更高的接触比，从而明显降低在风力操作中的振动和噪音。此外，该齿部可以设计成直齿的齿长的两倍以下，从而可以在结构空间需求相同时显著提高力矩传递。该斜齿额外地提供了补偿外部轴向力的方案，方法是根据作用的外部轴向力的方向来确定齿部的倾斜方向。
然而，行星齿轮变速器提供了具有间隔的最大的优点，在该行星齿轮变速器中，不仅环形齿轮而且行星齿轮和恒星齿轮都设有人字齿或者说人字齿部。在此，这种人字齿或者说人字齿部的特点是齿部的高接触比，该接触比实现了行星齿轮变速器的安静的并且少振动的运行。在此，通过反向的斜齿形成的两侧的轴向力如此定向，使得其相互抵消，从而确保最佳的负载传递。此外，在人字齿或者说人字齿部中特别有利的是，通过行星齿轮的轴向运动的轴承最终补偿了在齿部制造中出现在内轴承环上的在两个齿部范围之间的不同心度，因为行星齿轮通过齿部移动自动地定心。
此外，根据权利要求6，根据本发明构造的转子轴承的有针对性的改进方案是，为了可以调节大型滚动轴承的轴向间隙，在内轴承环的两个部分环之间优选布置了具有求得的确定的宽度的隔离环。在此，该隔离环优选具有和内轴承环的第二部分环一样的内直径，并且同样在第二部分环之前推到第一部分环上。
最后根据权利要求7，作为用于能够调节根据本发明构造的转子轴承的大型滚动轴承的轴向间隙的替代方案，还提出额外地将大型滚动轴承的外轴承环沿轴向对称地分成两个部分环，具有求得的确定的宽度的隔离环布置在这两个部分环之间。在此特别有利的是，在外轴承环的部分环之间的隔离环具有和部分环一样的径向高度，然而其中也可以将隔离环布置在加入两个部分环的相互抵靠的轴向表面中的环形槽中，使得该部分环相互间具有微小的间隔和/或相互间进行额外的形状配合的连接。
作为替代方案，另一合适的、用于调节构造成圆锥滚子轴承或者径向推力球轴承的大型滚动轴承的轴向间隙的措施是，至少通过打磨第二部分环的面对第一部分环的轴向侧面以确定的宽度构造内轴承环的第二部分环。然而也可以考虑通过切削加工来处理两个部分环的相互指向的轴向侧面或者通过对其轴向尺寸进行涂层来影响其轴向侧面。因为这种加工在制造技术方面是比较复杂的并且成本较高的，所以出于成本原因并且通过以下方法证明是最有利的是通过隔离环来调节轴向间隙，方法是在此通过更换合适的隔离环能够比较简单地补偿在隔离环的宽度中出现的加工误差。
总之，根据本发明构造的转子轴承相对于现有技术公开的转子轴承具有这样的优点，即大型滚动轴承能够承受所有作用到转子上的力和力矩，并且同时通过连接在后面的行星齿轮变速器的环形齿轮的、集成到内轴承环中的齿部来承担该环形齿轮的功能。由此，根据本发明的转子轴承构造紧凑并且重量减少，并且其特征在于大型滚动轴承和行星齿轮变速器上的少量的单个部件。此外，内轴承环和环形齿轮的一件式的构造可靠地排除了由在内轴承环和环形齿轮之间进行压力配合连接时正的配合过度形成的对轴颈的功能或者对行星齿轮变速器的齿部的负面影响。
附图说明
下面在多个优选的实施方式中参照附图对根据本发明构造的转子轴承进行详细解释。图中示出：
图1是具有根据本发明构造的转子轴承的风力发电设备的示意图；
图2是根据图1的细节X的放大的视图，其具有根据本发明构造的转子轴承的转子轮毂-大型滚动轴承-固定件的第一变型方案；
图3是根据图1的细节X的放大的视图，其具有根据本发明构造的转子轴承的转子轮毂-大型滚动轴承-固定件的第二变型方案；
图4是根据本发明构造的转子轴承的大型滚动轴承的第一实施方式的横截面的部分视图；
图5是根据本发明构造的转子轴承的大型滚动轴承的第二实施方式的横截面的部分视图；
图6是根据本发明构造的转子轴承的大型滚动轴承的第三实施方式的横截面的部分视图；
图7是根据本发明构造的转子轴承的大型滚动轴承的第四实施方式的横截面的部分视图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了风力发电设备1，该风力发电设备基本上包括：可旋转地安装在机塔2上的、具有用于发电的发电机4的机房3；承载至少两个转子叶片6的转子轮毂7的、风力驱动的转子5；以及承载转子5的大型滚动轴承8。在此，如图2和3所示，大型滚动轴承8具有抗扭地固定在机房3上并与转子轮毂7同轴布置的第一轴承环9以及可扭转地保持在第一轴承环9上并固定在转子轮毂7上的第二轴承环10，其中与机房3连接的第一轴承环9要么像图2中示出的第一变型方案一样由大型滚动轴承8的外环形成，要么像图3中示出的第二变型方案一样由大型滚动轴承8的内环形成，并且固定在转子5上的第二轴承环10相应地同样构造成内环或者外环。同样可以从图2和3中获知，大型滚动轴承1具有大量在轴承环9，10之间滚动的滚动体11并且与连接在后面的与发电机4连接的行星齿轮变速器12连接，该行星齿轮变速器以已知的方式由带有环绕的内齿部14的环形齿轮13、多个支承在行星齿轮架15上的并没有详细示出的行星齿轮以及同样没有详细示出的中间的恒星齿轮组成。
此外，也可以从图2和3的附图中获知，大型滚动轴承8的相应地形成内环的轴承环9或10根据本发明同时形成了与发电机4连接的行星齿轮变速器12的环形齿轮13，方法是其内侧16设有环形齿轮13的环绕的内齿部14。在此，该大型滚动轴承8要么可以如图4和5中所示构造成具有两列17，18并排布置的作为滚动体11的锥形滚子的圆锥滚子轴承，要么可以如图6和7所示构造成具有两列17，18并排布置的作为滚动体11的滚珠的径向推力球轴承，其中该大型滚动轴承的具有内齿部14的内轴承环9或者10分别轴向非对称地分成两个部分环19，20，从而首先确保大型滚动轴承8能够简单地进行装配。通过非对称的划分，内轴承环9或者10就包括在其内侧16上具有完整的内齿部14的第一部分环19以及通过压配合连接固定在该部分环19上的第二部分环20，该第二部分环完整地形成了大型滚动轴承8的用于滚动体11的两个滚动面之一。
此外，至少隐含地从图2和3中获知，在内轴承环9或10的第一部分环19的内侧16上的内齿部14要么如图2所示构造成连续的斜齿，要么如图3中所示构造成以轴向中间的分隔槽21相互偏移的人字齿或者说人字齿部。在此，斜齿具有这样的倾斜角度，即在内齿部14中获得较高的接触比，通过该接触比明显减少了在风力操作中的干扰振动和噪音。相反，通过人字齿或者说人字齿部会出现游动的负载啮合点，该负载啮合点对于行星齿轮变速器12中的非常均匀的负载分配来说是有因果关系的，并且同样会明显减少风力操作中的振动和噪音，其中由反向的齿部形状形成的两侧的轴向力相互抵消并且因此确保了最佳的负载传递。
最后，根据图4和6的大型滚动轴承8的方法的视图还说明了，为了能够调节构造成两列的圆锥滚子轴承或者径向推力球轴承的大型滚动轴承8的轴向间隙，优选在内轴承环9或者10的两个部分环19，20之间布置了具有求得的确定的宽度的隔离环22。在此，该隔离环22明显可以看出具有和内轴承环9或者10的第二部分环20一样的内直径，并且同样在第二部分环20之前推到第一部分环19上。然而作为其替代方案，也可以如图5和7所示，通过将外轴承环10或者9轴向对称地分成两个部分环23，24来实现大型滚动轴承8的轴向间隙的可调性，方法是在部分环23，24之间布置具有求得的确定的宽度的隔离环25。在该构造中特别有利的是，在外轴承环10或者9的部分环23，24之间的隔离环25具有和部分环23，24一样的径向高度，然而其中也可以将隔离环25以没有详细示出的方式布置在添入两个部分环23，24的相互抵靠的轴向表面中的环形槽中，使得部分环23，24相互间具有少许间隔并且相互间具有额外的形状配合的连接。
参考标号
1     风力发电设备
2     机塔
3     机房
4     发电机
5     转子
6     转子叶片
7     转子轮毂
8     大型滚动轴承
9     8的第一轴承环
10    8的第二轴承环
11    8的滚动体
12    行星齿轮变速器
13    12的环形齿轮
14    13的内齿部
15    12的行星齿轮架
16    9或10的内侧
17    11的第一列
18    11的第二列
19    9或10的部分环
20    9或10的部分环
21    分隔槽
22    19，20之间的隔离环
23    10或9的部分环
24    10或9的部分环
25    23，24之间的隔离环

Claims (7)

1.一种用于风力发电设备(1)的转子轴承，所述风力发电设备基本上包括：可旋转地支承在机塔(2)上的、带有用于发电的发电机(4)的机房(3)；承载至少两个转子叶片(6)的转子轮毂(7)的、风力驱动的转子(5)；以及承载所述转子(5)的大型滚动轴承(8)，所述大型滚动轴承具有抗扭地固定在所述机房(3)上并与所述转子轮毂(7)同轴布置的第一轴承环(9)和可扭转地保持在所述第一轴承环(9)上并固定在所述转子轮毂(7)上的第二轴承环(10)以及大量在所述轴承环(9，10)之间滚动的滚动体(11)，并且所述大型滚动轴承与连接在后面的、与所述发电机(4)连接的行星齿轮变速器(12)相连接，所述行星齿轮变速器由带有环绕的内齿部(14)的环形齿轮(13)、多个支承在行星齿轮架(15)上的行星齿轮以及中间的恒星齿轮组成，其特征在于，所述大型滚动轴承(8)的两个所述轴承环(9或者10)的径向内部的轴承环同时形成了与所述发电机(4)连接的所述行星齿轮变速器(12)的环形齿轮(13)，方法是其内侧(16)设有环形齿轮(13)的环绕的内齿部(14)。
2.根据权利要求1所述的转子轴承，其特征在于，优选将所述大型滚动轴承(8)构造成具有两列(17，18)并排布置的、作为所述滚动体(11)的锥形滚子的圆锥滚子轴承，其具有所述内齿部(14)的内轴承环(9或者10)沿轴向非对称地分成两个部分环(19，20)。
3.根据权利要求1所述的转子轴承，其特征在于，所述大型滚动轴承(8)优选构造成具有两列(17，18)并排布置的、作为所述滚动体(11)的滚珠的径向推力球轴承，其具有所述内齿部(14)的内轴承环(9或者10)沿轴向非对称地分成两个部分环(19，20)。
4.根据权利要求2或3所述的转子轴承，其特征在于，所述内轴承环(9或10)通过非对称的划分由在其所述内侧(16)上具有完整的内齿部(14)的第一部分环(19)和通过压力配合连接固定在所述第一部分环(19)上的第二部分环(20)组成。
5.根据权利要求4所述的转子轴承，其特征在于，在所述内轴承环(9或10)的第一部分环(19)的内侧(16)上的内齿部(14)可选地构造成连续的直齿或者斜齿或者构造成分别以轴向中间的分隔槽(21)相互偏移的人字齿或者说人字齿部。
6.根据权利要求5所述的转子轴承，其特征在于，为了可以调节所述大型滚动轴承(8)的轴向间隙，在所述内轴承环(9或10)的两个部分环(19，20)之间优选布置了在所述第二部分环(20)之前推到所述第一部分环(19)上的、具有求得的确定的宽度的隔离环(22)。
7.根据权利要求5所述的转子轴承，其特征在于，为了可以调节所述大型滚动轴承(8)的轴向间隙，额外地将所述外轴承环(10或9)沿轴向对称地分成两个部分环(23，24)，具有和部分环(23，24)相同的径向高度的、具有求得的确定的宽度的隔离环(25)布置在所述两个部分环之间。
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