CN103765005A

CN103765005A - 直接驱动式风力涡轮机

Info

Publication number: CN103765005A
Application number: CN201280043753.XA
Authority: CN
Inventors: B.佩德森; K.汤姆森
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-04-30
Also published as: WO2013034391A3; EP2715127A2; EP2568167A1; WO2013034391A2; US20140193264A1

Abstract

本发明涉及直接驱动式风力涡轮机和在这种风力涡轮机中使用的主轴承。旋转驱动系经由至少一个轴承（5）与风力涡轮机的固定部分（4）连接，这允许驱动系相对于固定部分（4）旋转。所述至少一个轴承（5）是滑动轴承；所述轴承包括至少一个圆柱形滑动表面（6），其构造为支持在驱动系中存在的径向载荷。所述轴承包括至少两个径向承载表面（7,8），其构造为支持在驱动系中存在的轴向载荷和弯曲力矩。所述径向承载表面（7,8）的表面面积定尺寸成与在驱动系中预期的弯曲力矩的预定最大总载荷成比例。

Description

直接驱动式风力涡轮机

技术领域

本发明涉及直接驱动式风力涡轮机，以及在这种风力涡轮机中使用的主轴承。

背景技术

风力涡轮机将运动空气的能量转化成电能。运动空气加速风力涡轮机的转子。转子的旋转传递到发电机。发电机将旋转能量转换成电能。

在最近的几年，创立了直接驱动式风力涡轮机的概念。在直接驱动式风力涡轮机中，转子的旋转能量直接传递到发电机，而不使用齿轮箱。

在直接驱动式风力涡轮机中，风力涡轮机的转子直接连接到发电机的转子。从风力涡轮机的转子引导到发电机转子的机械连接部分的链称为风力涡轮机的驱动系。

为允许旋转运动并且提供旋转部分的所需稳定性，驱动系安装有至少一个轴承。该轴承允许驱动系旋转。同时其通过支持在驱动系中存在的径向和轴向的载荷以及弯曲力矩，而提供所需的稳定性。

WO 2011/003482 A2描述了实现成承载风力涡轮机的轴的风力涡轮机主轴承。该轴承包括具有多个承载垫的流体轴承。

该文件描述了具有圆柱形承载表面和一系列止推垫的轴承。

该滑动轴承必须提供大的表面以承受在驱动系中存在的力。结果，用于圆柱形承载表面的垫非常大、沉重并且难以调换。

发明内容

本发明的目的是提供具有改进的滑动轴承的风力涡轮机。

该目的由独立权利要求的特征达到。本发明的优选实施例在从属权利要求中描述。

风力涡轮机的转子与所述风力涡轮机的旋转驱动系直接连接；旋转驱动系与所述风力涡轮机的发电机的转子直接连接。

旋转驱动系经由至少一个轴承与所述风力涡轮机的固定部分连接，这允许所述驱动系相对于所述固定部分旋转。所述至少一个轴承是滑动轴承；所述轴承包括至少一个圆柱形滑动表面，所述至少一个圆柱形滑动表面构造为支持在所述驱动系中存在的径向载荷。

所述轴承包括至少两个径向承载表面，其构造为支持在所述驱动系中存在的轴向载荷和弯曲力矩。所述径向承载表面的表面面积定尺寸成与在所述驱动系中预期的弯曲力矩的预定最大总载荷成比例。

风力涡轮机的驱动系包括将能量从源传递到发电机的那些部分。这包括具有至少一个转子叶片的轮毂，以及发电机的转子。在风力涡轮机的一些建设性解决方案中，驱动系另外包括轴。

风力涡轮机的固定部分包括：发电机的定子；在发电机和支持结构之间的连接，所述支持结构配备用以支撑风力涡轮机机舱的集合体；以及到风力涡轮机下部的连接。

滑动轴承是不具有滚动元件（如球或滚筒）的轴承。滑动轴承也称为滑行（sliding）轴承、摩擦轴承或浮动轴承。

在轮毂处转子叶片上作用的风力和在发电机中的磁力引入在风力涡轮机驱动系中的载荷。

在风力涡轮机驱动系中存在的载荷包括径向载荷、轴向载荷以及弯曲力矩。最大总径向和轴向载荷以及最大总弯曲力矩对于风力涡轮机的某些构造是预定的。这些最大总载荷必须由这样的轴承支持，所述轴承将驱动系连接到风力涡轮机的固定部分。

圆柱形滑动表面支持在驱动系中存在的径向载荷。因此圆柱形滑动表面支持在***中存在的径向载荷。因此圆柱形滑动表面可计算并且构造成支持在驱动系中存在的最大总径向载荷。

径向滑动表面支持在驱动系中存在的轴向载荷。在第一方向上作用的驱动系中存在的轴向载荷可由第一径向滑动表面支持。与第一方向相对，在第二方向上作用的驱动系中存在的轴向载荷可由第二径向滑动表面支持。

因此设置成支持直径轴向载荷的两个径向滑动表面可支持在驱动系中存在的最大总轴向载荷。

设置成支持直径轴向载荷的两个径向滑动表面还支持在驱动系中存在的弯曲力矩。为支持在风力涡轮机驱动系中预期的最大总弯曲力矩，径向滑动表面的表面根据预期的最大总弯曲力矩而计算。

滑动表面支持某载荷的能力是滑动表面的表面面积的函数。当更大的载荷应该被支持时，滑动表面的表面面积必须被定尺寸成更大。表面面积的大小与必须被支持的载荷成正（direct）比例。

因此，径向承载表面的表面面积可根据预期在***中存在的最大总弯曲力矩而计算。

因此，仅一个轴承需要支持在风力涡轮机驱动系中存在的载荷。

因此，可优化轴承的轴向和径向滑动表面的表面面积。因此，滑动表面和使用的材料量被最小化。因此，轴承制造更便宜并且不太重。

在优选配置中，径向承载表面的表面面积与径向承载表面的内半径成间接（indirect）比例。

轴承的直径越大，则必须支持的弯曲力矩的载荷越小。必须被支持的载荷越小，则需要支持载荷的滑动表面的表面面积越小。

因此，可优化滑动表面的表面面积。因此，可优化材料的磨损。因此材料的磨损可计算以与保养和维护间隔相匹配。因此可优化保养和维护。

轴承的直径越大，则必须由轴承支持的弯曲力矩的载荷越小。因此，可优化轴承。因此，一个轴承足以支持在驱动系中存在的最大总弯曲力矩。

在优选配置中，径向承载表面中每一个的表面面积大于圆柱形滑动表面的表面面积。

滑动表面的表面面积越大，则可支持越大的载荷。在风力涡轮机的驱动系中，轴向载荷和弯曲力矩的反作用力总和超过需要被支持的径向载荷的反作用力总和。

在具有一个主轴承的风力涡轮机中，径向滑动表面的表面面积被定尺寸成大于圆柱形滑动表面的表面面积。因此，除了轴向载荷，径向滑动表面还支持弯曲力矩。

因此，由圆柱形滑动表面支持的弯曲力矩被最小化。因此，轴承构造在轴向方向上是短的。因此，优化由主轴承占有的空间。

在优选配置中，轴承作为第一轴承连接风力涡轮机发电机的转子和定子，并且第一轴承关于发电机的旋转轴线而定位在发电机的第一端。

发电机的转子和定子由轴承连接，以提供在转子和定子之间基本恒定的空气间隙。驱动系经由轴承连接到风力涡轮机的固定部分。出于两个目的，一个轴承可被使用，其支持风力涡轮机的驱动系，以及发电机的转子，并且将它们连接到风力涡轮机的固定部分。

因此，风力涡轮机包括仅一个主轴承。因此，该一个轴承将整个驱动系连接到风力涡轮机的固定部分。因此，需要仅一个轴承，并且维护仅必须在一个轴承处执行。

因此，维护更快并且更便宜。对于分开的轴承，同样地更少的材料用于一个轴承。因此，风力涡轮机更便宜并且更为不重。

发电机的第一端优选是指向风力涡轮机轮毂的发电机端。

在另一个优选构造中，第二轴承关于发电机的旋转轴线设置在发电机的第二端。

第二轴承设置在与发电机第一端相对的端处。该第二轴承稳定发电机转子和定子之间的连接。因此，在发电机转子和定子之间的空气间隙甚至更恒定。

此外，第二轴承支持在驱动系中的载荷。因此，由于第二轴承的支持，在第一轴承上的载荷减少。因此第一轴承不必支持在***中存在的所有载荷。因此，第一轴承可以构造更小。因此，在第一轴承连接的区域中节省出空间。

在优选实施例中，第二轴承是滑动轴承，并且包括圆柱形承载表面，这配备用以支持驱动系的径向载荷和弯曲力矩。

因此，由于将在驱动系中存在的径向载荷和弯曲力矩传递到风力涡轮机的固定部分，第二轴承可支持驱动系。

在优选实施例中，轴承包括分段滑动表面。滑动表面的分段设置在轴承的旋转部分处，其连接到风力涡轮机的旋转驱动系，或所述分段设置在轴承的固定部分处，其连接到风力涡轮机的固定部分。

轴承的滑动表面分段成至少两个部分。优选地，所述分段沿着轴承旋转的方向设置。滑动表面可分成垫，所述垫设置成构造滑动表面。

因此，滑动表面被分成更小的分段，其可分开地安装并且调换。因此，轴承的安装更容易，并且滑动表面的调换更容易。

在优选实施例中，所述分段以允许调换各个分段的方式，在滑动轴承内设置并且连接。

因此，滑动表面的分段可调换，而不需要调换轴承的全部滑动表面。因此，仅磨损的那些分段调换，而仍然足够好的那些部分留在轴承中。因此节省材料和维护时间。

因此，调换的部分比全部滑动表面更小。因此，在维护期间可作出滑动表面的部分的调换，而不使用重型机械。因此维护更便宜并且更快。

滑动表面的分段足够小，以使得它们可在风力涡轮机内被装卸。因此，调换可从风力涡轮机内执行，并且风力涡轮机不必拆开。因此调换不取决于在风力涡轮机侧的天气条件。

当风力涡轮机是近海风力涡轮机时，这特别有利。

在优选实施例中，分段包括至少一个倾翻垫，而倾翻垫的表面能够与轴承相反侧的承载表面对齐。

倾翻垫是这样的垫：其能够将其表面以如下方式倾斜其表面：滑动表面与轴承相反侧的承载表面对齐。倾翻垫可以例如是倾斜垫或柔性垫。

因此，垫可倾斜并且倾翻垫的表面将其本身设置到轴承的相反侧。因此，作用在轴承上的力作用而均衡地分布在滑动表面上。因此，在滑动表面上的磨损和撕裂均衡地分布。因此，分段的寿命提高，并且由不均匀磨损和撕裂导致的轴承中损伤的风险减少。

在优选实施例中，轴承是液体动压轴承，其中，在滑动表面处的润滑膜通过旋转的轴承部分而保持。

因此，在轴承旋转期间保持润滑膜。因此，承载表面的润滑不依赖于附加的集合体（如泵）。因此，由于不充分润滑的损伤风险被最小化。因此，增强了风力涡轮机的性能。

在优选实施例中，轴承是液体静压轴承，其中，在滑动表面处的润滑膜由外部泵的施加压力保持。

因此，润滑确保与不依赖于驱动系的旋转。因此当风力涡轮机停止或启动旋转时，润滑也被确保。因此，在低风力情况下或在当风力在速度上改变时的情况下，润滑也充分，并且风力涡轮机可反复地停止和启动。

在优选实施例中，轴承是混合轴承，其中，在滑动表面处的润滑膜通过外部泵所施加压力的组合并通过旋转的轴承部分而保持。

仅当风力涡轮机启动或停止旋转，并且润滑膜不能只由驱动系的旋转确保时才需要泵。

因此，润滑被保持不依赖于驱动系的旋转。此外，当驱动系的旋转保持润滑膜并且不需要泵时，用于操作泵的能量可被节省。

在优选实施例中，滑动轴承的滑动表面包括槽和/或凹处，其用作入口或出口，用于滑动轴承的润滑目的。

借助在滑动表面中的槽或凹处，润滑可更均衡地分布。因此，润滑更均衡。因此，不充分润滑的风险减少，以及因此在轴承中的损伤风险减少。因此，可提高轴承的寿命，并且可增加风力涡轮机的能量产生。

附图说明

借助于附图更详细地示出本发明。附图示出优选配置，并且并不限制本发明的范围。

图1示出具有滑动轴承的风力涡轮机。

图2示出图1的滑动轴承的第二配置。

具体实施方式

图1示出通过直接驱动式风力涡轮机的轮毂1、滑动轴承5和发电机3的纵向断面。纵向断面沿着风力涡轮机的发电机3的旋转轴线进行。

轮毂1连接到发电机的转子2，并且连接到轴承5的旋转侧。发电机3的定子9和风力涡轮机的固定侧4连接到滑动轴承5的固定侧。

滑动轴承5位于风力涡轮机的轮毂1和风力涡轮机的发电机3之间。其用固定侧连接到发电机3的定子9的轮毂侧端，并且用旋转侧连接到风力涡轮机的轮毂1。

滑动轴承5以可旋转的方式，将风力涡轮机的旋转驱动系与发电机的定子9和风力涡轮机的固定部分4连接。

旋转驱动系包括风力涡轮机的轮毂1，其连接到发电机3的转子2。风力涡轮机的固定部分包括发电机3的定子9。轴承5将风力涡轮机的旋转驱动系和发电机3的转子2与发电机3的定子9连接。

滑动轴承5构造为支撑在驱动系中存在的径向和轴向力以及弯曲力矩。

滑动轴承5示出圆柱形承载表面6和两个径向承载表面7、8。在该示例中，仅存在一个轴承5，所述轴承5具有滑动表面6、7、8（其将风力涡轮机的旋转驱动系与风力涡轮机的固定部分4连接）。

图2示出图1的滑动轴承的第二配置。

图2示出沿着发电机3的旋转轴线的断面。该断面示出风力涡轮机的轮毂1，发电机3的转子2和定子9，滑动轴承5，和风力涡轮机的固定部分4。

承载表面6、7、8配备有分段12，其在轴承中连接以构造滑动表面6、7、8。

所述分段可以是倾翻垫。倾翻垫的表面能够与轴承5相反侧的承载表面对齐，当轴承5旋转时所述轴承5沿着垫滑动。

第一滑动轴承5与第二轴承10组合。第二轴承10是滑动轴承，其位于发电机3的第二端处。

发电机3的第二端是与第一轴承5所定位的端部相对的端部。关于发电机旋转轴线可看到发电机3的相对端。

第二轴承10示为具有圆柱形承载表面11的滑动轴承。第二轴承还可以是滚动元件轴承或具有倾斜承载表面的滑动轴承（如锥形轴承）。

第一滑动轴承5和第二滑动轴承10构造为支撑在风力涡轮机驱动系中存在的径向和轴向力以及弯曲力矩。

Claims

1. 一种直接驱动式风力涡轮机，

- 其中，所述风力涡轮机的转子（1）与所述风力涡轮机的旋转驱动系直接连接，

- 其中，所述旋转驱动系与所述风力涡轮机的发电机（3）的转子（2）直接连接，

- 其中，所述旋转驱动系经由至少一个轴承（5）与所述风力涡轮机的固定部分（4）连接，这允许所述驱动系相对于所述固定部分旋转，

- 其中，所述至少一个轴承（5）是滑动轴承，

- 其中，所述轴承（5）包括至少一个圆柱形滑动表面（6），所述至少一个圆柱形滑动表面（6）构造为支持在所述驱动系中存在的径向载荷，

- 其中，所述轴承（5）包括具有表面面积的至少两个径向承载表面（7,8），其被构造成支持在所述驱动系中存在的轴向载荷和弯曲力矩，

- 其中，所述径向承载表面（7,8）的表面面积定尺寸成与在所述驱动系中预期的弯曲力矩的预定最大总载荷成比例。

2. 根据权利要求1所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述径向承载表面（7,8）的表面面积与所述径向承载表面的内半径成间接比例。

3. 根据前述权利要求中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述径向承载表面（7,8）中每一个的表面面积大于所述圆柱形滑动表面（6）的表面面积。

4. 根据前述权利要求中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述轴承（5）作为第一轴承连接所述风力涡轮机发电机（3）的转子（2）和定子（9），并且其中所述第一轴承（5）关于所述发电机（3）的旋转轴线定位在所述发电机的第一端。

5. 根据前述权利要求中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，第二轴承（10）关于所述发电机（3）的旋转轴线设置在所述发电机（3）的第二端。

6. 根据前述权利要求中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述第二轴承（10）是滑动轴承，并且包括圆柱形承载表面（11），这配备用以支持所述驱动系的径向载荷和弯曲力矩。

7. 根据前述权利要求中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，

- 其中，所述轴承（5,10）包括分段滑动表面（6,7,8,11），以及

- 其中，所述滑动表面（6,7,8,11）的分段（12）设置在所述轴承的旋转部分处，其连接到所述风力涡轮机的旋转驱动系，或

- 其中，所述分段（12）设置在所述轴承的固定部分处，其连接到所述风力涡轮机的固定部分（4）。

8. 根据权利要求7所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述分段（12）以允许调换各个分段的方式，在所述滑动轴承内设置并且连接。

9. 根据权利要求7或权利要求8所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述分段（12）包括至少一个倾翻垫，而所述倾翻垫的表面能够与所述轴承的相反侧的承载表面对齐。

10. 根据前述权利要求中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述轴承（5,10）是液体动压轴承，其中在所述滑动表面处的润滑膜通过旋转的轴承部分而保持。

11. 根据权利要求1至8中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述轴承（5,10）是液体静压轴承，其中在所述滑动表面处的润滑膜由所述外部泵的施加压力保持。

12. 根据权利要求1至8中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述轴承（5,10）是混合轴承，其中，在所述滑动表面处的润滑膜通过外部泵所施加压力的组合并通过旋转的轴承部分而保持。

13. 根据前述权利要求中的一项所述的直接驱动式风力涡轮机，其中，所述滑动轴承（5,10）的滑动表面（6,7,8,11）包括槽和/或凹处，其用作入口或出口，以用于所述滑动轴承（5,10）的润滑目的。