CN109751207B - 用于风力涡轮机的轴承的润滑***和方法及传动系组件 - Google Patents

用于风力涡轮机的轴承的润滑***和方法及传动系组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于风力涡轮机的轴承的润滑***和方法及传动系组件。所述润滑***包括：密封环，其围绕所述轴并邻近所述轴承定位；至少一个齿轮，其邻近于所述密封环；润滑剂泵，其布置成接合所述至少一个齿轮；以及至少一种润滑剂，其用于为所述轴承提供润滑。因此，随着所述轴的旋转，所述至少一个齿轮驱动所述润滑剂泵，使得只要所述轴正在旋转，所述润滑剂泵就连续地向所述轴承提供所述润滑剂。

Description

用于风力涡轮机的轴承的润滑***和方法及传动系组件
技术领域
本公开的主题整体涉及风力涡轮机，且更具体地涉及用于风力涡轮机的主轴承的润滑***。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮机在这方面已经获得了越来越多的关注。现代风力涡轮机通常包括塔架、发电机、齿轮箱(gearbox)、机舱和一个或多个转子叶片。机舱包括转子组件，转子组件联接到齿轮箱且联接到发电机。转子组件和齿轮箱安装在定位于机舱内的底板构件支撑框架上。更具体地，在许多风力涡轮机中，齿轮箱经由一个或多个转矩支撑件(torque supports)或臂安装到底板构件。所述一个或多个转子叶片使用已知的翼型原理捕获风的动能。转子叶片传输呈旋转能的形式的动能以转动轴，轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果没有使用齿轮箱，则轴将转子叶片直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换为可被部署到公用电网的电能。
更具体地，大多数可商购获得的风力涡轮机利用多级齿轮传动系(geareddrivetrains)来将涡轮机叶片连接到发电机。风转动转子叶片，转子叶片旋转低速轴(即主轴)。主轴(main shaft)的旋转由主轴承提供。主轴联接到齿轮箱的输入轴，所述齿轮箱具有连接到发电机的高速输出轴。因此，齿轮传动系旨在增大机械运动的速度。
主轴承的润滑可能是一个挑战，因为在所有操作状况期间都需要可靠的或恒定的润滑来使主轴承保持操作。例如，电驱动润滑***具有固有的可靠性问题(即，操作需要电力)。因此，如果电驱动润滑***由于断电而停止工作，则风力涡轮机必然由于没有适当的润滑被提供而停机。
因此，本领域在不断寻求用于为主轴承提供润滑的新的和改进的***和方法。相应地，本公开涉及一种用于风力涡轮机的主轴承的润滑***，所述润滑***利用由与主轴一起旋转的齿轮驱动的机械泵。
发明内容
本发明的各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
在一个方面，本公开涉及一种用于围绕轴定位的轴承的润滑***。所述润滑***包括围绕轴且邻近轴承定位的密封环、邻近密封环的至少一个齿轮、布置成与一个或多个齿轮接合的润滑剂泵、以及至少一种润滑剂，所述至少一种润滑剂用于为轴承提供润滑，所述密封环可与所述至少一个齿轮一起布置(arranged with)。因此，随着轴的旋转，一个或多个齿轮驱动润滑剂泵，使得只要轴正在旋转，所述润滑剂泵就连续地向轴承提供润滑剂。
在一个实施方案中，一个或多个齿轮可以是安装到轴的单独(separate)部件。在替代实施方案中，润滑***可以包括密封环(seal ring)，所述密封环围绕轴邻近于轴承定位。在此类实施方案中，密封环可以包括形成在其中的齿轮。
在另一个实施方案中，润滑剂泵可以是机械泵。更具体地，在此类实施方案中，机械泵可以包括正排量泵(positive displacement pump)。
在另外的实施方案中，润滑***可以包括与润滑剂泵和轴承一起布置的收集***。这样，收集***被构造成收集润滑***的多余的润滑剂。更具体地，在一个实施方案中，收集***可包括管道(piping)、排放口(drains)和/或贮槽(sumps)的任何合适的构型。
在附加的实施方案中，轴承可以对应于风力涡轮机的主轴承，而轴可以对应于风力涡轮机的主轴。在此类实施方案中，随着主轴经由风而旋转，润滑剂经由润滑剂泵输送到主轴承。
在若干实施方案中，轴承可以是任何合适类型的轴承，包括但不限于锥形滚子轴承(tapered roller bearing)、球面(spherical)滚子轴承或圆柱滚子轴承。
在另一方面，本公开涉及一种用于润滑围绕轴定位的轴承的方法。所述方法包括提供围绕轴且邻近轴承的密封环。所述方法还包括将至少一个齿轮与密封环一起布置。此外，所述方法包括使润滑剂泵与一个或多个齿轮接合。所述方法还包括使轴旋转。因此，随着轴的旋转，一个或多个齿轮驱动润滑剂泵，使得只要轴正在旋转，润滑剂泵就连续地向轴承提供润滑剂。应当理解，所述方法还可以包括如本公开所述的任何附加的步骤和/或特征。
在一个实施方案中，将所述至少一个齿轮与所述密封环一起布置还包括将所述至少一个齿轮安装到所述密封环。
在另外的实施方案中，将所述至少一个齿轮与所述密封环一起布置还包括将所述至少一个齿轮形成在所述密封环中。
在另外的实施方案中，所述润滑剂泵包括机械泵。更具体地，在此类实施方案中，所述机械泵包括正排量泵。
在另外的实施方案中，所述的方法还包括经由与所述润滑剂泵和所述轴承一起布置的收集***来收集多余的润滑剂。更具体地，在此类实施方案中，所述收集***包括管道、排放口或贮槽中的至少一个。
在另外的实施方案中，所述轴承包括风力涡轮机的主轴承，并且所述轴包括所述风力涡轮机的主轴。
在另外的实施方案中，随着所述轴经由风而旋转，所述润滑剂经由所述润滑剂泵输送到所述主轴承。
在又一方面，本公开涉及一种用于风力涡轮机的传动系组件。所述传动系组件包括主轴、主轴承以及润滑***；所述主轴承具有内座圈(inner race)、外座圈和构造在两者间的多个滚子元件；所述润滑***用于为主轴承提供润滑。所述润滑***包括与主轴一起布置的至少一个齿轮、布置成接合一个或多个齿轮的润滑剂泵、以及至少一种润滑剂，所述润滑剂用于向主轴承提供润滑。因此，随着主轴的旋转，一个或多个齿轮驱动润滑剂泵，使得只要主轴正在旋转，泵就连续地向主轴承提供润滑剂。应当理解，传动系组件还可以包括如本公开所述的任何附加特征。
参考以下描述和所附权利要求书，进一步支持并描述本发明的这些和其他特征、方面和优点。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施方案，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整和启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，在附图中：
图1示出了根据本公开的风力涡轮机的一个实施方案的透视图；
图2示出了根据本公开的风力涡轮机的机舱的一个实施方案的简化内部视图的透视图，具体地示出了具有单个主轴承单元的传动系组件；
图3示出了根据本公开的风力涡轮机的某些传动系部件的一个实施方案的剖视图，具体地示出了具有安装在其上的主轴和主轴承的传动系组件。
图4示出了根据本公开的主轴承的一个实施方案的详细剖视图，具体地示出了与主轴承一起布置的润滑***；
图5示出了根据本公开的主轴承的另一个实施方案的详细剖视图，具体地示出了与主轴承一起布置的润滑***；
图6示出了根据本公开的主轴承的又一个实施方案的详细剖视图，具体地示出了与主轴承一起布置且具有收集***的润滑***；以及
图7示出了根据本公开的用于润滑风力涡轮机的主轴承的方法的一个实施方案的流程图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施方案，在图中说明本发明的实施方案的一个或多个示例。每个示例是为了解释本发明而提供，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施方案的一部分的特征可与另一实施方案一起使用以产生再一实施方案。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。
现在参考附图，图1示出了根据本公开的风力涡轮机10的一个实施方案的透视图。如图所示，风力涡轮机10一般包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转轮毂20和联接到轮毂20并从其向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在示出的实施方案中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在替代实施方案中，转子18可包括多于或少于三个的转子叶片22。每个转子叶片22都可围绕轮毂20间隔开以便于旋转转子18，从而使动能能够从风转换成可用的机械能，且随后转换成电能。例如，轮毂20可以可旋转地联接到位于机舱16内的发电机24(图2)，以允许产生电能。
风力涡轮机10还可包括集中在机舱16内的风力涡轮机控制器26。然而，在其他实施方案中，控制器26可以定位于风力涡轮机10的任何其他部件内或风力涡轮机10外的某位置处。此外，控制器26可以通信地联接到风力涡轮机10的任何数量的部件以便控制这些部件。这样，控制器26可以包括计算机或其他合适的处理单元。因此，在若干实施方案中，控制器26可以包括合适的计算机可读指令，所述计算机可读指令当被实施时，将控制器26配置为执行各种不同的功能，例如接收、发送和/或执行风力涡轮机的控制信号。
现在参考图2和图3，示出了诸如图1的风力涡轮机10的风力涡轮机的传动系组件的各种视图。图2示出了图1所示的风力涡轮机10的机舱16的一个实施方案的简化内部视图，具体地示出了具有单个主轴承单元的传动系组件的某些传动系部件。图3示出了根据本公开的风力涡轮机10的传动系组件的若干传动系部件的一个实施方案的剖视图。如图2所示，发电机24可以联接到转子18，用于从由转子18生成的旋转能产生电力。此外，如图2和图3所示，转子18可包括经由联接到轮毂20的主轴承54可旋转以与主轴承54一起旋转的主轴34。主轴34继而可以通过齿轮箱(gearbox)30可旋转地联接到发电机24的齿轮箱输出轴36。更具体地，如图3所示，主轴34通常由一个或多个轴承54、58支撑。例如，如图所示，轴34的逆风端(upwind end)可以由第一或主轴承54支撑，并且轴34的顺风端(downwind end)可以由第二轴承58支撑。更具体地，如图所示，主轴承54一般对应于圆柱滚子轴承，所述圆柱滚子轴承具有内座圈56、外座圈55和布置在两者间的多个滚子元件57。在另外的实施方案中，主轴承54可以是除圆柱滚子轴承之外的任何合适的轴承，包括例如锥形滚子轴承、球面滚子轴承或任何其他合适的轴承。另外，如图所示，主轴承54可以经由安装在轴34的逆风端处的轴承盖60以及构造在轴承盖60与主轴承54之间的密封环59固定在适当位置。例如，在某些实施方案中，密封环59可以对应于防止轴承流体泄漏的迷宫式密封件(labyrinth seal)。此外，如图所示，轴承54、58可以经由一个或多个转矩支撑件50安装到机舱16的底板构件48。
重新参考图2，齿轮箱30可以包括齿轮箱壳体38，所述齿轮箱壳体38由一个或多个转矩臂50连接到底板48。如一般所理解的，主轴34响应于转子叶片22和轮毂20的旋转而向齿轮箱30提供低速高转矩输入。因此，齿轮箱30因而将低速高转矩输入转换为高速低转矩输出，以驱动齿轮箱输出轴36并因而驱动发电机24。
每个转子叶片22还可以包括桨距(pitch)调节机构32，所述桨距调节机构32构造成使每个转子叶片22围绕其桨距轴线28旋转。此外，每个桨距调节机构32都可以包括桨距驱动马达40(例如，任何合适的电动、液压或气动马达)、桨距驱动齿轮箱42和桨距驱动小齿轮(pinion)44。在此类实施方案中，桨距驱动马达40可以联接到桨距驱动齿轮箱42，使得桨距驱动马达40向桨距驱动齿轮箱42施加机械力。类似地，桨距驱动齿轮箱42可以联接到桨距驱动小齿轮44以与其一起旋转。桨距驱动小齿轮44可以继而与联接在轮毂20与对应的转子叶片22之间的桨距轴承46旋转地接合，使得桨距驱动小齿轮44的旋转引起桨距轴承46的旋转。因此，在此类实施方案中，桨距驱动马达40的旋转驱动桨距驱动齿轮箱42和桨距驱动小齿轮44，从而使桨距轴承46和转子叶片22围绕桨距轴线28旋转。类似地，风力涡轮机10可以包括通信地联接到控制器26的一个或多个偏航驱动机构52，其中所述一个或多个偏航驱动机构52各自被构造成改变机舱16相对于风的角度(例如，通过接合风力涡轮机10的偏航轴承53)。
现在参考图4至图6，示出了用于润滑风力涡轮机10的主轴承54的润滑***62的各种视图。图4示出了根据本公开的安装有主轴承54的润滑***62的一个实施方案的详细剖视图。图5示出了根据本公开的安装有主轴承54的润滑***62的另一个实施方案的详细剖视图，具体地示出了润滑***62的收集***70。
更具体地，如图所示，润滑***62包括：密封环59，其如所提及的那样围绕主轴34并邻近主轴承54定位；至少一个齿轮64，其邻近密封环59；润滑剂泵66，其布置成接合一个或多个齿轮64；以及至少一种润滑剂68(图6)，其用于为主轴承54提供润滑。因此，随着主轴34的旋转，一个或多个齿轮64驱动润滑剂泵66，使得只要主轴34正在旋转，泵66就连续地向主轴承54提供润滑剂68。
在一个实施方案中，如图4所示，本公开所述的密封环59可以包括形成在其中的一个或多个齿轮64。在此类实施方案中，一个或多个齿轮64可以使用任何合适的机加工工艺机加工到密封环59中。在替代实施方案中，如图5所示，一个或多个齿轮64可以是安装到主轴34的单独部件。在此类实施方案中，一个或多个齿轮64可以是多个塑料齿轮或钢齿轮(或具有某一强度和/或硬度的任何其他合适的材料)，多个塑料齿轮或钢齿轮被安装成使得一个或多个齿轮64与润滑剂泵66啮合。
在若干实施方案中，润滑***62的润滑剂泵66对应于机械泵。更具体地，在此类实施方案中，机械泵可以包括正排量泵或可由一个或多个旋转齿轮64驱动的任何其他合适的泵。在此类实施方案中，随着主轴34例如经由风而旋转，润滑剂68经由润滑剂泵66输送到主轴承54。这样，润滑剂泵66可以邻近主轴承54的密封环59定位，使得泵66可以接合一个或多个齿轮64。因此，在一些实施方案中，主轴承54的盖60可能需要进行机加工以容纳泵66。一旦机加工，泵66就可以定位在适当位置并且盖60可以被更换以保持泵66与一个或多个齿轮64的接合。
具体地参考图6，润滑***62还可以包括与润滑剂泵66和主轴承54一起布置的收集***70。这样，收集***70被构造成收集润滑***62的多余的润滑剂。更具体地，如图所示，收集***70可以包括管道(piping)72、排放口(drains)74和/或贮槽(sumps)76的任何合适的构型。
现在参考图7，示出了润滑围绕轴定位的轴承的方法100的一个实施方案的流程图。尽管轴承可以包括本公开所述的风力涡轮机10的主轴承54，但应理解，方法100可应用于围绕轴旋转且因此需要润滑的任何轴承，包括另外的风力涡轮机轴承和风力涡轮机应用之外的那些轴承。如102处所示，方法100包括提供围绕轴且邻近轴承的密封环。如104处所示，所述方法包括将至少一个齿轮与密封环一起布置。更具体地，在一个实施方案中，将一个或多个齿轮布置在轴上的步骤可以包括将一个或多个齿轮安装到轴。在替代实施方案中，将一个或多个齿轮布置在轴上的步骤可以包括将密封环围绕轴且邻近轴承固定。在此类实施方案中，密封环可以具有形成在其中的一个或多个齿轮。
如106处所示，方法100包括使润滑剂泵与一个或多个齿轮接合。例如，如上所述，润滑剂泵可以对应于接合一个或多个齿轮的机械泵。如108处所示，方法100包括使轴旋转。因此，随着轴的旋转，一个或多个齿轮驱动润滑剂泵，使得只要轴正在旋转，润滑剂泵就连续地向轴承提供润滑剂。
在另外的实施方案中，如110处所示，方法100还可以包括经由与润滑剂泵和轴承一起布置的收集***收集多余的润滑剂。在此类实施方案中，所收集的润滑剂可以被储存和/或再利用。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳方式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可以包括所属领域的技术人员所想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其他示例希望在权利要求书的范围内。

Claims (22)

1.一种用于围绕轴定位的轴承的润滑***，所述润滑***包括：
密封环，所述密封环围绕所述轴并邻近所述轴承定位；
至少一个齿轮，所述至少一个齿轮邻近所述密封环并与所述密封环接触布置；
润滑剂泵，所述润滑剂泵布置成接合所述至少一个齿轮；以及
至少一种润滑剂，所述至少一种润滑剂用于为所述轴承提供润滑，
其中，随着所述轴的旋转，所述至少一个齿轮驱动所述润滑剂泵，使得只要所述轴正在旋转，所述润滑剂泵就连续地向所述轴承提供所述润滑剂。
2.根据权利要求1所述的润滑***，其中所述至少一个齿轮是直接安装到所述密封环的单独部件。
3.根据权利要求1所述的润滑***，其中所述至少一个齿轮形成在所述密封环中。
4.根据权利要求1所述的润滑***，其中所述润滑剂泵包括机械泵。
5.根据权利要求4所述的润滑***，其中所述机械泵包括正排量泵。
6.根据权利要求1所述的润滑***，其还包括与所述润滑剂泵和所述轴承一起布置的收集***，所述收集***被构造成收集所述润滑***的多余的润滑剂。
7.根据权利要求6所述的润滑***，其中所述收集***包括管道、排放口或贮槽中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的润滑***，其中所述轴承包括风力涡轮机的主轴承，并且所述轴包括所述风力涡轮机的主轴。
9.根据权利要求8所述的润滑***，其中，随着所述主轴经由风而旋转，所述润滑剂经由所述润滑剂泵输送到所述主轴承。
10.根据权利要求1所述的润滑***，其中所述轴承包括锥形滚子轴承、球面滚子轴承或圆柱滚子轴承中的至少一个。
11.一种用于润滑围绕轴定位的轴承的方法，所述方法包括：
提供围绕所述轴且邻近所述轴承的密封环；
将至少一个齿轮邻近所述密封环并与所述密封环接触布置；
使润滑剂泵与所述至少一个齿轮接合；以及
旋转所述轴，
其中，随着所述轴的旋转，所述至少一个齿轮驱动所述润滑剂泵，使得只要所述轴正在旋转，所述润滑剂泵就连续地向所述轴承提供润滑剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述至少一个齿轮邻近所述密封环并与所述密封环接触布置还包括将所述至少一个齿轮作为单独部件直接安装到所述密封环。
13.根据权利要求11所述的方法，其中将所述至少一个齿轮邻近所述密封环并与所述密封环接触布置还包括将所述至少一个齿轮形成在所述密封环中。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述润滑剂泵包括机械泵。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述机械泵包括正排量泵。
16.根据权利要求11所述的方法，其还包括经由与所述润滑剂泵和所述轴承一起布置的收集***来收集多余的润滑剂。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述收集***包括管道、排放口或贮槽中的至少一个。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述轴承包括风力涡轮机的主轴承，并且所述轴包括所述风力涡轮机的主轴。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，随着所述主轴经由风而旋转，所述润滑剂经由所述润滑剂泵输送到所述主轴承。
20.一种用于风力涡轮机的传动系组件，所述传动系组件包括：
主轴；
主轴承，所述主轴承包括内座圈、外座圈和构造在两者间的多个滚子元件；
润滑***，所述润滑***用于为所述主轴承提供润滑，所述润滑***包括：密封环，所述密封环围绕所述主轴并邻近所述主轴承定位；
至少一个齿轮，所述至少一个齿轮邻近所述密封环并与所述密封环接触布置；
润滑剂泵，所述润滑剂泵布置成接合所述至少一个齿轮；以及，
至少一种润滑剂，所述至少一种润滑剂用于为所述主轴承提供润滑，
其中，随着所述主轴的旋转，所述至少一个齿轮驱动所述润滑剂泵，使得只要所述主轴正在旋转，所述润滑剂泵就连续地向所述主轴承提供所述润滑剂。
21.根据权利要求20所述的传动系组件，其中所述至少一个齿轮是直接安装到所述密封环的单独部件。
22.根据权利要求20所述的传动系组件，其中所述至少一个齿轮形成在所述密封环中。
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