流体膜轴承和风力涡轮机的制作方法

1.本发明涉及一种流体膜轴承，特别是用于风力涡轮机中的转子毂的流体膜轴承，其包括彼此可旋转地连接的第一和第二部分，其中，第一部分形成第一环状滑动表面，所述第一环状滑动表面在轴承的周向方向上沿着第一部分延伸，其中第二部分包括支撑结构和沿着支撑结构的圆周分布的第一垫，其中每个第一垫或第一垫的第一子组的相应垫滑动表面支撑第一环状滑动表面。本发明还涉及一种风力涡轮机。


背景技术：

2.风力涡轮机通常包括塔架、安装在塔架的顶部上的机舱和具有安装的转子叶片的转子毂，所述转子叶片相对于机舱可旋转以产生电力。毂可以耦接至驱动发电机的齿轮箱，或者风力涡轮机可以是直接驱动式风力涡轮机。在第二种情况下，毂直接驱动发电机的转子。特别是在直接驱动式风力涡轮机中，使用布置在定子外部并直接耦接至毂的转子可能是有利的。在这种情况下，转子和毂的布置需要由至少一个轴承可旋转地支撑。
3.在大多数情况下，滚子轴承或球轴承被用作风力涡轮机的毂的轴承。但是，这些轴承确实需要高精度地制造，并且因此相对昂贵。维护这种轴承也可能是费力的。
4.因此，例如从文献wo 2013/034391 a2和ep 2 816 226 a1已知使用滑动轴承，其中将垫安装在轴承的一个环的表面上，其中垫支撑另一环的滑动表面，以提供径向支撑并允许两个环相对于彼此旋转。然而，由于垫被布置在两个环之间，因此所提及的滑动轴承通常仍然难以维护。轴承的这一部分在风力涡轮机中可能难以接近。为了提供对垫的接近，有必要提供专用的爬行空间以允许接近环之间的空间。在这种轴承中使用的垫也可能相当复杂，因为通常必须允许相应垫的滑动表面倾斜一定程度，以补偿不同部件的公差、未对准等。引用文献中的第二篇中提及的解决方案使用枢轴接头以允许这种运动。然而，这确实增加了复杂性，并因此增加了垫的成本和潜在的重量。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是提供一种具有降低的复杂性和成本的流体膜轴承，该流体膜轴承还易于维护，尤其是在用作风力涡轮机的毂的轴承时。
6.通过最初讨论的流体膜轴承解决了该问题，其中每个第一垫包括：安装区段，所述安装区段安装到背离第一部分的支撑结构的后侧；接触区段，所述接触区段形成相应的垫滑动表面或承载形成相应的垫滑动表面的涂层；以及连接区段，所述连接区段将接触区段与安装区段连接，并且优选地允许接触区段相对于安装区段倾斜，其中，安装区段、连接区段和接触区段形成为一件。
7.在本发明的情况下，已经认识到，当将单独的垫经由安装区段安装到承载所述垫的支撑结构时，可以显着改善风力涡轮机的可维护性，所述安装区段安装到支撑结构背离所述第一部分的后侧。这允许从后侧（例如从轴承的内部空间或从轴承的外侧）接近垫，并且避免了接近轴承的两个部分之间的空间的必要性。这种类型的安装还允许相对长的连接
区段，因此即使当相应垫的所有区段形成为一件时，也可以允许一定程度的倾斜而不损坏连接区段。
8.如下面将更详细地讨论的，根据在垫表面上预期的最大力和必要的倾斜量，可以在大多数情况下调整连接区段的几何形状以满足这些要求，而无需专用的机构来允许垫滑动表面的倾斜。将垫的三个区段形成为一件，特别是将它们铸造成一件或由单件材料加工它们，可以导致生产单独的垫的非常简单的程序，并且因此可以使垫的成本和重量保持很低。
9.如稍后更详细地讨论的，当第二部分形成轴承的内环时，所描述的垫的安装和设计是特别有利的。在这种情况下，可以从风力涡轮机的内部空间舒适地更换单独的垫。当使用外转子时，这是特别有利的，因为轴承的内环于是是静止的，并且因此可以容易地设置有接近舱口或其它装置，以允许人员接近该内部空间。
10.垫（或更具体地安装区段、接触区段和连接区段）可以例如由钢或某种其它金属形成。涂层可以进一步降低垫滑动表面和由第一部分形成的环状滑动表面的摩擦。这样的涂层可以例如由巴比特合金（babbitt）、白金属、聚合物或具有有利特性的一些其它材料形成。
11.在流体膜轴承中，需要在不同的滑动表面之间的接触区域提供润滑剂。这种润滑的多种方法在现有技术中是已知的，并且将不进行详细讨论。润滑可以例如是溢流润滑、直接润滑、通过喷杆的润滑或某种其它类型的润滑。优选地，将油用作流体膜轴承中的润滑剂。流体膜轴承可以优选地是流体动力轴承或可替代的流体静力轴承。也可以将这些轴承类型组合使用，其中一些垫通过流体动力润滑来润滑并且一些垫通过流体静力润滑来润滑。为了避免润滑剂的过量泄漏，优选地密封轴承的不同部分之间的连接部。为了简单起见，在本技术中未示出或讨论所述部分之间的密封，因为这种密封的实施方式在现有技术中是众所周知的。
12.在流体膜轴承中，一个滑动表面被另一个滑动表面支撑涉及力的间接传递，因为在这些表面之间设置了一层薄的润滑膜。在某些情况下，例如在流体动力轴承中的转速较低时，或者在提供润滑剂的泵不在流体静力轴承中运行时，相应的滑动表面可能会直接接触，并且因此可以通过直接的力交换来实现支撑。
13.第一垫的相应的连接区段在至少一个方向上的直径可以是相应的第一垫的垫滑动表面在相应方向上的延伸部的至少三分之一或至少五分之一或至少十分之一。在至少一个方向上使用更薄的直径允许垫以较小的力在该方向上倾斜。可以选择不同方向上的直径（特别是在轴承的周向方向和轴向方向上），使得在垫滑动表面上的与垫滑动表面正交的预期力仍可被连接区段抵消，同时可以在不具有过度的力或不损坏连接区段的情况下使垫倾斜。优选地，垫滑动表面的直径和延伸部的给定相对大小在与安装区段和接触区段之间的连接方向正交的所有方向上都成立。
14.连接区段可弹性变形以允许垫滑动表面倾斜至少0.5
°
或至少1
°
或至少3
°
的角度。所提及的倾斜角度通常足以补偿公差、未对准等。同时，它们不需要连接区段的过度变薄，并且因此允许垫相对于与垫滑动表面正交的力具有足够的稳定性。。
15.所述支撑结构可包括从所述支撑结构的后侧到前侧的用于每个所述第一垫的通孔，所述前侧面向轴承的第一部分，其中，所述相应的连接区段至少部分地布置在所述相应
的通孔内，和/或其中，相应的接触区段至少部分地布置在相应的通孔内。通孔的壁可以形成用于垫的倾斜构思的止挡件，并且因此限制了连接区段的弯曲量。这对于避免在极端负载情况下对连接区段造成永久性损坏非常有用。通孔的使用允许从后侧更容易地移除和安装相应的垫，这对于如上所讨论的维护是有利的。
16.相应的第一垫的安装区段可以沿着后侧延伸超过相应的通孔并封闭相应的通孔。因此，安装区段像舱口一样封闭通孔。由于安装区段通常是用螺钉或用螺栓固定到支撑区段，因此这种构造可以称为螺栓舱口构造。通过安装区段封闭通孔可以是有利的，因为一旦安装了垫就可以避免润滑流体通过通孔的泄漏。尽管在该文献中没有详细讨论流体膜轴承的密封，但是由于这不是本发明的关注点，所以显然有利的是在安装区段和支撑结构之间设置密封件以避免润滑剂的泄漏。
17.相应的第一垫的安装区段可以通过围绕相应通孔的圆周间隔开的多个螺栓或螺钉连接到支撑结构。由于安装区段安装在支撑结构的后侧处，因此需要通过螺钉或螺栓抵消由环状滑动表面施加在相应的垫的垫滑动表面上的力。因此，使用在通孔周围间隔开的多个螺钉或螺栓是有利的。
18.第一部分可以形成第二环状滑动表面，优选地相对于第一环状滑动表面成角度地布置。在这种情况下，第二部分可包括第二垫或第一垫的第二子组，其中每个第二垫或第一垫的第二子组的相应垫滑动表面支撑第二环状滑动表面。多个环状滑动表面的使用尤其允许第一部分由第二部分在径向和轴向方向上的支撑。
19.在第一变型中，第一和第二环状滑动表面两者都可以与轴承的径向方向和轴向方向成角度。因此，每个滑动表面可在径向方向和轴向方向中的一个上提供支撑。在这种情况下，两个滑动表面优选地由第一垫的不同子组支撑。第一和第二环状滑动表面可在轴向方向上彼此背离或在轴向方向上面向彼此。因此，第一和第二环状滑动表面可以形成具有渐缩i或渐缩u的形状的第一部分。
20.在第二变型中，可以使用三个环状滑动表面。这些环状滑动表面中的一个可以大体正交于径向方向，并且因此主要地或专门地提供径向支撑。两个环状滑动表面可以相对于轴向方向成角度地布置，优选地正交于轴向方向，并且因此在两个轴向方向上提供轴向支撑。主要地或专门地提供径向支撑的垫可被视为径向垫，并且主要地或专门地提供轴向支撑的垫可被视为轴向垫。
21.在第二变体中，所有垫都可以是第一垫。可替代地，可以将不同类型的垫用于径向垫或用于轴向垫。特别地，另一种类型的垫可布置成使得其插入在支撑结构与第一部分之间，大体平行于垫滑动表面延伸的方向中的一个。
22.尽管与第一垫相比更换这种类型的垫可能更费力，但是当应支撑与相应的垫的垫滑动表面正交的较大的力时，使用此类垫可能是有利的，因为垫被直接推动成抵靠支撑结构，并且不仅仅是用螺栓或螺钉保持。
23.第一垫可以相对于第二垫在轴承的周向方向上偏移。可替代地，第一子组的第一垫可以相对于第二子组的第一垫在轴承的周向方向上偏移。特别有利的是使径向垫和轴向垫沿周向方向偏移和/或使第一垫的支撑不同滑动表面的组偏移。两种方法都可以允许在轴向方向上较短的轴承和/或径向垫的垫滑动表面的较大尺寸。
24.第一部分可以是轴承的外部部分，其中第一和/或第二环状滑动表面形成在第一
部分的内圆周上和/或其中第一和/或第二垫或第一垫的第一和/或第二子组的相应的垫滑动表面具有凸形形状。因此，第二部分可以被识别为轴承的内部部分。优选地，支撑与径向方向成角度的环状滑动表面的所有垫都是凸形的，以匹配该环状滑动表面的表面。
25.使用安装到内部部分（特别可以是静态的）的垫来替代安装到外部部分（特别可以是可旋转的）的垫允许更容易接近垫，特别是当流体膜轴承用于风力涡轮机中时。在这种情况下，内部部分通常在轴承的区域中具有大体管的形状。因此，内部部分形成自然的爬行空间或甚至更大的接近空间，以供人员接近可安装垫的内部部分的壁。如下面更详细地讨论的，垫安装在内部部分上还可以帮助避免在垫的垫滑动表面的圆周端部处的锐角，这也可以帮助减少磨损和撕裂。
26.优选地，提供径向支撑的垫的相应垫滑动表面具有凸形形状。当滑动表面具有凸形形状时，在滑动表面的任何一点上的切线都不会与滑动表面相交。与具有凹形形状的滑动表面的垫相比，避免了径向垫滑动表面的边缘处的锐角，这可以帮助增加垫的寿命。
27.优选地，与这种垫接触的径向垫滑动表面在与轴承的旋转轴线正交的截面平面中可以具有圆弧的形状。优选地，对于正交于与径向垫滑动表面相交的旋转轴线的每个截面平面而言，这都是对的。旋转轴线的方向也可以称为轴向方向。
28.环状滑动表面在所讨论的一个或多个截面平面中可以具有圆形形状，从而导致两个滑动表面具有相似的形状，并且因此改善了支撑。
29.另外，本发明涉及一种风力涡轮机，其包括具有转子毂的转子，该转子毂使用根据本发明的流体膜轴承连接到风力涡轮机的另一部件，其中，毂是第一或第二部分的一部分或被安装到第一或第二部分。优选地，毂可以安装到第一和第二部分的外部部分。相应的部分和毂之间的连接可以抗扭。另一部分优选地尤其经由抗扭连接而连接至发电机的机舱和/或定子。连接到毂的部分也可以经由抗扭连接连接到发电机的转子或齿轮箱的输入级。
30.毂可以通过单个轴承连接到另外的部件。所讨论的流体膜轴承非常适合用作用于支撑风力涡轮机的毂的唯一轴承。单个轴承构造可以降低风力涡轮机的复杂性和成本。如果使用多个轴承，则根据本发明的流体膜轴承可以用作最靠近毂的主轴承。
31.毂和/或第二部分和/或另外的部件可以形成允许人员接近支撑结构的内部空间，其中第一和/或第二垫安装到支撑结构，使得其可以由人员从内部空间中更换。
附图说明
32.根据结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，附图仅是原理草图，其仅出于说明目的而设计并且不限制本发明。附图示出：图1是根据本发明的风力涡轮机的实施例的详细视图，其包括根据本发明的流体膜轴承的实施例，图2是图1中所示的流体膜轴承的截面视图，并且图3至图5是根据本发明的流体膜轴承的替代实施例的详细视图，其可以用于根据本发明的风力涡轮机的替代实施例中。
具体实施方式
33.图1示出了风力涡轮机1的详细视图，该风力涡轮机1包括转子毂3，该转子毂3使用
流体膜轴承2可旋转地连接至风力涡轮机1的另外的部件5。毂3使用抗扭连接安装到轴承2的第一部分7，例如，可以使用凸缘连接。可替代地，毂3和第一部分7可以形成（例如铸造）成一件。
34.第一部分7也使用抗扭连接连接到结构4。为了简单和清楚的原因，结构4可以用于承载风力涡轮机1的发电机的转子，其在图1中未示出。
35.轴承的第二部分6具有环状的形状，并且可以与另外的部件5形成为一件，或者使用抗扭连接连接到另外的部件5。另外的部件5尤其可以是风力涡轮机1的发电机的定子或者可以承载风力涡轮机1的发电机的定子，其出于简单和清楚的原因而未示出。
36.因为本发明聚焦于各种垫的实施和分配，所以在附图中省略了与流体膜轴承的润滑有关的细节，例如密封件和可以可选地用于输送润滑剂的泵。
37.为了径向支撑第一部分7，第二部分6包括沿着第二部分6的圆周分布的第一垫8、9。每个垫8、9具有相应的垫滑动表面10，该垫滑动表面10在径向方向上支撑第一部分7的第一环状滑动表面14。滑动表面10、14可以例如被涂覆以改善滑动表面的稳固性和/或进一步减小摩擦。尽管在正常操作期间滑动表面10、14通常不直接接触，但是由于在滑动表面10、14之间布置了薄的润滑剂膜，因此例如在慢的旋转速度下或当用于输送润滑剂的泵不工作是，旋转表面10、14之间会发生接触。
38.第一垫8、9和稍后将描述的其它垫应允许相应的垫的滑动表面相对于相应的垫8、9的用于将垫8、9安装到支撑结构11的安装区段13发生一定量的倾斜。因此，滑动表面由接触区段34提供，该接触区段34通过连接区段35连接至安装区段13以允许倾斜。
39.在垫8、9中，安装区段13、连接区段35和接触区段34形成为一件，例如铸造为一件或由一件材料机加工而成。为了允许使垫倾斜，选择连接区段35的足够小的直径41以允许连接区段35的弹性变形，特别是挠曲。这在图2中更详细地示出，图2示出了图1中所示的流体膜轴承的截面视图，该截面平面与轴承2的轴向方向正交。
40.在其它垫中，例如稍后讨论的垫20
‑
23，可以使用其它机构来允许其倾斜，例如枢轴或球窝连接。由于这些其它垫20
‑
23的安装和内部结构与进一步的讨论无关，因此这些垫在图1中仅示出为单个块。
41.垫8、9的安装区段13例如通过围绕通孔12的圆周布置的螺栓40安装到支撑结构11的后侧。组合的连接区段35和具有涂层36的接触区段34穿过通孔12延伸到支撑结构的前侧43。在垫8、9的安装期间，它们可以从后侧42并且因此从内部空间27插入支撑结构11的通孔12中，所述内部空间27由毂3和第二部分6以及另外的部件5或这些部件的子组形成。
42.垫滑动表面10的确具有凸形形状，如图2中所示。垫滑动表面10在与轴承2的轴向方向正交的截面平面中至少近似圆弧的形状。垫滑动表面10的凸形形状紧密匹配在相同的截面平面中至少近似圆形的环状滑动表面14的形状。使用凸形表面的另一个优点是避免在垫滑动表面10的边缘24、25处形成锐角。这可以帮助减少垫滑动表面10和环状滑动表面14的磨损和撕裂。
43.在所讨论的示例中，垫滑动表面10和环状滑动表面14大体正交于径向方向，并且因此仅可以在径向方向上支撑第一部分7并且因此支撑毂3。为了对第一部分7以及因此对毂3提供轴向支撑，第一部分7具有两个附加的环状滑动表面16、17，其大体正交于轴承2的轴向方向。环状滑动表面17由第二垫20、21的垫滑动表面19支撑。环状滑动表面16由第三垫
22、23形成的垫滑动表面18支撑。因此，第一部分7在两个轴向方向上被支撑。第二和第三垫20
‑
23可以具有不同的内部结构，并且可以与第一垫8、9不同地安装。
44.第一垫8、9相对于第二和第三垫20至23在周向方向上偏移。这允许较短的轴承2或使用垫8、9的在轴向方向上较大的滑动表面10，而无需使用较长的轴承2。
45.在正交于图1中所示的轴承的周向方向的截面平面中，环状第一部分7具有近似字母“i”的形状，并且形成在径向方向上朝向第二部分6延伸的突起。环状滑动表面14形成在该突起的径向端部上，并且环状滑动表面16、17形成在该突起的轴向端部上。
46.垫20
‑
24可借由通过支撑结构11的通孔26径向移除或插入所述垫20
‑
24而对其进行更换，从而将它们夹在支撑结构11和第一部分7之间。它们也可以被插入内部空间27或从内部空间27移除。如稍后所讨论的，也可以使用其它方法来安装这些垫。
47.在先前讨论的示例中，垫滑动表面10在大体正交于径向方向的位置处提供径向支撑。因此，有必要使用额外的垫20
‑
23来实现对第一部分7以及因此对毂3的轴向支撑。图3示出了替代性实施例，其中第一部分7具有形成两个环状滑动表面32、33的渐缩形状，所述两个环状滑动表面32、33大体平行于轴承2的周向方向，但是相对于轴承2的径向和轴向方向成角度地布置。该实施例使用两组垫28、29，每组支撑环状滑动表面32、33中的相应一个。用于相应组的垫28、29的垫滑动表面30、31的相应法线相对于径向方向倾斜。因此，两组垫28、29足以同时提供径向和轴向支撑。
48.这些对垫28、29中的多个可以沿着第二部分6的圆周间隔开。为了易于维护，将垫28、29安装在支撑结构11的通孔38、39中，并且可以在箭头37的方向上例如从内部空间27移除以进行维护。垫28、29的内部结构和安装大体与针对垫8、9已经讨论的内容相同。
49.当使用如上所讨论的相对于径向和轴向方向两者均成角度布置的两个环状滑动表面32、33时，可以通过参考图4描述的以下修改来实现轴承2宽度的减小。图4示出了与轴承2的周向方向正交的横截面。由于支撑第一部分7的方法与图3中类似，因此相同的附图标记用于起到相同或类似目的的部件。在该实施例中，支撑环状滑动表面32、33的垫28、29沿着支撑结构11的圆周布置在不同的位置处。因此，图4中仅示出了一个垫。
50.与图3中所示的实施例的第一区别是第一部分7的形状。代替图3中所示的渐缩i形状，第一部分7现在具有带有两个突起的渐缩u形状，其中渐缩端部形成两个环状滑动表面32、33。因此，在根据图4的实施例中，环状滑动表面32、33面向彼此。
51.由于环状滑动表面32、33的这种布置，两个垫28、29在轴承2的周向方向上不能放置在相同位置。替代地，它们在周向方向上移位一定距离。优选地，垫28、29被布置成使得第一组的垫28具有在图4中示出的取向，并且第二组的垫29具有在图4中的竖直轴线处镜像的取向，使得这些垫29的垫滑动表面31可以在周向方向上交替地接触环状滑动表面33。
52.图5示出了所讨论的流体膜轴承2的另外的变型。轴承2的总体设计类似于参考图1和图2讨论的轴承2，其具有大体i形状的第一部分7，所述第一部分7由一组垫8径向地支撑并且由两组垫20、22轴向地支撑。在图5中所示的示例中，垫20、22和垫8布置在相同的周向位置处。对于垫8和垫20、22也可以使用不同的周向位置和/或也可以针对轴向支撑的不同方向将垫20、22放置在不同的周向位置处。
53.参考图1和图2讨论的实施例与根据图5的实施例之间的主要区别在于，用于轴向支撑的垫20、22被安装到第二部分6的支撑结构11的方式。代替将它们径向地插入在第一部
分7和支撑结构11之间，它们被插入到支撑结构11的轴向通孔中。因此，垫20、22的内部结构和安装可以与垫8的内容相同。
54.第二部分6经由位于垫20外侧的连接件连接至另外的部件5，因此允许从内部空间27移除垫8以及垫20、22，如参考图1所讨论的。
55.显然，关于单独的实施例讨论的特征可以以多种方式组合。而且，轴承2的第一和第二部分6、7与风力涡轮机1的各种其它部分的连接可以改变。例如，可以将第一部分7与毂3和/或结构4形成为一件，或者通过不同的连接（例如通过凸缘连接）将外部部分7连接到这些件中的一个或两个。相应地，可以将另外的部分5和第二部分6设置成一件或者通过凸缘等将它们连接。也可以使用第一部分7作为轴承2的内部部分，并且使用第二部分6作为轴承2的外部部分。
56.尽管已经参考优选实施例详细地描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，本领域技术人员能够从所公开的示例中得出其它变型而不脱离本发明的范围。