风轮机、风轮机用的轮毂及其使用
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种风轮机，它包括至少两个
叶片单元和轮毂，每个叶片单元包括
俯仰控制式风轮机叶片和至少一个俯仰
轴承，该俯仰轴承包含至少一个
外圈、至少一个中心圈和至少一个
内圈，该轮毂包含用于每个所述叶片单元的安装区。本发明还涉及风轮机用的轮毂及其使用，该轮毂包括至少两个安装区，以用于经由俯仰轴承安装风轮机叶片，该俯仰轴承包含至少一个外圈、至少一个中心圈和至少一个内圈。
[0002] 背景技术
[0003]
现有技术已知的风轮机包括风轮机
塔架和安置在该塔架顶部的风轮机引擎舱。如图1所示，具有三个风轮机叶片的风轮机
转子通过低速轴连接到引擎舱。 [0004] 现代风轮机通过使叶片俯仰进入或离开来风来控制转子上的
载荷。使叶片俯仰以优化输出或者保护风轮机不会因超载荷而损坏。
[0005] 为了执行俯仰，每个叶片都具有俯仰装置—该俯仰装置包含位于轮毂和叶片之间的俯仰轴承，和一些提供用于俯仰叶片并且将其保持在给定
位置的
力的机构—最经常是
液压缸。此俯仰装置使每个叶片能够围绕它们的纵向轴线转动约90°。
[0006] 随着现代风轮机的尺寸增加，构成风轮机的大部分不同部件上的载荷也增加。特别地，俯仰装置上的载荷因风轮机的叶片尺寸以及总功率输出的增加而大大增加。另外，俯仰装置内的材料的使用以及该装置的重量也随着现代风轮机尺寸的增加而大大增加。 [0007] PCT
申请WO-A 01/69081公开了一种风轮机用的俯仰轴承，其中风轮机叶片的末端为叉状凸缘。叶片凸缘的表面连接到一三圈轴承的内圈和 外圈。叶片设计日益复杂，因为叶片必须分成两个均包含连接凸缘的子
外壳，而这大大增加了风轮机叶片的成本和总重量。
[0008] 本发明的目的是提供一种具有改进的俯仰接头的风轮机技术，该俯仰接头牢固且重量有效。
[0009] 发明内容
[0010] 本发明提供了一种风轮机，该风轮机包括至少两个叶片单元和一轮毂，每个叶片单元包括一俯仰控制式风轮机叶片和至少一个俯仰轴承，该俯仰轴承包含至少一个外圈、至少一个中心圈和至少一个内圈，该轮毂包含用于每个叶片单元的安装区，其特征在于，所述安装区包含至少两个同心载荷传递表面，以用于经由所述至少一个俯仰轴承连接该叶片部件。
[0011] 因此，可确保在叶片上仅具有一个连接凸缘的简单叶片连接设计，并且通过使轮毂上的安装面具有至少两个同心的载荷传递表面，可提供轮毂的刚性设计，该刚性设计可在三圈俯仰轴承的外圈和内圈之间实现牢固且刚性的连接。这也是有利地，因为制造这种牢固且刚性的连接所需材料的重量被移动到更接近旋转中心，从而减少了轮毂上的载荷。 [0012] 此外，该至少两个同心载荷传递表面使得叶片和俯仰轴承上或者来自它们的载荷可遍布在更大的面积上，使轮毂能具有更好的载荷传递品质。
[0013] 应当强调，术语“轮毂”应被理解为叶片连接在其上的风轮机的部分。因此，术语“轮毂”也包含摇摆风轮机上的叶片连接在其上的摇摆设备。
[0014] 在本发明的一个方面，所述至少一个俯仰轴承的所述至少一个外圈连接到所述至少两个载荷传递表面之一上，所述至少一个俯仰轴承的所述至少一个内圈连接到所述至少两个载荷传递表面中的另一个上。
[0015] 通过使一个轴承圈连接到一个载荷传递表面并使另一圈连接到另一载荷传递表面，来自叶片单元的载荷在轮毂上的安装区的更大面积上传递。这是有利的，因为轮毂内的载荷和
张力可更好地分布并且传递给引擎舱。
[0016] 在本发明的一个方面，所述至少一个中心圈通过叶片连接装置例如螺钉、
螺栓或柱头螺栓连接到所述叶片的凸缘例如根部凸缘上。
[0017] 使叶片连接到轴承的中心圈是有利的，因为这提供了叶片的简单并因而成本和重量有效的设计。
[0018] 在本发明的一个方面，所述至少两个同心载荷传递表面被至少一个凹槽分隔开。 [0019] 利用凹槽分隔载荷传递表面是有利地，因为这提供了这样的空间，该空间可使中心圈少量地移动，而不会
接触在俯仰轴承是其
中底面和/或顶面对齐的类型的情况下的连接两个同心载荷传递表面的表面。
[0020] 在本发明的一个方面，所述叶片连接装置延伸到所述至少一个凹槽内。 [0021] 连接到叶片的轴承圈通常使用叶片连接装置例如柱头螺栓连接。如果轴承圈对齐或者基本对齐并且在中心圈下没有凹槽，则中心圈必须相对于内轴承圈和外轴承圈发生很大偏移以便为延伸的柱头螺栓提供空间。这会增加轴承的重量和成本，因为内轴承圈和外轴承圈的部分将仅用作隔离件。因此，叶片连接装置延伸到凹槽内是有利的。 [0022] 在本发明的一个方面，所述凹槽填充或部分填充
润滑剂，例如轴承
润滑脂。 [0023] 为凹槽提供润滑剂例如轴承润滑脂是有利的，因为这样可润滑轴承，并且防止灰尘、
水或其它可能有害的材料接触轴承。
[0024] 在本发明的一个方面，所述至少两个安装区均具有至少用于检查所述叶片连接装置的检查通孔。
[0025] 为安装区设置检查通孔是有利的，因为这样使得能够在转子被组装好之后检查和上紧叶片连接装置。
[0026] 在本发明的一个方面，所述至少两个安装区均具有四个或更多相互均匀间隔的检查通孔。
[0027] 俯仰装置使得每个叶片可转动稍微超过90°。因此，安装区具有四个或更多相互均匀间隔的检查通孔是有利的，因为这使得在叶片的90°俯仰上可到达每个叶片连接装置。
[0028] 在本发明的一个方面，所述检查通孔安置在所述至少一个凹槽内或紧邻所述至少一个凹槽。
[0029] 凹槽
定位在叶片连接装置下方，并且检查通孔设置用于检查以及可能上紧叶片连接装置。因此检查通孔安置在凹槽内或紧邻凹槽是有利的。
[0030] 在本发明的一个方面，例如利用平面或带
螺纹的插塞堵塞所述检查通孔。 [0031] 当检查孔不使用时，有利地塞住该检查孔以防止灰尘、水、或其它有害材料接触俯仰轴承。
[0032] 在本发明的一个方面，所述轮毂上的与所述载荷传递表面相对并且紧邻所述检查通孔的底部侧包含用于例如用于上紧所述叶片连接装置的上紧设备的至少一个接触面。 [0033] 通常使用专用的上紧设备上紧大的叶片连接装置例如螺栓，该上紧设备在上紧
螺母的同时拉紧螺栓。此上紧设备需要刚性表面以使得能够沿轴向拉紧螺栓。因此，轮毂在载荷传递表面上围绕检查通孔设有接触面是有利的。
[0034] 在本发明的一个方面，所述安装区包含故障检测系统，从而在所述叶片连接装置发生机械故障时建立闭合
电路。
[0035] 这在叶片连接装置破裂或者螺母本身松动的情况下非常有利，因为这在最坏的情况下会导致叶片掉落。因此安装区具有故障检测系统是有利的，如果建立了闭合电路则该故障监测系统可检测到机械故障。
[0036] 在本发明的一个方面，所述故障检测系统包括与所述叶片连接装置电绝缘并且具有与该装置相反的电势的至少一个检测环或者检测环部分。
[0037] 通过使故障检测系统具有检测环或检测环部分并且使它们与叶片连接装置电绝缘，可检测是否发生任何故障，发生故障时将在环和叶片连接装置之间建立接触并从而闭合电路。因此，叶片连接装置和检测环或检测环部分具有相反的电势也是有利的。 [0038] 在本发明的一个方面，所述至少一个检测环或者检测环部分安置在所述凹槽内。 [0039] 叶片连接装置安置在凹槽内或凹槽上，并且提供检测环或检测环部分以便检测叶片连接装置的故障。因此，有利地将检测环或检测环部分放置 在凹槽内。 [0040] 本发明还提供了一种用于上述风轮机的风轮机轮毂，所述轮毂包括用于经由俯仰轴承安装风轮机叶片的至少两个安装区，该俯仰轴承包含至少一个外圈、至少一个中心圈和至少一个内环，其特征在于，所述安装区均包含用于连接所述圈中的至少两个的同心载荷传递表面。
[0041] 从而，实现了根据本发明的轮毂的一个有利的
实施例。
[0042] 在本发明的一个方面，所述载荷传递表面均具有载荷传递连接装置，例如一圈或多圈平面通孔、带螺纹通孔、带螺纹销或优选地带螺纹
盲孔。
[0043] 载荷传递表面具有连接装置例如带螺纹的盲孔是有利的，因为这使得能够以简单和良好的方式连接俯仰轴承。
[0044] 在本发明的一个方面，所述至少两个同心载荷传递表面被至少一个凹槽分隔开。 [0045] 从而，实现本发明的一个有利的实施例。
[0046] 在本发明的一个方面，所述至少一个凹槽的径向宽度为5-250mm，优选为15-150mm，并且最优选为30-100mm。
[0047] 凹槽的此宽度范围在用于延伸的叶片连接装置的空间与相邻载荷传递表面的宽度和刚性之间提供了有利的关系。
[0048] 在本发明的一个方面，所述至少一个凹槽相对于所述载荷传递表面的深度为5-250mm，优选为10-150mm，最优选为20-90mm。
[0049] 凹槽的此深度范围在用于延伸的叶片连接装置的空间与载荷传递表面的刚性之间提供了有利的关系。
[0050] 在本发明的一个方面，所述至少两个安装区具有检查通孔。
[0051] 从而，实现了本发明的一个有利的实施例。
[0052] 在本发明的一个方面，所述至少两个安装区均具有四个或更多相互均匀间隔的检查通孔。
[0053] 从而，实现了本发明的一个有利的实施例。
[0054] 在本发明的一个方面，所述检查通孔安置在所述至少一个凹槽内或在其附近。 [0055] 从而，实现了本发明的一个有利的实施例。
[0056] 在本发明的一个方面，所述检查通孔的直径为5-250mm，优选为15-150mm，最优选为30-110mm。
[0057] 检查通孔的此直径范围在用于检查且可能上紧叶片连接装置的空间与轮毂上的安装区的刚性之间提供了有利的关系。
[0058] 在本发明的一个方面，所述轮毂上的与所述载荷传递表面相对并且紧邻所述检查通孔的底部侧包含用于上紧设备的一个或多个接触面。
[0059] 从而，实现了本发明的一个有利的实施例。
[0060] 在本发明的一个方面，所述一个或多个接触面与所述同心载荷传递表面平行。 [0061] 为了确保上紧设备正确地起作用并且在拉紧叶片连接装置时不会损坏叶片连接装置，有利地使接触面与载荷传递表面平行。
[0062] 本发明还提供了上述风轮机轮毂在上述风轮机上的使用，其中所述风轮机是速度可变的俯仰式风轮机。
[0063] 由于变速产生的载荷变化，叶片和轮毂之间的接合部在速度可变的俯仰式风轮机上受到的
应力大于在固定速度风轮机上受到的应力。因此，有利地使速度可变的俯仰式风轮机具有根据本发明的轮毂。
[0065] 下文将参照附图说明本发明，在附图中：
[0066] 图1示出从
正面看去的大型现代风轮机，
[0067] 图2示出从正面看去的包含三个叶片的风轮机轮毂，
[0068] 图3示出垂直于叶片安装区看到的不具有叶片的风轮机轮毂，
[0069] 图4示出图3的剖面A-A、B-B和C-C，
[0070] 图5示出贯穿包含插塞的安装区的检查孔的剖面，
[0071] 图6示出在叶片柱头螺栓的上紧期间贯穿安装区的检查孔的剖面， [0072] 图7示出贯穿包含故障检测系统的安全区的剖面，
[0073] 图8示出包含三个圈和六排滚珠的俯仰轴承的实施例，
[0074] 图9示出包含三个圈和四排滚珠的俯仰轴承的实施例，以及
[0075] 图10示出包含三个圈和六排滚柱的俯仰轴承的实施例。
具体实施方式
[0076] 图1示出风轮机1，该风轮机包含塔架(塔筒)2和位于塔架2顶部的风轮机引擎舱(吊舱)3。在引擎舱3上通过低速轴连接有风轮机转子4，该风轮机转子包括两个风轮机叶片5，该低速轴从正面延伸出引擎舱3。
[0077] 图2示出从正面看去的包含三个叶片5的风轮机轮毂7。在本发明的此实施例中，轮毂7包含用于连接叶片单元31的三个安装区6。每个叶片单元31包括风轮机叶片5和俯仰轴承9。俯仰轴承9连接到叶片5并连接到轮毂7的安装区以使得叶片5能够围绕其纵向轴线旋转。
[0078] 在本发明的此实施例中，轮毂7还包括位于该轮毂7的正面部分内的孔17。 [0079] 俯仰轴承9必须传递主要来自三个不同源的力。叶片5(当然还有轴承9本身)持续受到重力的影响。重力的方向根据叶片5的位置改变，从而在俯仰轴承9上引起不同的载荷。当叶片运动时，轴承9还受
离心力的影响，离心力主要在轴承9内产生轴向拉力。最后，轴承9受叶片5上的
风力载荷影响。此力迄今为止是轴承9上的最大载荷，并且产生轴承9必须承受的整体力矩。
[0080] 所有俯仰轴承9上的以及来自俯仰轴承的载荷都必然传递给轮毂7，并且还传递到风轮机1的其余部分。这使得俯仰轴承9和轮毂7之间的载荷传递非常关键，当载荷由于叶片和功率输出越来越大而越来越大时尤其如此。
[0081] 在本发明的此实施例中，轮毂7示出具有三个安装区6并从而具有三个叶片5，但是在其它实施例中，轮毂7可包含两个或四个安装区6。
[0082] 图3示出垂直于叶片安装区6看去的不带叶片5的风轮机轮毂7。在本发明的此实施例中，轮毂7包括用于将轮毂7连接到低速轴或者直接连接到引擎舱3内或附近的
齿轮上的表面17。
[0083] 常规风轮机安装区6包括一个载荷传递表面10、11，但在本发明的此 实施例中，安装区6包括外载荷传递表面10和同心安置的内载荷传递表面11，这两个表面都以安装区6内的孔18为中心。每个载荷传递表面10、11包含多个带有
内螺纹的盲孔，但在本发明的其它实施例中，载荷传递表面10、11可包括通孔、带有
外螺纹的销、它们的组合或者适于将俯仰轴承9连接到载荷传递表面10、11的任何其它装置。
[0084] 在本发明的此实施例中，两个载荷传递表面10、11被同心地设置在这两个载荷传递表面10、11之间的凹槽14分隔开。凹槽14示出为具有均匀的宽度，但在本发明的其它实施例中，凹槽的深度和宽度可改变。凹槽14具有四个均匀隔开的检查孔15。由于叶片通常可俯仰微超过90°，所以通过这四个检查孔5可达到或检查所有叶片连接装置，但在本发明的其它实施例中，安装区6可具有其它数目-例如一个、三个、五个或六个-的检查孔15。检查孔15安置在凹槽14的中部，但在本发明的其它实施例中，检查孔15可安置在另一俯仰半径上，或者它们的直径可大于凹槽14的宽度，使得它们延伸到载荷传递表面10、
11内。
[0085] 图4示出图3的三个不同剖面。剖面A-A示出在轮毂7的正面附近的安装区6上的剖面。两个载荷传递表面10、11被凹槽14分隔开，并且载荷传递表面10、11具有用于连接俯仰轴承9的圈的带螺纹盲孔12。在本发明的此实施例中，凹槽的形状为具有圆
角的矩形，但在本发明的其它实施例中，凹槽可以是例如半圆形或多边形。
[0086] 剖面B-B示出在另一个安装区6附近并且在两个检查孔15之间的安装区6的剖面。两个安装区6之间的材料设计成使得在两个安装区6和轮毂7的其余部分之间实现牢固且刚性的连接。
[0087] 剖面C-C示出在另一个安装区6附近并且贯穿两个安装区6内的检查孔15的安装区6的剖面。轮毂设计成使得可自由接近两个检查孔15，同时这两个安装区6和轮毂7的其余部分之间的连接仍牢固且是刚性的。
[0088] 图5示出贯穿安装区6的检查孔15的剖面。在本发明的此实施例中，俯仰轴承9的内圈26通过柱头螺栓21等连接到内载荷传递表面11，外圈24连接到外载荷传递表面10。
[0089] 将叶片5连接到俯仰轴承9的中心圈25的柱头螺栓21延伸到凹槽内，但是在本发明的其它实施例中，中心圈25可向上移动，从而在其下方留出空间以便延伸柱头螺栓21或可利
用例如Allen埋头螺钉将叶片5连接到俯仰轴承9的中心圈25内。在此情况中，安装区6可制造成没有凹槽14，从而使这两个载荷传递表面10、11通过平面连接。 [0090] 为了防止灰尘或其它有害物进入俯仰轴承9并且例如为了润滑俯仰轴承9，凹槽可填充或部分填充润滑剂，例如轴承润滑脂。然后必须利用推入检查孔15的平插塞堵塞检查孔15，或者如图所示通过使检查孔15具有内螺纹并然后利用带螺纹插塞19堵塞孔15来堵塞检查孔15。
[0091] 图6也示出贯穿安装区的检查孔15的剖面。除了用于检查叶片连接装置21之外，检查孔15还可用于上紧柱头螺栓21。这例如可通过所示的上紧设备30实现。上紧设备30包括中心销32，在上紧设备30被支承在轮毂7上的接触面32上的同时，该中心销32旋拧在柱头螺栓21的延伸螺纹部分上并且被牵引。从而使柱头螺栓21具有精确的张力。然后利用套接部分33上紧螺母29，此后释放柱头螺栓21。
[0092] 图7示出贯穿安装区6的剖面。在本发明的此实施例中，凹槽14具有故障检测系统。检测环28放置在凹槽21的底部，并通过接合有或放置在某些电绝缘材料23上而与叶片柱头螺栓21电绝缘。在本发明的其它实施例中，故障检测系统可包括一个以上的检测环28，或者可将所述一个或多个环28分成多个环部分例如以便不
覆盖检查孔15。然后可通过经由某些用于检测系统内的
电流的检测装置将叶片柱头螺栓21和环28连接到电源，在叶片柱头螺栓21和环28之间建立电势差。如果柱头螺栓21破裂或者螺母29旋松，则螺栓
21或螺母29将与检测环28接触从而建立闭合的电路，这导致检测装置检测到该电路内的电流并且启动报警程序。
[0093] 图8、9和10示出包含三个圈24、25和26的俯仰轴承9的三个不同实施例的横截面部分，根据本发明这些圈都可用于将叶片5连接到轮毂7。
[0094] 图8示出俯仰轴承9的横截面的一部分，该俯仰轴承9在外圈24和中心圈25之间包含三排27滚珠13，并在中心圈25和内圈26之间包含三排 27滚珠13。在其它实施例中，轴承9可在圈24、25和26之间仅包含一个或两个滚珠13。
[0095] 图9示出俯仰轴承9的一个实施例，该俯仰轴承9在外圈24和中心圈25之间包含两排27滚珠13，并且在中心圈25和内圈26之间包含两排27滚珠13。在此实施例中，中心圈25具有中部段34，这使得轴承9能够传递非常大的轴向载荷。
[0096] 图10示出俯仰轴承9的一个实施例，该俯仰轴承9在外圈24和中心圈25之间包含三排27滚珠13，并且在中心圈25和内圈26之间包含三排27滚珠13。在此实施例中，外圈和内圈24、25具有中部段35，这使得轴承能够传递非常大的轴向载荷。 [0097] 上文已经参照风轮机轮毂7尤其是轮毂7上的安装区6和载荷传递表面10、11的设计和实施例的特定示例举例说明了本发明。但是应理解，本发明并不局限于上文所述的具体示例，而是可按
权利要求指定的本发明的范围内的多种变型设计和
修改。 [0098] 标号列表
[0099] 1 风轮机
[0100] 2 塔架
[0101] 3 引擎舱
[0102] 4 转子
[0103] 5 叶片
[0104] 6 安装区
[0105] 7 轮毂
[0106] 8 叶片根部凸缘
[0107] 9 俯仰轴承
[0108] 10 外载荷传递表面
[0109] 11 内载荷传递表面
[0110] 12 用于俯仰轴承的连接的带螺纹盲孔
[0111] 13 滚动元件
[0112] 14 凹槽
[0113] 15 检查通孔
[0114] 16 轮毂安装面
[0115] 17 正面轮毂孔
[0116] 18 安装区的孔
[0117] 19 带螺纹的插塞
[0118] 20 检查孔螺纹
[0119] 21 柱头螺栓
[0120] 22 接触面
[0121] 23 电绝缘材料
[0122] 24 外圈
[0123] 25 中心圈
[0124] 26 内圈
[0125] 27 滚动元件的排
[0126] 28 检测环
[0127] 29 柱头螺栓螺母
[0128] 30 上紧设备
[0129] 31 叶片单元
[0130] 32 中心销
[0131] 33 套接部分
[0132] 34 中心圈的中部段
[0133] 35 内圈和外圈的中部段
