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CN103221683A - 风力涡轮机 - Google Patents

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CN103221683A
CN103221683A CN2011800347399A CN201180034739A CN103221683A CN 103221683 A CN103221683 A CN 103221683A CN 2011800347399 A CN2011800347399 A CN 2011800347399A CN 201180034739 A CN201180034739 A CN 201180034739A CN 103221683 A CN103221683 A CN 103221683A
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wind turbine
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wall
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CN2011800347399A
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M.扎尔
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机，包括轮毂；至少一个叶片，所述叶片可枢转地安装在所述轮毂处；至少一个变桨轴承，所述变桨轴承具有内部轴承圈和外部轴承圈，所述内部轴承圈沿径向方向具有内壁，并且沿轴向方向具有第一端和第二端；和至少一个增强元件，用于增强所述变桨轴承的刚性，其中，所述增强元件与所述内部轴承圈的所述内壁邻接布置。

Description

风力涡轮机
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，其包括用于减小变桨轴承的变形的增强元件。
背景技术
本领域中已知的风力涡轮机包括轮毂，至少一个叶片安装到所述轮毂。为了能够控制作用在风力涡轮机的动叶片上的载荷，所述叶片到所述轮毂的安装通常通过变桨轴承进行，所述变桨轴承包括内部轴承圈和外部轴承圈，以使叶片可关于来风倾斜。在该情况下，所述动叶片连接到所述变桨轴承的内部轴承圈，而所述外部轴承圈连接到所述轮毂。
由于作用在所述动叶片上的风产生的力和力矩必定会传递到风力涡轮发电机的轮毂，因此变桨轴承受到极大的应力和载荷，导致变桨轴承损坏和变形。由于风力涡轮机发展的趋势是朝向风力涡轮机的尺寸越来越大，叶片的尺寸以及要传递的载荷相应增大。由于该发展，作为叶片和轮毂之间的载荷传递的中间元件的变桨轴承更易于损坏和变形。
为了确保变桨轴承的耐用性和功能性，已知将增强元件用于轴承圈。US20080213095A1中公开了一种增强元件，所述增强元件设置在所述外部轴承圈的轴向端处。另外，又一个增强元件可设置在所述内部轴承圈的轴向下端处。然而，在轴承圈的轴向端处的布置是不利的，因为由于作用在轴承圈上的载荷，因此产生径向力，所述径向力的强度取决于轴向位置。沿所述轴承圈轴向设置的增强元件可能受到其他力，于是轴承圈自身导致增强元件和轴承圈以及其彼此连接部的不利的载荷分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的风力涡轮机，其具有提高的变桨轴承加强功能。本发明的又一个目的是提高所述变桨轴承的耐用性和功能性。
根据本发明，风力涡轮机包括轮毂、至少一个叶片和至少一个变桨轴承。所述风力涡轮机叶片中的所述至少一个叶片通过所述变桨轴承可枢转地安装在所述轮毂处，所述变桨轴承包括内部轴承圈和外部轴承圈。尽管所述叶片优选安装到所述变桨轴承的内部轴承圈，特别地，通过螺栓连接，但是，所述轮毂优选安装到所述外部轴承圈。滚动元件布置在所述两个轴承圈之间，这允许所述轴承圈相对于彼此旋转，以使安装到所述内部轴承圈的叶片可围绕其纵轴枢转。
而且，所述风力涡轮机包括增强元件，用于增强所述变桨轴承的内部轴承圈的刚性。所述内部轴承圈具有沿径向方向的内壁，和沿轴向方向的第一端及第二端。所述增强元件以其与所述内部轴承圈的内壁邻接的方式布置，即所述增强元件布置成与所述内部轴承圈的内壁接触。通过使用所述增强元件，减小了所述轴承圈的轴向和径向变形。
在本发明的优选实施例中，增强元件安装到所述内部轴承圈的内壁。在特别优选的实施例中，增强元件不布置在所述叶片和所述变桨轴承之间，因此与在所述叶片和所述变桨轴承之间的布置方式相比，减少了沿所述叶片的纵向方向的相交表面的数量。
在另一个优选实施例中，所述内部轴承圈的内壁和所述增强元件在其之间具有接触区域。另外，所述内部轴承圈的内壁包括用于倾斜旋转的内圈齿轮。所述内圈齿轮和所述内部轴承圈的内壁与所述增强元件之间的接触区域沿所述内部轴承圈的轴向方向彼此邻接布置。在本文中，所述内部轴承圈和所述增强元件可沿所述内部轴承圈的轴向方向一个布置在另一个后面以使，它们彼此邻接或可替代地，以使仍存在所述内部轴承圈的内壁的一部分，其不包括内圈齿轮，但是也不与所述增强元件邻接。
在又一个优选实施例中，所述内圈齿轮和所述内部轴承圈的内壁与所述增强元件之间的接触区域彼此邻接布置，并且沿所述径向内壁的整个轴向长度延伸，以使它们整个覆盖所述内部轴承圈的从其第一轴向端到所述第二轴向端的径向内壁。
在本发明的另一个优选实施例中，所述增强元件没有沿轴向分别延伸超过所述内部轴承圈的第一端和第二端。所述增强元件因此限制到在所述内部轴承圈的沿轴向方向的第一端和第二端之间的距离。优选地，所述增强元件在与所述内部轴承圈的轴向端部中的至少一个平齐的高度下终止。
在本发明的优选实施例中，所述增强元件具有沿所述内部轴承圈的径向方向的外面，其与所述叶片的径向内壁邻接，并且与所述内部轴承圈的内壁部分地邻接。优选地，所述增强元件的一部分可安装到所述叶片的内壁，而所述增强元件的另一部分可安装到所述内部轴承圈的内壁。而且，当所述外面形成为连续的时是有利的。
根据本发明的另一个优选实施例，增强元件的一部分布置在所述叶片和所述内部轴承圈之间，优选地，其内表面在与所述叶片的径向外壁平齐的高度下终止。由于所述增强元件在所述叶片和所述内部轴承圈之间的部分布置，因此所述增强元件除了可能安装到所述内部轴承圈的内壁之外，还可被固定。
在本发明的另一个实施例中，所述增强元件具有环形或圆形板的形状，并且优选沿轴向方向具有至少一个开口。或者，所述增强元件可以是至少一个增强腹板或杆。
在本发明的另一个实施例中，所述增强元件的所述径向外壁包括台阶。优选地，所述台阶限定所述增强元件沿轴向的包括不同直径的第一部分和第二部分。换句话说，所述增强元件形成为两台阶环形部分。所述第一部分具有比所述第二部分更小的外径，并且与所述内部轴承圈的内壁邻接布置，同时，具有较大外径的所述第二部分部分地布置在所述叶片和所述内部轴承圈之间。优选地，所述第一部分和所述第二部分包括相同的内径。
在本发明的另一个优选实施例中，所述内圈齿轮以其提供用于所述增强元件的支撑表面的方式布置在所述内部轴承圈的所述内壁处，其中，所述支撑表面沿所述内部轴承圈的径向方向延伸。这样，所述内部轴承圈的几何形状可用于定位和支撑所述增强元件。优选地，所述增强元件一端终止在与所述支撑表面平齐的高度处，并且特别地，其在另一端也终止在与所述内部轴承圈的至少一个轴向端平齐的高度处。
在另一个优选实施例中，所述增强元件通过加热，例如感应加热安装到所述内部轴承圈，优选地，安装到其径向内壁。所述增强元件还可通过冷却安装。增强元件和内部轴承圈之间的连接还可通过焊接、粘合或压装配合形成。特别地，所述增强元件可具有与所述内部轴承圈配合的过渡部，所述过渡部使得所述增强元件能够可靠保持，但是同时，如果需要，使得能够分离。
在可替代的优选实施例中，所述增强元件与所述内部轴承圈一体形成。这可通过提供具有增大壁厚的内部轴承圈来实现，其中，所述增大的壁厚沿径向延伸到所述内部轴承圈的内部。换句话说，所述通常圆柱状的内部轴承圈包括恒定的外径，而所述内径在所述具有增大的厚度的截面中减小。优选地，所述增大的壁厚在所述内部轴承圈的轴向端中的一个处具有最大值，并且沿轴向方向朝向所述通常圆柱状的内部轴承圈的内壁减小。
优选地，所述增强元件的材料包括例如为纤维增强塑料的纤维增强材料的铸造金属、金属板。特别地，增强元件完全由上述材料中的一种制成。
在本发明的又一个优选实施例中，所述内部轴承圈和所述叶片之间的连接部的刚性对应于所述轮毂和所述外部轴承圈之间的连接部的刚性。特别地，这通过使用增强元件实现，所述增强元件影响所述内部轴承圈的刚性，因此影响所述内部轴承圈和所述叶片之间的连接部的刚性。所述变桨轴承的两个连接部的相应的刚性对作用在所述变桨轴承上的载荷具有积极影响，并且因此对其耐久性具有积极影响。作为对照，刚性中的差异将导致载荷在所述变桨轴承内的不均匀的分布。该不均匀的载荷分布可能导致轴承圈的损坏和严重变形，例如轴承圈的椭圆化。
本发明的另一个实施例包括轮毂过渡管，和用于将所述轮毂的扭矩传递到所述风力涡轮机的发电机的扭矩传递装置。所述轮毂过渡管具有分别具有外径的第一端和第二端。所述轮毂过渡管以其第一端安装在所述轮毂中并且所述扭矩传递装置安装到其第二端的方式布置在所述轮毂和所述扭矩传递装置之间。所述轮毂过渡管在其第一端和其第二端之间具有至少一个外径，所述至少一个外径小于所述轮毂过渡管的在其第二端处的外径。
所述扭矩传装置，优选地，所述风力涡轮机的所述主轴，优选地封闭在所述机舱罩中，并且与所述叶片一起旋转。优选地，所述轮毂过渡管连接所述扭矩传递装置的凸缘和所述轮毂的凸缘，这通常连接所述轮毂和所述扭矩传递装置。
上述实施例导致所述轮毂可设计得比在所需的一些结构中更小的优点。通常，所述轮毂的尺寸由所述变桨轴承的凸缘的外径和所述扭矩传递装置的凸缘的外径以所述轮毂包括分别用于连接到所述变桨轴承和所述扭矩传递装置的匹配凸缘的方式进行确定。如果所述轮毂根据所述扭矩传递装置的凸缘的尺寸设定尺寸，则所述轮毂将通常必须增大，以使其凸缘与所述扭矩传递装置的凸缘匹配，从而能够实现所述两个凸缘之间的连接。由于该尺寸限制，所述轮毂可能变得不必要的大和重，特别导致搬运问题，并且极大地增大了部件成本和运输成本。本发明的上述实施例提供一种轮毂过渡管，其可用作不同尺寸的轮毂和扭矩传递装置的凸缘之间的转接器，特别是在上面描述的轮毂凸缘的直径尺寸应制成比扭矩传递装置的预设直径更小的尺寸的情况下。因此，所述轮毂过渡管允许保持轮毂比通常可能的情况更小。
在另一个优选实施例中，所述轮毂过渡管具有比其第二端的直径和其第一端的直径都小的直径。优选地，所述轮毂过渡管的直径从所述轮毂过渡管的所述第一端连续地变化到所述第二端，并且具有在所述两个端部之间的最小值。
在本发明的另一个优选实施例中，所述轮毂过渡管的外表面沿着所述轮毂过渡管的纵向截面视图中的曲线。优选地，如在纵向截面视图中所见的，由所述轮毂过渡管的外表面限定的所述两个曲线为连续函数。特别地，所述曲线在所述斜率改变其符号的位置处都具有驻点（stationary point）。
根据本发明的另一个优选实施例，所述扭矩传递装置和所述轮毂过渡管通过连接装置连接。优选地，所述扭矩传递装置和所述轮毂过渡管通过螺栓连接来连接，其中，所述螺栓连接包括用于螺栓插入的通孔或盲孔。
在另一个优选实施例中，所述轮毂过渡管作为所述轮毂的整体部分进行制造，并且从其伸出，以使优选设置在所述机舱罩中的所述轮毂到所述扭矩传递装置的连接是可能的。
根据另一个优选实施例，所述轮毂过渡管的一部分与所述至少一个变桨轴承的外部轴承圈，优选地，所述外部轴承圈的轴向端，邻接。所述轮毂过渡管的该布置方式，特别地通过如在纵向截面视图中所见的所述轮毂过渡管的曲线，增强了所述变桨轴承的外部轴承圈的沿其轴向方向的刚性。优选地，所述风力涡轮机包括多个叶片，所述多个叶片使用多个变桨轴承安装到所述轮毂。在该情况下，所述轮毂过渡管包括用于邻接布置到每一个变桨轴承的外部轴承圈的一部分。优选地，所述轮毂过渡管的所述部分连接到所述外部轴承圈。特别地，所述轮毂过渡管的与所述外部轴承圈邻接的部分具有如在纵向截面视图中所见的弯曲形状，所述弯曲形状与由所述外部轴承圈的外面限定的曲线是连续的。
附图说明
下面将参照以示意图示出的以下附图描述本发明。
图1是叶片、变桨轴承、轮毂和增强元件的横截面的透视图；
图2是叶片、变桨轴承、轮毂和增强元件的横截面的透视图；
图3是叶片、变桨轴承、轮毂和增强元件的横截面的透视图；
图4是轮毂过渡管的纵向横截面的透视图；
图5是轮毂的侧视图；以及
图6是轮毂的侧视图。
具体实施方式
图1以透视图示出了风力涡轮机的叶片11、变桨轴承14和轮毂13之间的连接区域的横截面。叶片11包括内壁12。叶片11通过变桨轴承14连接到轮毂13，变浆轴承14包括外部轴承圈15、内部轴承圈16和位于两个轴承圈15,16之间的滚动元件17。内部轴承圈16包括沿径向方向的内壁18，和沿轴向方向的第一端19和第二端20。
叶片11借助于使用纵向螺栓28的螺栓连接安装到内部轴承圈16，所述纵向螺栓28布置在内部轴承圈16和叶片11内。外部轴承圈15也借助于使用纵向螺栓28的螺栓连接安装到轮毂13。由于滚动元件17，内部轴承圈16和外部轴承圈15可相对于彼此旋转，以使安装到内部轴承圈16的叶片11可围绕其纵轴枢转。
环形板形式的增强元件23与内部轴承圈16的径向内壁18邻接布置，在增强元件23和内部轴承圈16的径向内壁18之间形成接触区域27。在该实施例中，增强元件23通过感应加热牢固地安装到内部轴承圈16的径向内壁18，并且其任何部分没有布置在叶片11和变桨轴承14之间。增强元件23不延伸超过内部轴承圈16的第一轴向端19。
内部轴承圈16的径向内壁18还包括内圈齿轮21，其布置成在所述内部轴承圈16的轴向上与接触区域27邻接（即在下方）。接触区域27和内圈齿轮21覆盖内部轴承圈16的从其第一轴向端19到其第二轴向端20的径向内壁18的整个轴向长度。由于内圈齿轮21的该布置方式，因此内部轴承圈16的径向内壁18形成台阶形式。内圈齿轮21因此提供沿内部轴承圈16的径向方向延伸的支撑表面22，用于支撑增强元件23。增强元件23还可牢固地安装到支撑表面22，另外或可替代地，安装到内部轴承圈16的径向内壁18。
图2示出了叶片11、变桨轴承14和轮毂13之间的连接区域的横截面的透视图，并且涉及本发明的另一个实施例。环形增强元件23被布置成通过其外面24与内部轴承圈16的径向内壁18邻接。增强元件23包括连续地沿轴向方向布置并且彼此邻接布置的第一部分25和第二部分26。第一部分25和第二部分26一体形成。增强元件23的第一部分25包括比增强元件23的第二部分26更小的外径，以使增强元件23的外面24形成为台阶形式。增强元件23的第一部分25与内部轴承圈16的内壁18邻接布置，其中，增强元件23的第二部分26的外部分26a布置在叶片11和内部轴承圈16之间。增强元件23通过将第一部分25粘合到内部轴承圈的径向内壁18而被牢固地安装到内部轴承圈16。另外，增强元件23的第二部分26的外部分26a通过螺栓28牢固地安装，螺栓28同时将叶片11安装到内部轴承圈16。
图3示出了本发明的又一个实施例的叶片11、变桨轴承14和轮毂13之间的连接区域的横截面的透视图。增强元件23与内部轴承圈16的径向内壁18邻接布置，其中，增强元件23延伸超过内部轴承圈16的第一轴向端19。增强元件23的外面24因此包括与叶片11的径向内壁12邻接布置的第一部分24a，和与所述内部轴承圈16的径向内壁18邻接布置的第二部分24b。增强元件23没有在叶片11和变桨轴承14之间延伸。增强元件23通过将增强元件23的外面24的第二部分24b粘合到内部轴承圈16的径向壁18来牢固地安装。另外，增强元件23的外面24的第一部分24a可粘合到叶片11的内壁12。
图4是轮毂过渡管29的纵向横截面的透视图。该实施例中的轮毂过渡管29与轮毂13一体形成，所述轮毂过渡管29从轮毂13的外侧伸出。而且，轮毂过渡管29包括具有外径32的第二端31。扭矩传递装置34，即转轴安装到轮毂过渡管29的第二端31。
在轮毂侧，轮毂过渡管29与外部轴承圈15的轴向端邻接布置。轮毂过渡管29从该端开始，朝向其第二端31，基本上沿从轮毂13略微伸出的外部轴承圈15的轴向延伸。轮毂过渡管29的直径减小，直到到达驻点41，轮毂过渡管29的直径从所述驻点41朝向其第二端31再次增大，在第二端31处，形成凸缘42，用于连接到扭矩传递装置34。由于轮毂过渡管29的该布置方式，其外面37如在纵向横截面所见的形成为弯曲的。从轮毂侧开始朝向轮毂过渡管29的第二端31，其外面37具有高斜率，直到到达驻点41。轮毂过渡管29的外面37从该驻点41具有符号相反的较小斜率。
由于轮毂过渡管的该弯曲形状，因此轮毂过渡管包括其中轮毂过渡管的外径小于其第二端31的外径32的部分。作为示例，驻点41处的外径33示出在图4中，其小于第二端31的外径32。
图5示出了轮毂13的示意性侧视图。轮毂包括三个凸缘38，用于连接到三个变桨轴承的外部轴承圈。圆表示用于将轮毂13连接到扭矩传递装置34所需的外径39。如在该图中可见的，用于连接到扭矩传递装置34所需的外径39和用于连接到外部轴承圈的凸缘38干涉。为了能够将具有所示尺寸，特别是高度40a的轮毂13连接到具有所需外径39的扭矩传递装置34，使用轮毂过渡管29。轮毂过渡管29从轮毂13伸出以使到扭矩传递装置34和轮毂13的连接区域被局部分开。这样，可防止轮毂的尺寸，特别是其高度40a，和到扭矩传递装置的连接要求之间的干涉。因此，轮毂13的高度40a可小于通常可能的高度。
作为对照，图6示出了来自现有技术的具有高度40b的轮毂13的示意性侧视图。轮毂13同样包括用于连接到三个变桨轴承的外部轴承圈的三个凸缘38。圆表示用于连接到扭矩传递装置34所需的外径39，其为与图5所需的直径39相同的尺寸。为了将轮毂13连接到扭矩传递装置34，与图5的轮毂相比，轮毂13将必须增大，以使用于连接到扭矩传递装置34所需的外径39不与用于连接到外部轴承圈的凸缘38干涉。因此，来自图6的现有技术的轮毂的高度40b明显大于图5的轮毂的高度40a。

Claims (20)

1.一种风力涡轮机，包括：
轮毂；
至少一个叶片，所述叶片可枢转地安装在所述轮毂处；
至少一个变桨轴承，所述变浆轴承具有内部轴承圈和外部轴承圈，所述内部轴承圈沿径向方向具有内壁，并且沿轴向方向具有第一端和第二端；以及
用于增强所述变桨轴承的刚性的至少一个增强元件，
其中，所述增强元件与所述内部轴承圈的所述内壁邻接布置。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，
其中，所述增强元件安装到所述内部轴承圈的所述内壁。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，
其中，所述内部轴承圈的内壁和所述增强元件在它们之间具有接触区域，
其中，用于倾斜旋转的内圈齿轮布置在所述内部轴承圈的径向内壁处，以及
其中，所述内圈齿轮和所述接触区域沿所述内部轴承圈的轴向方向彼此邻接布置。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，
其中，所述接触区域和所述内圈齿轮覆盖所述内部轴承圈的从其第一端到其第二端的径向内壁的整个轴向长度。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，
其中，所述增强元件沿所述内部轴承圈的轴向方向没有分别延伸超过所述内部轴承圈的所述第一端和所述第二端。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，
其中，所述叶片具有内壁，
其中，所述增强元件具有外面，
其中，所述外面的一部分与所述叶片的内壁邻接布置，以及
其中，所述外面的一部分与所述内部轴承圈的内壁邻接布置。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，
其中，所述增强元件的一部分布置在所述叶片和所述内部轴承圈之间。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，
其中，所述增强元件形成为环形或圆形板。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，
其中，所述增强元件沿轴向方向具有至少一个开口。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机，
其中，所述增强元件具有径向外壁，以及
其中，所述增强元件的所述径向外壁形成为台阶形式。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，
其中，所述增强元件包括沿轴向方向连续地布置的第一部分和第二部分，
所述第一部分包括比所述第二部分更小的外径，
其中，所述第一部分和所述第二部分彼此邻接布置；
其中，所述第一部分与所述轴承内环的所述径向内壁邻接部分，并且
其中，所述第二部分的一部分布置在所述叶片和所述轴承内环之间。
12.根据权利要求3所述的风力涡轮机，
其中，所述内圈齿轮适于提供用于所述增强元件的支撑表面，所述支撑表面沿所述内部轴承圈的径向方向延伸。
13.根据权利要求1所述的风力涡轮机，
其中，所述增强元件通过加热、冷却、焊接、粘合或压装配合安装到所述内部轴承圈，以及
其中，所述增强元件与所述内部轴承圈一体形成。
14.根据权利要求1所述的风力涡轮机，
其中，所述内部轴承圈和所述叶片之间的连接部包括与所述轮毂和所述外部轴承圈之间的连接部的刚性相对应的刚性。
15.根据权利要求1所述的风力涡轮机，包括：
扭矩传递装置，用于将所述轮毂的扭矩传递到发电机，
轮毂过渡管，所述轮毂过渡管具有第一端和第二端，
其中，所述第一端和所述第二端分别具有外径，
其中，所述轮毂过渡管通过其第一端安装在所述轮毂处，
其中，所述扭矩传递装置安装到所述轮毂过渡管的所述第二端，以及
其中，所述轮毂过渡管在其第一端及其第二端之间具有至少一个外径，所述至少一个外径小于所述轮毂过渡管的在其第二端处的外径。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮机，
其中，所述轮毂过渡管在其第一端和其第二端之间具有至少一个外径，所述至少一个外径小于所述轮毂过渡管在其第二端处的外径。
17.根据权利要求15所述的风力涡轮机，
其中，如在纵向截面中所见的，所述轮毂过渡管的外面形成为弯曲的。
18.根据权利要求15所述的风力涡轮机，
其中，所述扭矩传递装置和所述轮毂过渡管通过连接装置连接。
19.根据权利要求15所述的风力涡轮机，
其中，所述轮毂过渡管与所述轮毂一体形成，并且从所述轮毂伸出。
20.根据权利要求15所述的风力涡轮机，
其中，所述轮毂过渡管的一部分与所述至少一个轴承的外部轴承圈邻接布置，用于增强所述变桨轴承的刚性。
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PB01 Publication
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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