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CN109790825A - 用于风轮机的组件及用于风轮机的组件的操作方法 - Google Patents

用于风轮机的组件及用于风轮机的组件的操作方法 Download PDF

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CN109790825A
CN109790825A CN201780057516.1A CN201780057516A CN109790825A CN 109790825 A CN109790825 A CN 109790825A CN 201780057516 A CN201780057516 A CN 201780057516A CN 109790825 A CN109790825 A CN 109790825A
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CN
China
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axis
holding mechanism
component
shell
bonding station
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CN201780057516.1A
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A·H·林加德
C·H·特希尔德森
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Vestas Wind Systems AS
Original Assignee
Vestas Wind Systems AS
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Publication date
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Abstract

一种用于风轮机(100)的组件(127)包括壳体(126)，所述壳体包括第一轴承(150)和第二轴承(154)。轴(142)在所述壳体(126)内轴向延伸并被所述第一轴承(150)和所述第二轴承(154)支撑以相对于所述壳体(126)旋转。所述轴(142)的径向外部包括定位在所述第一轴承(150)和所述第二轴承(154)之间的至少一个轴接合形成部(146)。保持机构(156)能在接合位置和断开接合位置之间轴向移动：在所述接合位置中，所述保持机构能接合所述轴接合形成部(146)，使得所述轴(142)的旋转被约束；并且在所述断开接合位置中，所述保持机构(156)不能接合所述轴接合形成部(146)，由此允许所述轴(142)旋转。还描述了该组件的操作方法。

Description

用于风轮机的组件及用于风轮机的组件的操作方法
技术领域
本发明涉及一种能够约束轴在风轮机壳体内的旋转的组件。
本发明主要研发了允许风轮机主轴的旋转锁定以允许技术人员在风轮机及其部件上或附近安全地工作，并且在考虑本申请的情况下描述了实施方式。然而，应理解，本发明可出于其他原因并以其他形式来部署。
背景技术
风轮机通常包括顶部有机舱的塔架。在一种类型的风轮机中，机舱包括具有至少两个轴向间隔开的轴承的壳体。轴延伸穿过轴承并被轴承支撑着相对于壳体旋转。通常，轴的一端延伸到机舱外并且支撑风轮机毂。轴的另一端连接到变速箱和/或其他传动系统和动力产生部件。
风轮机通过将旋转能量转换成电能来产生电力。特别对于大型风轮机，所产生的扭矩的量可能相当大。风轮机的叶片可以顺桨以减少扭矩，但即使这样，漩涡和阵风也可能导致风轮机的不可预测的旋转。
当期望在风轮机上工作时，锁定机构可用于积极地防止轴旋转。一个这样的锁定机构需要锁定毂在壳体和毂之间安装于轴上。锁定毂是带孔的径向凸缘，其能通过安装到壳体外的锁定销接合。这样的锁定毂占据机舱中的宝贵空间并且本身可能是潜在的伤害源，除非它设有护罩或保持架，而这可能增加体积、成本和复杂性。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种用于风轮机的组件，该组件包括：
壳体，所述壳体包括：
第一轴承；以及
第二轴承，所述第二轴承与所述第一轴承轴向间隔开；
轴，所述轴在所述壳体内轴向延伸并被所述第一轴承和所述第二轴承至少部分地支撑以相对于所述壳体旋转，所述轴的径向外部包括定位在所述第一轴承和所述第二轴承之间的至少一个轴接合形成部；
保持机构，所述保持机构能在接合位置和断开接合位置之间轴向移动：
在所述接合位置中，所述保持机构能接合所述至少一个轴接合形成部，使得所述轴的旋转被约束；并且
在所述断开接合位置中，所述保持机构不能接合所述至少一个轴接合形成部，由此允许所述轴旋转。
所述保持机构可包括至少一个轴向延伸的花键、凹槽、指状物、键、螺栓、销、缝隙、键槽、孔口、肋、导轨、孔、锁定环、缝隙、键槽、孔或孔口。
所述保持机构可包括锁定环，所述锁定环能在所述接合位置和所述断开接合位置之间轴向移动。所述锁定环可包括至少一个锁定环形成部，所述至少一个锁定环形成部用于在所述保持机构处于所述接合位置中时接合所述轴接合形成部。
所述壳体可包括用于接合所述保持机构的至少一个壳体接合形成部。所述至少一个壳体接合形成部和所述至少一个轴保持形成部可被配置成使得，当所述保持机构处于所述接合位置中时，所述保持机构能同时接合所述至少一个壳体接合形成部和所述至少一个轴保持形成部二者。
所述保持机构能在所述接合位置和断开接合位置二者中接合所述至少一个壳体接合形成部，由此约束所述轴的旋转。
在所述断开接合位置中，所述保持机构不能接合所述至少一个壳体接合形成部。
所述或每个壳体接合形成部可包括至少一个轴向延伸的花键、凹槽、指状物、键、螺栓、销、缝隙、键槽、孔口、肋、导轨、孔、锁定环、缝隙、键槽、孔或孔口，其被配置成至少在所述接合位置中接合所述保持机构。
所述或每个轴接合形成部可包括至少一个轴向延伸的花键、凹槽、指状物、键、螺栓、销、缝隙、键槽、孔口、肋、导轨、孔、锁定环、缝隙、键槽、孔或孔口，其被配置成至少在所述接合位置中接合所述保持机构。
所述组件可包括致动器，所述致动器被配置成在所述接合位置和断开接合位置之间选择性地移动所述保持机构。所述致动器可被安装到所述壳体的径向内部。所述致动器可液压地、电磁地、磁性地或电气地供能。
所述组件可包括观察窗口，所述观察窗口允许视觉确认所述保持机构处于所述接合位置中。
根据第二方面，本发明提供了一种第一方面的组件的操作方法，该方法包括以下步骤：
在所述保持机构处于所述断开接合位置中时使所述轴旋转或允许旋转至可锁定位置；
将所述保持机构移动到所述接合位置，由此约束所述轴的旋转。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施方式，在图中：
图1是包括根据本发明的组件的风轮机的正视图；
图2是图1的风轮机的传动系统的示意图；
图3是根据本发明的组件的立体图；
图4是图3的组件的分解图；
图5是图4的视图的纵向截面；
图6是图3的组件的纵向截面，示出了处于断开接合位置中的采取锁定环形式的保持机构，并且示出了轴承的位置；
图7是对应于图6的纵向截面，示出了处于接合位置中的保持机构；
图8是图3至图7的组件的俯视图；
图9A和图9B是供根据本发明的组件使用的锁定环的实施方式的正视图；
图10是供根据本发明的组件使用的锁定环和轴的详细正视图；以及
图11是示出根据本发明的用于风轮机的组件的操作方法的流程图。
具体实施方式
参照图1，示出了风轮机100。风轮机100包括安装到基座104的大致竖直的塔架102，基座104可位于陆地上，或者全部或部分地在水下。塔架102支撑机舱106。转子108安装到轴(未示出)上，围绕水平轴线旋转，以将风转换成旋转能量。机舱106容纳发电机(参见图2)以及其他机械和电气系统，以支持将旋转能量转换成电能。
机舱106容纳多个功能部件。转到图2，机舱可以包括轴壳体110、变速箱112和发电机114。主轴116延伸穿过壳体110，并被旋转地支撑在如下面描述的轴承上。轴116的输入部118连接到转子108并由转子108驱动(参见图1)。轴116的输出部120向变速箱112提供输入驱动。变速箱112经由内齿轮(未示出)升高转速并且驱动变速箱输出122。变速箱输出122又驱动发电机114，发电机114将变速箱输出122的旋转转换成电力126。然后，由发电机114产生的电力126可在供应到例如电网之前根据需要由其他部件(未示出)转换。不使用变速箱的所谓的“直驱式”风轮机也是已知的。因此，变速箱可认为是可选的。
变速箱112、发电机114及其他部件(未示出)可能需要维修、维护和修理。在转子转动时这样做可能是危险的或不可能的。因转子转动产生的动能和电能可能对于在壳体、变速箱、发电机及其他部件中或附近进行的任何活动都是危险的。即使风轮机的叶片顺桨，仍然可能出现漩涡和阵风导致转子旋转，这可能危及技术人员。
图3至图8示出了组件127的实际实施方式，组件127包括对应于图2所示的壳体110的壳体126。如图3中最佳示出的，壳体126包括腿或支柱128，腿或支柱128用于将壳体安装到机舱106内的支撑框架，例如安装到基部框架或底板(未示出)。如图4至图7中最佳示出的，壳体110包括限定前轴承座134的前扩口部132和限定后轴承座138的后扩口部136。多个周向间隔开的观察窗口140如图3和图8中最佳示出地那样定位。
在图3至图8的实施方式中，壳体126还包括壳体接合形成部，所述壳体接合形成部采取多个周向间隔开的轴向延伸的壳体凹槽162的形式。例如，壳体凹槽162可模制、机械加工或增材制造到壳体126的内表面上。壳体凹槽162也可以是单独的轴环(未示出)的一部分，或者可由通过例如焊接、粘接、紧固或其他附接手段安装在壳体126中的单独的轴向肋或平台(未示出)之间的轴向间隙限定。
组件127还包括在壳体126内轴向延伸的轴142(与图2中的主轴116对应)。轴142包括凸缘144，转子毂(未示出)可或直接或经由中间轴(未示出)栓接到凸缘144。如图4中最佳示出的，轴142的径向外部包括多个轴接合形成部，所述多个轴接合形成部在轴142的外表面中采取周向间隔开的轴向延伸的轴凹槽146的形式。例如，轴凹槽146可模制、机械加工或增材制造到轴142的外表面上。轴凹槽146也可以是单独的轴环(未示出)的一部分，或者可由通过例如焊接、粘接、紧固或其他附接手段安装在轴142上的单独的轴向肋或平台(未示出)之间的轴向间隙限定。
如图6中最佳示出的，轴142包括前轴承保持器148和后轴承保持器凹槽152，前轴承保持器148用于将前轴承150保持在前轴承座134中，而后轴承保持器凹槽152用于保持将后轴承154保持在后轴承座138中的后轴承夹153。前轴承150和后轴承154支撑轴142相对于壳体126旋转。应注意，前轴承150、后轴承154和后轴承夹153仅在图6中示出，并且为了清楚起见已在其他附图中被省略。
轴142从前面沿着其长度渐缩。这允许具有更大的前轴承150以及具有更大表面积的前轴承座134和前轴承保持器148，以允许更好地支撑轴142的相对较重的转子端。
如图4至图7中最佳示出的，该组件进一步包括保持机构，所述保持机构在该实施方式中采取锁定环156的形式。采取轴向延伸的内肋、脊或花键158形式的锁定环形成部围绕锁定环156的径向内部被周向间隔开，并且轴向延伸的外花键160围绕锁定环156的径向外部被周向间隔开。内花键158的尺寸和形状设计成键入到轴凹槽146。外花键160的尺寸和形状设计成键入到壳体凹槽162。外花键160和对应的壳体凹槽162被配置成使得锁定环156能轴向滑动，其中外花键160接合壳体凹槽162并且在锁定环156滑动时轴向引导锁定环156。
在图3至图8的实施方式中，提供了采取三个周向间隔开的液压压头164形式的致动器。其他致动器也将是可能的，诸如线性电动致动器。每个压头的第一端166借助布置在壳体126的内表面上的壳体支架168安装到壳体126上。每个液压压头164的与第一端166相对的第二端168借助锁定环支架170附接至锁定环156。液压管路(未示出)向液压压头164的活塞的一端或另一端选择性地提供液压，由此导致活塞并因此导致锁定环156轴向移动，如下面更详细描述。
在使用中，当风轮机产生动力时，锁定环156定位在断开接合状态下，如图6所示。在这种状态下，锁定环156不能接合轴凹槽146，所以轴142在由转子108驱动时自由旋转。
当例如为了能够使技术人员维护风轮机而期望防止轴142旋转时，借助液压回路(未示出)将液压供应到液压压头164，使得锁定环156在壳体126内轴向滑动，由壳体凹槽162中的外花键160进行引导。由于内花键158接合轴凹槽162，锁定环156锁定轴142使得轴142的旋转被约束。在锁定环156处于该接合位置中的情况下，由转子108产生的任何扭矩通过轴凹槽146、锁定环156和壳体凹槽162被静态地传递到壳体126。
组件127可设计成使得锁定环156仅在轴142静止或相对缓慢地移动时被控制着移入图7所示的接合位置中。如上所述，由风轮机产生的扭矩量可能是显著的，并且可能在轴142以任何显著速度旋转的同时不期望允许锁定环156移入接合位置中。可通过制动器(未示出)控制轴142的旋转，可在叶片已顺桨之后应用该制动器以减小所产生的扭矩量。
另选地或另外地，轴142可例如由电动马达(未示出)驱动至将轴凹槽146与锁定环156的对应内花键158对准的位置，以使锁定环156能被液压压头164轴向驱动到接合位置中。
可选地，内花键158和/或轴凹槽146中的任一者或两者可具有轴向渐缩的引入部，以辅助将每个内花键158引导到相邻的轴凹槽146中。
可选的观察窗口140允许技术人员在视觉上确认锁定环156是处于接合状态下还是处于断开接合状态下。观察窗口140可以是简单的孔口，或者可用诸如玻璃或塑料之类的透明片材材料封闭。
虽然所描述的实施方式包括采取壳体凹槽162形式的壳体接合形成部，但是应当理解，该特征是可选的。例如，保持机构可直接安装到壳体以在接合位置和断开接合位置之间轴向移动。在修改关于图3至图8描述的实施方式方面，这将意味着锁定环156和壳体126之间的唯一连接将是液压压头164。当锁定环156处于接合位置中时轴142中的任何扭矩将仅仅经由液压压头164从锁定环156静态地传递到壳体126。在该实施方式的又一变型中，能省略锁定环156，并且液压压头164本身(或者附接至每个液压压头164的锁定元件)能在处于接合位置中时直接接合轴接合形成部，以约束轴142的旋转。在又一实施方式中，保持机构可以包括一个或更多个锁定元件(未示出)，所述锁定元件铰接到壳体126的径向内部以允许在接合位置和断开接合位置之间至少部分地轴向移动。
关于图3至图8描述的实施方式的锁定环156具有内花键和外花键。应当理解，在其他实施方式中，可提供仅内花键或外花键。在这种情况下，轴凹槽146和壳体凹槽162在相同的方向上径向取向，使得它们能与对应的花键啮合。在该类型的至少一个实施方式中，每个内花键158均接合轴凹槽146和壳体凹槽162二者。在该布置中，可能不需要外花键160。本领域技术人员将理解，在其他实施方式中，每个外花键160均接合轴凹槽146和壳体凹槽162二者。在该布置中，可能不需要内花键158。
虽然关于图3至图8描述的实施方式示出了具有相同数目的内花键158、外花键160、轴凹槽146和壳体凹槽162的锁定环156，但是应当理解，可存在数目比内花键158多的轴凹槽146，和/或存在数目比外花键多的壳体凹槽162。类似地，内花键158的数目可不同于外花键160的数目。
应当理解，虽然图3至图8的实施方式示出了在锁定环156上使用与对应的壳体凹槽162和轴142的凹槽配合或键合的花键，但是可采用其他形式的保持机构。例如，保持机构(诸如锁定环156)可采用与轴和/或壳体上的对应花键接合的凹槽。轴接合形成部、保持机构和(在包括壳体接合形成部的实施方式中)壳体接合形成部的所有或任何组合可使用以下元素的任何合适的组合：花键、凹槽、指状物、键、螺栓、销、缝隙、键槽、孔口、肋、导轨、孔或能在保持机构处于接合位置中时约束轴相对于壳体的旋转而在处于断开接合位置中时允许旋转的任何其他合适的互补结构组。
本领域技术人员将理解，关于保持机构和各种所描述的形成部的移动的词语“轴向”指的是，该移动存在轴向分量，而不是仅仅轴向移动。例如，轴凹槽146和/或壳体凹槽162可以是螺旋形，而不是轴向的。如果使用铰接机构，则保持机构的移动除轴向分量之外还可存在径向和/或周向分量。
致动器(诸如液压压头164)是可选的。当提供致动器时，可使用任何合适数目的致动器，该数目取决于机构保持的配置和在壳体内轴向移动的方式。致动器可具有任何合适的类型，并且可例如是液压、电磁、磁、电或机械的。虽然例示的致动器是线性的，但是任何致动器在操作中也可部分或全部地旋转使用。例如，如本领域技术人员将理解的，电动马达可结合合适的齿轮或齿轮组和/或齿条使用。
在没有提供致动器的情况下，保持机构可例如由技术人员使用他/她的手或合适的工具在径向向内位置和径向向外位置之间手动移动。可使用壳体中的优选地带盖的出入孔(未示出)以允许出入保持机构。
保持机构(诸如当前描述的实施方式中的锁定环156)可弹簧加载到接合位置或断开接合位置中的任一者中。在这种情况下，任何致动器仅需要在克服弹簧力的方向上提供力。这样减少了对双向致动器的需求。
在目前为止描述的实施方式中，各种花键和凹槽周向等距地间隔开。在另选实施方式中，间距可不相等。取决于所选择的间距，这可能导致轴142能仅在一个特定旋转位置处锁定。当轴142处于正确旋转位置中时，通过仅将锁定环156移动到径向向内位置中，技术人员可以用图3至图8的实施方式实现该结果。
另选地，保持机构、轴接合形成部和壳体接合形成部(如果使用的话)可配置和/或布置成使得，保持机构仅能移动到针对轴142的单个旋转位置的接合位置中。在图3至图8的实施方式的背景下，这样的布置的简单示例为，锁定环156仅包括单个内花键158、单个外花键160、单个壳体凹槽162和单个轴凹槽146。在期望更多数目的花键/凹槽的情况下，花键和凹槽的相对周向间距可使得锁定环156仅能移动到针对轴的单个旋转位置的接合位置中。这可例如通过布置花键和/或凹槽使得它们被旋转不对称地定位来实现。
图9A和图9B示意性地示出了这种布置的两个示例。
在图9A中，两个内花键158彼此相对靠近地设置。对应的轴凹槽设置在轴142上。壳体凹槽162和外花键160可如上文关于图3至图8所述，但是与该实施方式比较，也可以在数目和/或布置方面不同。在图9B中，内花键158另外以旋转不对称的布局定位。然而与图9A所示的内花键比较，内花键158围绕锁定环156更宽地周向分布。这样可有助于扩散轴142、锁定环156和壳体126上的应力。在图9A和图9B两示例中，锁定环156仅能在所有内花键158都与其对应的轴凹槽146对准时移动到接合位置中。
允许轴142仅被锁定在单个旋转位置中的能力也可以其他方式实现。例如，每个花键均可具有特定的横截面形状或大小，其仅匹配对应凹槽的横截面；也就是说，每个花键均可被键入以匹配一个(且仅一个)凹槽。参照图10，在具有两个内花键的示例中，第一花键174可具有大致正方形的横截面，而第二花键176可具有矩形横截面。第一轴凹槽178被键合到第一花键174，并且第二轴凹槽180被键合到第二花键176。正方形横截面和矩形横截面的相对大小和纵横比使得第一内花键174不能移入第二轴凹槽180中并且第二内花键176不能移入第一轴凹槽178中。在该实施方式中，花键和凹槽不必旋转不对称地定位，以便确保轴142能仅被锁定到一个旋转位置中。本领域技术人员将理解，能采用不同的纵横比和形状来提供该功能，并且可采用多于两种不同的形状、纵横比和/或其组合以增加能供该实施方式使用的花键和凹槽的数目。
本领域技术人员将理解，通过合适的调整，描述为允许轴142被锁定在一个旋转位置处的任何实施方式也可用在轴142可被锁定在超过一个旋转位置中的实施方式中。
可设置锁(未示出)将保持机构保持在接合位置或断开接合位置中，或者选择性地保持在任一位置中。
图11是示出如在任何所附组件权利要求中定义的组件的操作方法的流程图。当保持机构处于断开接合位置中时，使轴142旋转(186)至可锁定位置。轴142可主动旋转(例如，利用电动马达，或者诸如利用杠杆手动地旋转)或允许在其自身动量下旋转。然后，将保持机构移动(188)到接合位置，由此约束轴142的旋转。
该方法可供上述实施方式中的任一实施方式使用。
虽然已经参照多个具体实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明可以许多其他形式实施。

Claims (15)

1.一种用于风轮机(100)的组件(127)，该组件(127)包括：
壳体(126)，所述壳体(126)包括：
第一轴承(150)；以及
第二轴承(154)，所述第二轴承(154)与所述第一轴承(150)轴向间隔开；
轴(142)，所述轴(142)在所述壳体(126)内轴向延伸并被所述第一轴承(150)和所述第二轴承(154)至少部分地支撑以相对于所述壳体(126)旋转，所述轴(142)的径向外部包括定位在所述第一轴承(150)和所述第二轴承(154)之间的至少一个轴接合形成部(146)；
保持机构(156)，所述保持机构(156)能在接合位置和断开接合位置之间轴向移动：
在所述接合位置中，所述保持机构(156)能接合所述至少一个轴接合形成部(146)，使得所述轴(142)的旋转被约束；并且
在所述断开接合位置中，所述保持机构(156)不能接合所述至少一个轴接合形成部(146)，由此允许所述轴(142)旋转。
2.根据权利要求1所述的组件(127)，其中，所述保持机构包括至少一个轴向延伸的花键、凹槽、指状物、键、螺栓、销、缝隙、键槽、孔口、肋、导轨、孔、锁定环、缝隙、键槽、孔或孔口。
3.根据权利要求1或2所述的组件(127)，其中，所述保持机构(156)包括锁定环(156)，所述锁定环(156)能在所述接合位置和所述断开接合位置之间轴向移动。
4.根据权利要求3所述的组件(127)，其中，所述锁定环(156)包括至少一个锁定环形成部(158)，所述至少一个锁定环形成部(158)用于在所述保持机构(156)处于所述接合位置中时接合所述轴接合形成部(146)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的组件(127)，其中，所述壳体(126)包括用于接合所述保持机构(156)的至少一个壳体接合形成部(162)。
6.根据权利要求5所述的组件(127)，其中，所述至少一个壳体接合形成部和所述至少一个轴保持形成部被配置成使得，当所述保持机构处于所述接合位置中时，所述保持机构能同时接合所述至少一个壳体接合形成部和所述至少一个轴保持形成部二者。
7.根据权利要求5或6所述的组件(127)，其中，所述保持机构能在所述接合位置和断开接合位置二者中接合所述至少一个壳体接合形成部，由此约束所述轴的旋转。
8.根据权利要求5或6所述的组件(127)，其中，在所述断开接合位置中，所述保持机构不能接合所述至少一个壳体接合形成部。
9.根据权利要求5至8中的任一项所述的组件(127)，其中，所述或每个壳体接合形成部包括至少一个轴向延伸的花键、凹槽、指状物、键、螺栓、销、缝隙、键槽、孔口、肋、导轨、孔、锁定环、缝隙、键槽、孔或孔口，其被配置成至少在所述接合位置中接合所述保持机构。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的组件(127)，其中，所述或每个轴接合形成部包括至少一个轴向延伸的花键、凹槽、指状物、键、螺栓、销、缝隙、键槽、孔口、肋、导轨、孔、锁定环、缝隙、键槽、孔或孔口，其被配置成在至少所述接合位置中接合所述保持机构。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的组件(127)，所述组件(127)包括致动器，所述致动器被配置成在所述接合位置和断开接合位置之间选择性地移动所述保持机构。
12.根据权利要求11所述的组件(127)，其中，所述致动器被安装到所述壳体的径向内部。
13.根据权利要求11或12所述的组件(127)，其中，所述致动器液压地、电磁地、磁性地或电气地供能。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的组件(127)，所述组件(127)包括观察窗口，所述观察窗口允许视觉确认所述保持机构处于所述接合位置中。
15.一种任何前一权利要求所述的组件(127)的操作方法，该方法包括以下步骤：
在所述保持机构(156)处于所述断开接合位置中时使所述轴(142)旋转(186)或允许旋转至可锁定位置；
将所述保持机构(156)移动(188)到所述接合位置，由此约束所述轴(142)的旋转。
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