彈性體搖擺鉸鏈的制作方法
【專利摘要】本發明大致涉及雙葉渦輪機短艙和相關搖擺鉸鏈。在特定實施方案中，本發明提供一種鉸鏈總成，其涵蓋一個輪轂和兩個雙彈性體搖擺軸承。在一些方面中，所述軸承是獨立元件，其可在其并入較大總成之前以受控方式預加載。
【專利說明】彈性體搖擺鉸鏈
[000? ] 相關申請案的參考
[0002]本申請要求2011年5月10日申請的美國臨時申請案第61/484，343號的優先權，其完整內容以引用的方式并入本文中。
發明領域
[0003]本發明大致涉及海上風力渦輪機和相關搖擺鉸鏈。
[0004]發明背景
[0005]風力發電指的是將風能轉化為更有用形式的能量，諸如電。風能是化石燃料的有利替代，因為風能豐富、可再生、廣泛分布、清潔且不產生溫室氣體排放。風能目前大約占全球電力使用的1.5%且全球大約有80個國家將風能發電商業化(World Wind EnergyReport2008: Report, World Wind Energy Association, 2009 年 2 月；和 WorldwatchInstitute:Wind Power Increase in 2008 Exceeds 10-year Average Growth Rate,2009年5月)。此外，全球風力發電容量在2000年至2006年間增加超過四倍，大致每三年翻一番。
[0006]海上風力渦輪機利用遠洋水域特有的強勁風能來提供電力。雖然是能量生產所必要的，但是這些相同強勁的風導致不對稱負載，其作用在渦輪機的轉子葉片上，即所謂的彎矩。這些高負載隨后被轉移至渦輪機軸且最終被轉移至渦輪機的齒輪箱，其導致齒輪箱破裂和渦輪機的不可用。減輕與彎矩相關的高結構負載的努力包括以有限樞轉能力(所謂的搖擺鉸鏈)將轉子葉片附接至撓性結構。
[0007]常規搖擺鉸鏈基于使用襯套或滾珠軸承的機械裝置。由于這些裝置的剛性性質，常規搖擺鉸鏈缺乏足夠能力以吸收強烈的動態負載。此外，持續暴露于高負載，加上鉸鏈有限的角度調整能力導致金屬軸承因凹陷而劣化。此外，將轉動葉片軸復原回到垂直于軸線的點的需要要求基于軸承本身外的金屬或彈性體彈簧的復雜復原裝置。
[0008]其它常規搖擺鉸鏈基于單個金屬彈性體軸承。在這些裝置中，無法控制或調整預負載。而是，通過將負載永久地轉移至輪轂和軸而獲得預負載，其在系統壽命內導致不必要且可能危險的應力。與基于機械裝置的常規搖擺鉸鏈相同，這些鉸鏈還提供次優的可靠性。
[0009]因此，需要適用于雙葉片風力渦輪機的搖擺鉸鏈，其具有改進的可靠性、更好的耐用性和提聞的應對聞結構負載的能力。
發明概要
[0010]本發明大致涉及涵蓋兩個雙彈性體搖擺軸承的搖擺鉸鏈總成。已發現涵蓋兩個雙彈性體搖擺軸承的搖擺鉸鏈總成與基于襯套或滾珠軸承的現有搖擺鉸鏈相比，提供改進的可靠性和提高的應對負載峰值的能力。與基于金屬軸承的現有搖擺鉸鏈不同，在所涵蓋的搖擺鉸鏈中使用彈性體元件賦予吸收由強風產生的強烈動態負載及應對將導致典型鉸鏈總成劣化的小搖擺角度的能力。
[0011]本發明涵蓋采用雙彈性體搖擺軸承，其包括由金屬墊片分隔的可預負載彈性體元件，其提供優于常規總成的特定好處。彈性體層不承受與常規機械鉸鏈相關的相同類型的磨損且此外提供提高的負載峰值的阻尼，其減小置于轉子和軸上的應力。在本發明的特定方面中，包括安全元件(諸如徑向滑動軸承)限制轉移至彈性體層的應力且在彈性體層破裂的情況下充當備用措施。
[0012]本發明所涵蓋的雙搖擺軸承被設計來在其并入輪轂前透過預負載預受應力，且進一步被設計使得預負載可在總成的壽命內調整。此外，設想的搖擺軸承由多個金屬彈性體元件組成。每個金屬彈性體元件可個別地預負載且此外可個別地從軸承上移除而不影響其它元件。除彈性體元件外，設想的總成的許多其它組件可個別地移除而不影響其它組件。本發明所涵蓋的這些可個別移除組件便于搖擺軸承的維護和修理。本發明還涵蓋甚至在并入渦輪機輪轂時，仍作為獨立單元的搖擺軸承。由于本發明所涵蓋的搖擺軸承可充當獨立單元，所以彈性體元件的預負載被限制至搖擺系統并且不轉移至任意相關輪轂中。
[0013]在本發明的特定實施方案中，提供一種總成。所述總成包括輪轂和定位在輪轂中的開口上的至少兩個雙彈性體搖擺軸承。在特定方面中，搖擺軸承是可預負載搖擺軸承。可預負載搖擺軸承可在與輪轂一體化前預負載。搖擺軸承還可包括與輪轂分開的獨立單元。在本發明的其它實施方案中，獨立搖擺軸承被可操作地構造成不將預負載轉移至輪轂。在一些實施方案中，搖擺軸承安裝在放置在輪轂內的T形渦輪機軸頭的相對末端上。在特定實施方案中，搖擺軸承在其組件中尤其具有多個金屬彈性體元件。每個金屬彈性體元件可獨立地預負載且此外每個金屬彈性體元件可個別地從搖擺軸承上移除。本發明的其它實施方案包括滑動軸承，其耦接至彈性體搖擺軸承，所述彈性體搖擺軸承被可操作地構造來接收超過彈性體元件可承受的額定力的力或在彈性體元件破裂的情況下限制轉子輪轂的位移。除這些實施方案外，在閱讀本公開時將了解本發明的附加方面。
[0014]附圖簡述
[0015]圖1A、圖1B、圖1C、圖1D和圖1E從不同角度描繪本發明的實施方案。
[0016]圖2A、圖2B、圖2C、圖2D和圖2E從不同角度描繪本發明的另一個實施方案。
[0017]圖3A、圖3B、圖3C、圖3D和圖3E從不同角度描繪本發明的又一個實施方案。
【具體實施方式】
[0018]本發明提供一種鉸鏈總成，其涵蓋一個輪轂和兩個雙彈性體搖擺軸承。與并入金屬軸承或襯套的常規總成相比，使用彈性體元件得到具有改進的抗劣化和提高的阻尼負載峰值及減小渦輪機轉子和軸上的應力的能力的總成。
[0019]在本發明的特定實施方案中，搖擺軸承定位在輪轂中的開口上。搖擺軸承的開口可在輪轂中的任意位置，但在一些實施方案中，存在軸承的兩個開口，各定位為在輪轂上彼此正對。在特定實施方案中，搖擺軸承被可操作地構造來安裝在T形渦輪機軸頭的相對末端上，即軸頭的角上。軸頭的角可對應于輪轂上的開口，使得所安裝的搖擺軸承定位在開口上。
[0020]每個雙彈性體搖擺軸承包括兩個彈性體層，因此，雙彈性體搖擺軸承。彈性體層本身由多個彈性體元件組成。因此，含有這些層的每個彈性體搖擺件包括多個彈性體元件。由于彈性體元件，本發明所涵蓋的搖擺軸承可預負載，其中特定數量的壓縮力可被引入彈性體元件中。本發明所設想的彈性體元件允許受控預負載。如下文實施方案中詳細描述，每個彈性體元件的預負載可獨立于彼此被調整。此外，如下文詳細說明，搖擺軸承中的每個彈性體元件可獨立于其它彈性體元件被移除。此外，搖擺總成的其它組件可獨立于總成中的其它組件被移除。例如，每個彈性體元件可在元件的一端上與軸承的分段內部分耦接且在元件的另一端上與分段外部分耦接。每個分段區段(內部分、外部分和其間的彈性體元件)可與個別楔形物相關，其結合緊固裝置(例如，螺釘)允許個別地調整預負載。彈性零件的預應力可透過使用配置在其間的楔形物的系統和搖擺軸承的外殼藉由在主要徑向方向(其在主要外部負載的方向上)上壓縮其而獲得。組件的獨立還便于其從軸承上移除及安裝至軸承中。因此，本發明的特定實施方案所涵蓋的組件更能觸及以進行鉸鏈總成的維護和修理。
[0021]在一些實施方案中，搖擺軸承還包括滑動軸承，其被可操作地構造來接收來自彈性體元件的力。滑動軸承可耦接至彈性體搖擺件并且保護彈性體零件不受過度應力影響，提高搖擺軸承的總體可靠性。如下文實施方案中進一步描述，搖擺軸承可配備實現彈性體元件的可能磨損的預先檢測的監控傳感器以及允許目測檢查彈性體零件的邊界的光學傳感器。此外，搖擺軸承可配備傳感器，其能夠在操作鉸鏈時當彈性體元件經歷振蕩循環時監控其表現。在其它實施方案中，搖擺軸承可配備蓋，其保護軸承不受日照和鹽分空氣(其可能潛在地腐蝕軸承內的組件)影響。
[0022]根據本發明的一個總成展示在圖1A、圖1B、圖1C、圖1D和圖1E中。圖1A示出雙葉片轉子和相關輪轂的配置。輪轂101實質上是殼，其中兩個葉片(未示出)安裝在附接點102上。輪轂101含有針對軸頭103的開口和位于相對側上針對安裝在蓋105下方的搖擺軸承104 (圖1A中未示出)的兩個開口。圖1B是輪轂總成的橫截面圖，并且示出輪轂101的內部,連同軸頭103和位于軸頭103的相對角上的兩個搖擺軸承104。
[0023]圖1C展示搖擺軸承104的放大圖。搖擺軸承104由外殼107、內殼108、中心套管109和彼此堆疊的兩對金屬彈性體元件110和111 (每個元件包括交替的金屬墊片112和彈性體層113)組成。鍵114已被安裝來防止零件的相互旋轉，但是根據本發明可使用其它防旋轉裝置。搖擺軸承104通過螺釘115固定至輪轂101，但是可使用其它緊固裝置。保護搖擺軸承不受過度應力影響且在彈性體層破裂的情況下提供協助的滑動軸承116通過保持元件117固定至軸頭103的角的末端上。在特定實施方案中，可根據需要安裝多個滑動軸承。賦予滑動軸承自由度以軸向移動及以有限徑向間隙移動的環118可被安裝來接收位置傳感器或角度傳感器，諸如所示的差動變壓器119。傳感器的數量和其位置可根據需要調整。蓋105保護搖擺軸承104不受海上環境典型的日照和鹽分空氣的有害影響。
[0024]圖1D描繪搖擺軸承104，其從輪轂101上移除且無蓋105。如所示，搖擺軸承104包括外殼107、內殼108、中心套管109和堆疊至彼此的兩對金屬彈性體元件110和111。金屬彈性體元件110和111的錐形形狀匹配中心套管109、外殼107和內殼108的錐形形狀。因此，搖擺軸承104的預負載可藉由通過擰緊相關的固定螺釘115而抵著外殼107軸向強壓內殼108而獲得。本發明所涵蓋的組件的配置允許在搖擺軸承104安裝至輪轂101中之前預組裝搖擺軸承104，其初始預負載在制造廠調整。
[0025]圖1E詳細示出金屬彈性體元件110和111。如所示，金屬彈性體元件110和111都是錐形的。這些元件的數量可根據需要改變。此外，如果需要，金屬彈性體元件可僅由一個角度元件組成或由更多區段組成。鍵114已被安裝來防止零件的相互旋轉，但是可使用其它防旋轉裝置。彈性體元件110和111各由交替的金屬墊片112和彈性體接合層113組成。墊片112和彈性體層113的數量和厚度可根據需要調整。
[0026]本發明的另一個實施方案示于圖2A、圖2B、圖2C、圖2D和圖2E中。圖2A示出雙葉片轉子和相關輪轂的配置。輪轂201實質上是殼，其中兩個葉片(未示出)安裝在附接點202上。輪轂201含有針對軸頭203的開口和位于相對側上針對安裝在蓋205下方的搖擺軸承204 (本圖中未示出)的兩個開口。
[0027]圖2B是輪轂總成的橫截面圖，并且示出輪轂201的內部，連同軸頭203和位于軸頭203的相對角上的兩個搖擺軸承204。圖2B還示出搖擺軸承204和軸頭203的角與輪轂201之間的組件的配置。此外，以外殼211、分段內殼206、分段中心套管207和彼此堆疊的兩對金屬彈性體元件208的詳圖展示搖擺軸承204的橫截面。為了避免零件的相互旋轉，元件208具有正方形或準正方形末端，其配合鄰接零件中加工出來的相應凹口。還可使用鍵、銷和具有類似功能的其它裝置防止不需要的相互旋轉。搖擺軸承204通過螺釘209固定至輪轂201和軸頭203，但是可使用其它緊固裝置。滑動軸承210 (其保護搖擺軸承不受應力峰值影響且在彈性體層破裂的情況下提供協助)被安裝并且固定至外殼211的內端。滑動軸承210的形狀和位置可根據需要修改。此外，本發明涵蓋多個滑動軸承，其可根據需要安裝在金屬彈性體元件208內部或安裝為平行于金屬彈性體元件208。在特定實施方案中，位置傳感器可被安裝來在操作中監控搖擺軸承204的位移。蓋205保護搖擺軸承204不受海上環境中的日照和鹽分空氣的有害影響。
[0028]圖2C展示搖擺軸承204的放大圖。搖擺軸承204包括外殼211、分段外套管206、分段中心套管207和配置為彼此堆疊的兩個圓形陣列的兩個分段金屬彈性體元件208。在特定實施方案中，通過沿著軸頭203的角的軸線的徑向平面切割鉸鏈而獲得外套管206、中心套管207和金屬彈性體元件208的段。不同套管中的段數可根據需要修改。在特定實施方案中，套管未被分段。中心套管207的每個元件可為雙楔形并且通過螺釘209接合至軸頭203的角。外套管206的每個組件可為簡單楔形并且通過螺釘209接合至外殼211。此外，金屬彈性體元件208的每個雙元件被限制在外殼211、中心套管207的組件和外套管206的組件之間的空間內。
[0029]如圖2D中所示，金屬彈性體元件208各由被彈性體接合層213介入的金屬墊片212組成。層的數量和厚度可根據需要調整。每個金屬彈性體元件208的末端上的金屬墊片212配合在鄰接部分中加工出來的相應凹口，且如圖2E中所示可具有正方形或準正方形形狀。方端配合至凹口部分中幫助防止金屬彈性體元件208的不需要的旋轉。其它構件可用于防止旋轉，包括但不限于鍵或銷。如圖2E中所示，末端墊片212的幾何形狀允許金屬彈性體元件208安裝至兩個可能位置中，X軸或I軸平行于軸頭203的角的軸線。金屬彈性體元件208的錐形形狀匹配中心套管207、外殼211和外套管206的錐形形狀。相應地，搖擺軸承的每個金屬彈性體元件208通過針對金屬彈性體元件208的內陣列擰緊其固定螺釘209而強壓中心套管元件207及通過針對金屬彈性體元件208的外陣列擰緊其螺釘209而將外套管元件206壓入外殼211中而單獨地預負載。所得預負載將具有軸向分量以及徑向分量。取決于特定應用，金屬彈性體元件208的錐形形狀可被設計來滿足著這兩個組件的所要比率。圖2E描繪金屬彈性體元件208的錐形形狀，其在一些實施方案中被安裝成具有抵著中心套管207的較大直徑用于剪應力的優化分布。
[0030]本發明的另一個實施方案提供在圖3A、圖3B、圖3C、圖3D和圖3E中。圖3A示出雙葉片轉子和相關輪轂的配置。輪轂301實質上是殼，其中兩個葉片(未示出)安裝在附接點302上。輪轂301含有針對軸頭303的開口和位于相對側上針對安裝在蓋305下方的搖擺軸承304 (本圖中未示出)的兩個開口。
[0031]圖3B是輪轂總成的橫截面圖，并且示出輪轂301的內部，連同軸頭303和位于軸頭303的相對角上的兩個搖擺軸承304。圖3B示出搖擺軸承304和軸頭303的角與輪轂301之間的組件的配置。如圖3B中所示，搖擺軸承304包括外殼306、金屬彈性體元件307的雙冠部和金屬彈性體元件307與外殼306之間的楔形物308和309的冠部。在將軸頭303定位至輪轂301并且安裝殼306后，金屬彈性體元件307的內冠部被安裝在軸頭303的角與殼306之間且通過插入楔形物309而被固定至其最終位置中。金屬彈性體元件307的外冠部被安裝在軸頭303的角與楔形物309的上端之間且通過楔形物308的插入而固定。金屬彈性體元件307的兩個冠部通過沿著軸頭303的角的鎖定件311軸向限制。由于金屬彈性體元件307的錐形形狀，預負載可通過擰緊楔形物固定螺釘310而強壓其與內冠部的外殼306之間的楔形物及強壓其與外冠部的楔形物309的上部分之間的楔形物308而獲得。間隙可留在楔形物固定唇部與其止擋面之間，將由適當墊片填充。這將允許隨后個別調整預負載以補償彈性化合物的松弛。
[0032]如圖3B中進一步所示，搖擺軸承304的外殼306透過螺釘318的冠部接合在輪轂301上。在一些實施方案中，墊片可相對于一系列公差而用在殼306的凸緣下方。軸頭303的每個角上存在兩個滑動軸承316和317。滑動軸承316和317保護搖擺軸承304不受應力峰值影響且在彈性體層破裂的情況下提供幫助。滑動軸承316和317還允許軸頭303的角與外殼306之間的自由軸向位移。滑動軸承316被安裝在鎖定件311上并且通過保持元件318固定。滑動軸承317由擰至外殼306的區段組成。滑動軸承的形狀、數量和位置可根據需要改變。此外，多個滑動軸承可根據需要安裝在每個金屬墊片18內部或安裝在每個金屬墊片18上。此外，在特定實施方案中，傳感器可被安裝來監控徑向和角度位移。此外，防旋轉裝置(諸如鍵319)可用于防止零件的相互旋轉。出于相同原因，金屬彈性體元件307通過楔形物308及309和外殼306側向引導。蓋305保護搖擺軸承304不受海上環境中的日照和鹽分空氣的有害影響。
[0033]圖3C提供搖擺軸承304的放大圖，其從輪轂301上移除且無蓋305。圖3D更詳細示出金屬彈性體元件307。金屬彈性體元件307具有錐形形狀且由配合軸頭303的角的楔形金屬件312、配合在楔形物308和309的凹口內的外板313和被彈性體接合層315介入的金屬墊片314組成。層的數量和厚度可根據需要修改。在本發明的一些實施方案中，金屬彈性體元件307對于兩個冠部相同，而在其它實施方案中，元件307是不同的。此外，金屬彈性體元件的數量和形狀可根據需要修改。圖3E提供圖3D中所示的金屬彈性體元件307的俯視圖。
[0034]上文描繪的實施方案描述一種鉸鏈總成，其中雙葉片渦輪機轉子的輪轂與軸頭之間的連結透過允許葉片的逐片旋轉而不導致偏航和側向力矩的搖擺鉸鏈實現。鉸鏈總成包括兩個預負載的雙搖擺軸承。每個雙搖擺軸承可由限制在外部金屬零件與中心T形軸頭的直徑相對末端(即，角)之間的金屬彈性體元件的兩個冠部組成。總成的抗扭勁度由并列運行且在徑向和軸向方向上實質剛性固定的搖擺件提供。金屬彈性體層的數量可相應修改以限制由搖擺周期導致的剪應變并且還獲得足夠的壓縮模量。本發明所涵蓋的徑向滑動軸承限制徑向位移和彈性體元件的后續可能損壞。滑動軸承還用于在彈性體元件破裂的情況下應對徑向負載。如上文實施方案中所展示，本發明所涵蓋的總成還可包括能夠檢測彈性體零件的徑向、軸向和扭轉變形的傳感器以及用于保護下方總成不受海上環境典型的日照和鹽分空氣的不利影響的搖擺蓋。
[0035]在鉸鏈總成中使用兩個雙彈性體軸承能夠顯著減小最終導致齒輪箱破裂的驅動系彎矩。不同實施方案中描繪的其它元件還提高設想的鉸鏈總成的可靠性和耐用性以及其處置高峰值負載的能力。
[0036]參考并入
[0037]在本公開中參考及引用其它文件，諸如專利、專利申請、專利公開案、期刊、書籍、論文、網頁內容。為所有目的，所有這些文件全文以引用的方式并入本文中。
[0038]等效物
[0039]本發明可實現為其它特定形式而不脫離其精神或實質特性。上述實施方案因此在各個方面被視為說明性而非限制本文所述的發明。本發明的范疇因此由隨附權利要求而非上述描述指示，且在權利要求的等效意義和范圍內的所有變化因此旨在涵蓋于其中。
【權利要求】
1.一種總成，所述總成包括: 輪轂；和 至少兩個雙彈性體搖擺軸承，其定位在所述輪轂中的開口上。
2.根據權利要求1所述的總成，其中所述搖擺軸承是可預加載搖擺軸承。
3.根據權利要求2所述的總成，其中所述搖擺軸承是獨立的。
4.根據權利要求3所述的總成，其中所述搖擺軸承被可操作地構造為不轉移預負載至所述輪轂。
5.根據權利要求1所述的總成，其中所述搖擺軸承被可操作地構造來安裝在T形渦輪機軸頭的兩個相對末端之一上，所述末端對應于所述輪轂中的開口。
6.根據權利要求1所述的總成，其中所述搖擺軸承包括多個金屬彈性體元件。
7.根據權利要求6所述的總成，其中所述多個元件內的每個金屬彈性體元件可獨立地預加載。
8.根據權利要求6所述的總成，其中所述多個元件內的每個金屬彈性體元件可獨立地從所述搖擺軸承移除。
9.根據權利要求6所述的總成，其中所述搖擺軸承還包括一個或多個滑動軸承，其被可操作地構造來接收來自所述多個元件內的彈性體元件的力。
10.根據權利要求2所述的總成，其中徑向預負載與軸向預負載之間的比率可用外部負載持續獲得。
11.根據權利要求6所述的總成，其中每個彈性體元件被可操作地構造來在兩個不同位置組裝在所述輪轂中，所述位置相差90度角。
12.根據權利要求2所述的總成，其中所述預負載可在所述總成操作期間改變。
【文檔編號】F03D1/06GK103857903SQ201280024144
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年5月10日 優先權日:2011年5月10日
【發明者】S·卡魯索, M·賈庫波斯基, L·蔡奧里 申請人:康道爾風能有限公司