CN102537044A - 风电主轴双角支承油膜轴承 - Google Patents

Abstract

风电主轴双角支承油膜轴承包括分置式双静—动压衬套、轴套、外套、左挡环、右挡环和多个弹簧。分置式双静—动压衬套包括第一衬套和第二衬套。弹簧与两个端止推面抵顶。轴套中部有台肩。两个衬套装设在外套内，外套两端分别装设两个挡环。两个衬套内孔柱面内分别开设三排结构相同的油腔，三排油腔将圆周等分成三个工作面，油腔由油腔体和进油通道组成。两个衬套端止推面的周向上分别匀设了多个结构相同的静压油腔和多个结构相同的动压油楔。静压油腔由静压油腔体和静压进油通道组成。本发明实现冗余设计，寿命为同类轴承的三倍，实现风机主轴的长寿命、可靠性高、免装拆、高传动效率的要求，具有径向与轴向的联合承载能力。

Description

风电主轴双角支承油膜轴承

技术领域

本发明属于轴承领域，特别涉及风电主轴双角支承油膜轴承。本轴承是机械传动中兼具径向-轴向联合承载的关键基础部件，是风力发电机的一种新型原理与结构的主轴轴承方案，适用于大 装机容量（兆瓦级）的双馈式、直驱式及混合式的各类风电机组。原则上，适用于相似要求的一切机械设备上。

背景技术

我国风能资源非常丰富，理论蕴藏量约为32.26亿千瓦，初步估算可开发的装机容量就有2.53亿千瓦，在世界位于前列。风能发电行业具有形成商业化、规模化发展的资源潜力。

世界风电产业迅猛发展，中国则是世界上风电产业发展最快的国家之一，2010 年实现风电装机1000 万千瓦（10000MW）的规划发展目标，我国风电产业进入高速发展时期。作为目前全球第四大风能市场，中国风电市场装机量在过去4年里正以每年翻一番的速度增长。规划目标中风电到2020年的发展底线就是1亿千瓦（100000MW）。中国的风力发电机的设计制造技术及配套水平都有了长足进步，国内的装机水平已在2MW级基础上不断大型化，3MW以上的风电机已装机运行。当前，世界上已经制造出5MW以上的风电样机投入试运行。

在大容量的风力发电机中，双馈式及混合式风力机仍为当今风电行业的主导机型，其主轴轴承（直驱式虽无主轴，但仍有主轴承）是整个风力发电机的关键部件，它们受力复杂、连续运转，要求长寿命（使用寿命20年）、高可靠性（无故障运行13万小时以上，可靠度95%以上），且不许拆装。使之成为风力发电机的咽喉，决定了整机的能力。

据载，当今世界风电场主轴轴承的使用情况，在投产4-5年后就发生故障的不为鲜见。20年的使用寿命，可望而不可及。因而，提高当前使用的滚动轴承性能，以至研发新原理、新结构的轴承，势在必行，且刻不容缓。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电主轴双角支承油膜轴承，本发明是为了解决风力发电机主轴轴承（含直驱式的主轴承）的长寿命、高可靠性、免拆装、兼具径向与轴向联合承载能力的问题，而提出的一种结构简单、工艺性与经济性俱佳的新的技术方案。

本发明的径向回转支承与轴向平面支承都是应用流体动压、静压效应联合作用的原理设计、制造的，只是直接承受风载荷（是风机的“偏航”控制系统使风轮永远正对着来风）的轴向主平面支承的静压效应更强些(图1上的1号零件)，而非直接承受风载荷的平面支承静压效应则弱些，但动压效应却强些(图1上的2号零件)。

采用的技术方案是：

风电主轴双角支承油膜轴承包括：分置式双静—动压衬套（带静—动压端止推面支承），轴套、外套、左挡环、右挡环和多个弹簧。分置式双静—动压衬套包括：第一衬套(静—动压径向与轴向支承第一衬套，承受轴向力）、第二衬套 (静—动压径向与轴向支承第二衬套，非承受轴向力）。

其技术要点在于：

在轴套中部设有台肩，台肩的截面为正方形或长方形（即台肩侧面均为环形平面），台肩将轴套分为第一轴套面和第二轴套面，两个衬套装设在外套内。第一衬套（径向滑动面）与轴套的第一轴套面相应装设，第二衬套（径向滑动面）与轴套的第二轴套面相应装设。外套的外壁为球面，所述的外套与轴承座为球面滑动配合，在外套与轴承座之间设置键，使外套与轴承座不能发生绕主轴轴线的相对转动。此轴承座为已知技术，故不重复叙述。

在外套的两端分别装设有左挡环和右挡环，左挡环和右挡环分别与外套通过螺栓连接。

第一衬套的内孔柱面为第一内孔柱面。在第一内孔柱面内沿圆周方向开设三排结构相同的轴向对称油腔，每排两个，三排油腔将圆周等分成三个120度的完整连续的工作面。每一排两个油腔宽度总和小于第一衬套宽度的10%，每个油腔张角<25⁰，且避开流体动压力峰值区（每排两个油腔各距第一衬套两个端面的1/4衬套宽）。油腔由油腔体和进油通道组成。所述的三排油腔分别为第一排油腔、第二排油腔和第三排油腔，将第一衬套的第一内孔柱面圆周分为第一工作面、第二工作面和第三工作面。

第二衬套的内孔柱面为第二内孔柱面，在第二内孔柱面内对称地开设有三排结构、位置和数量与第一衬套内的三排油腔相同的油腔，也将圆周分为三个对应的工作面。

第一衬套的端止推面为第一端止推面，第二衬套的端止推面为第二端止推面。在台肩的外边缘与外套之间沿轴向均布有多个弹簧,弹簧的两端分别与第一端止推面和第二端止推面相抵顶。

在第一个端止推面的周向上匀设了多个结构相同的静压油腔和多个结构相同的动压油楔。所述的静压油腔由静压油腔体和静压进油通道组成。所述的动压油楔由油槽和楔面组成。所述的油槽为渐开线型，所述的动压油楔为斜面—平面型。

在第二端止推面的周向上匀设有与第一端止推面上的静压油腔结构相同的多个静压油腔。在第二端止推面上开设出多个与第一端止推面的动压油楔结构相同的动压油楔。

其工作原理为：

工作时，如图3所示，以第一衬套的第一排油腔为主油腔，起静压作用，输入由计算确定压力的润滑油(静压润滑油)。将第二排油腔和第三排油腔作为两排辅油腔，通入具有一定压力的润滑油，作动压供油，起稳定作用。此时第一工作面进入工作区域。当主轴因风力跳动抬起而靠近两排辅油腔时，两排辅油腔静—动压效应增强，起背压作用，从而保证风机运转平稳。

第二衬套内的三排结构相同的油腔的工作过程与第一衬套内的三排油腔相同，并且工作时两个衬套内的三排油腔相同装设，对应的工作面分别进入工作区域。本发明完全可以凭借静压效应单独承担外载。

本发明承担轴向力的部分，为第一端止推面和第二端止推面。图2所示，在第一端止推面的周向上的多个静压油腔内注入具有一定压力的润滑油。当风机工作时，静压油腔和动压油楔，具备流体静压、动压联合效应的形成机理，起主支承且油膜润滑。

在第二端止推面上的多个静压油腔和动压油楔的工作过程与第一端止推面相同。起副支承作用，动压润滑效应强些，起一定的稳定作用。

本发明有分置的两个衬套，它们的内孔柱面和端止推面都开设多个油腔和多个静压油腔，并输入具有设定压力的润滑油，即实现油膜润滑。在风机工作时，无论转速多低，甚至在停转时，都能在工作区域中形成一个完整的承载油膜，造成液体摩擦。

为了充分发掘轴承的径向动压承载能力，在两个衬套内制造出的油腔避开流体动压力峰值区（每排两个油腔各距衬套端面1/4衬套宽，即可以保证衬套内制造出的油腔避开流体动压力峰值区），所保留的大片动压承载面积，将随着风轮转速的升高而发挥越来越大的承载作用，润滑油膜也随之变厚。其结果是主油腔的润滑油的出流间隙增大了，因而降低了静压供油系统的压力，延长了静压供油系统的寿命。当风机在较高转速下较长时间工作时，可设定主轴超过“临界转速”（该值由计算确定，为已知技术）时切换静压供油系统（泄荷或停止），实行接力式工作制。在无特定要求时，也可静压、动压联合工作，实行协力式工作制。此供油系统为一套单独的循环润滑系统连续供油。计算确定两个衬套内孔柱面上的油腔及两个端止推面上的静压油腔的结构、位置、压力，使动压、静压效应合理匹配，在运行中，实现它们间的自行调整，确保稳定运行，此套供油系统为已知技术，故不重复叙述。

本发明在两个衬套内分别制造出沿周向均布的三排油腔（每排两个，沿轴向对称，结构与张角由计算确定），即分别以主油腔为中心，在两个衬套内分别以内表面形成三个具有相同承载能力的工作面（因内表面完整、连续，其有效动压包容角可大于120度）。工作时，分别将两个衬套内的一排主油腔置于工作区域，输入设定的润滑油，起主承载作用。分别将两个衬套内的另外两排油腔输入具有一定压力的润滑油（即成为辅油腔），当轴因风速、风向变化而抬起时，处于斜上方辅油腔的静压效应增强，起背压（阻尼）作用，从而保证风机运转平稳。

本发明采用冗余设计方法，以延长使用寿命、提高可靠性：即针对本装置中的易失效件是两个衬套，故在本装置内设置一套简便的辅助机构，所述的辅助机构可以在轴承座内实行两个衬套对应的三个工作面（或者说主、辅油腔）位置的自由转换，即当决定更换某一排主油腔（亦是主工作面）时，利用转换装置在短时停机内，将两个衬套分别或者同时转动120o，即将任意一排辅油腔转入工作区域，输入润滑油(静压润滑油)，便随即成了主油腔，相应的工作面进入工作区域。从而，实现了衬套工作面的在线转换。这样，轴承的使用寿命将因此而再延长两倍（达到同类普通轴承的三倍），此套转换装置有已知技术，故不重复叙述。

依据载荷的大小及工作转速，初定轴套的工作直径、长径比、相对间隙、润滑油等，并在风机的切入转速下，初定两个衬套主油腔的结构和静压供油压力及两个衬套内的两排辅油腔的供油压力、供油量，并在工作时连续供油。由于主轴具有3-20 rpm左右的工作转速，因而，轴承中的流体静压、动压联合作用效应就会建立起来，在工作区域中的一个完整承载油膜也就会形成。此程序为事先设定，为已知技术，故不重复叙述。

应用润滑力学理论将润滑油作为要件参与设计计算，依据风机的工况，选择润滑油，应充分考虑主轴的工作要求（载荷大，转速低，长寿命，免装拆）和环境条件（风沙，腐蚀，温度、湿度及变化），选取能在-40～100°C环境下长期工作，具有高闪点、低倾点、极高粘度指数（VI > 220）及优良的低温流动性等优异性能的合成油。其粘度（cSt ,40°C）可选范围为ISO VG（100），220，320，（460）。密封材料应使用丁腈橡胶，氟硅橡胶或乙烯基－甲基聚硅橡胶。如果轴承共用增速器齿轮箱内的齿轮油时，必须另设专用的供油系统，实行单独供油。此另设系统为已知技术故不重复叙述。

其优点在于：

本发明在正常运行管理情况下，主轴轴承的油膜润滑（厚膜润滑）是完全能实现与保持的，不会发生磨损等问题。理论上说，一个工作面即可满足风机的全寿命周期要求。

本方案采用了冗余设计方法，以延长使用寿命、提高可靠性，可使对应的三个工作面可根据需要进行转换，即在不拆下轴承座的情况下在线实现转换 (根据具体情况，两个衬套可同时转换或分别转换)。因此，本主轴轴承使用寿命延长至普通同类轴承的三倍。

本发明之两个衬套，采用多层金属集优式结构，整体刚性好、工作表面性能：包括抗磨性能、减磨性能、抗固体颗粒污染性能以及抗腐蚀性能等都很好，适应风电机主轴轴承的工作与环境要求。

因此，本方案完全满足了风力发电机的长寿命、高可靠性、免装拆、高传动效率的要求，且具有径向与轴向的联合承载能力。

应用本发明可以设计、制造出一个比当前世界上普遍采用的轴承，更具显著优势的风力发电机主轴轴承，应用于大装机容量（兆瓦级）的双馈式、直驱式及混合式的各类风电机组上。

附图说明

图1为风电主轴双角支承油膜轴承简图。

图2为衬套静—动压（轴向）端止推面结构示意图。

图3为衬套静—动压（径向）工作面示意图。

图4为静压油腔A-A剖面图。

图5为动压油楔B-B剖面图。

具体实施方式

风电主轴双角支承油膜轴承包括：分置式双静—动压衬套（带静—动压端止推面支承），轴套3、外套4、左挡环22、右挡环23和多个弹簧9。分置式双静—动压衬套包括：第一衬套1 (静—动压径向与轴向支承第一衬套，承受轴向力）、第二衬套2(静—动压径向与轴向支承第二衬套，非承受轴向力）。

在轴套3中部设有台肩5，台肩5的截面为正方形或长方形（即台肩两个侧面为环形平面），台肩5将轴套3分为第一轴套面7和第二轴套面8。将两个衬套装设在外套4内，第一衬套1与第一轴套面7对应装设，第二衬套2与第二轴套面8对应装设。外套4的外壁为球面，所述的球面与轴承座滑动配合，在外套4与轴承座之间设置键，保证外套4与轴承座之间不能发生绕主轴24轴线的相对转动。此轴承座为已知技术，故不重复叙述。

在外套4的两端分别装设有左挡环22和右挡环23，左挡环22和右挡环23分别与外套4通过螺栓连接。

第一衬套1的内孔柱面为第一内孔柱面10。在第一内孔柱面10内沿圆周方向开设三排结构相同的轴对称油腔30，每排两个，三排油腔将圆周等分成三个120度的完整连续的工作面。每一排两个油腔30宽度总和小于第一衬套宽度的10%，每个油腔30张角<25⁰，且避开流体动压力峰值区（每排两个油腔30各距衬套两个端面的1/4衬套宽）。油腔30由油腔体31和进油通道32组成。所述的三排油腔分别为第一排油腔12、第二排油腔13和第三排油腔14，将圆周分为第一工作面15、第二工作面16和第三工作面17。

第二衬套2的内孔柱面为第二内孔柱面11，在第二内孔柱面11内对称地开设的三排结构、位置和数量与第一衬套1内的油腔30相同的油腔27。

第一衬套1的端止推面为第一端止推面18，第二衬套2的端止推面为第二端止推面19。在台肩5的外边缘与外套之间沿轴向均布有多个弹簧9，弹簧9的两端分别与第一端止推面18和第二端止推面19相抵顶。在第一个端止推面18的周向上匀设了六个结构相同的静压油腔20和十二个结构相同的动压油楔21。所述的静压油腔20由静压油腔体25和静压进油通道26组成。所述的动压油楔21由油槽28和楔面29组成。

在第二端止推面19的周向上匀设有与第一端止推面上的静压油腔20结构相同的三个静压油腔6。在第二端止推面19上开设出15个与第一端止推面18的动压油楔21结构相同的动压油楔33。所述的油槽28为渐开线型，所述的动压油楔21为斜面—平面型。

通过在外套4与轴承座之间设置键保证外套4与轴承座不能绕主轴24轴线发生相对转动。外套4与轴承座之间形成的球面滑动副具有自动调位功能，能够消除因安装误差及主轴24受力变形等的不利影响。本发明作为一个独立的装置，所承受的径向力与轴向力均通过外套4传递给轴承座。

轴套3装设在主轴24上，轴套3的内柱面以键与主轴24联结，在轴套3的右端面装设有挡圈34，将所述的风电主轴双角支承油膜轴承装设在主轴24上。此挡圈34与主轴24为已知技术，故不重复叙述。

第一轴套面7和第二轴套面8分别与第一内孔柱面10和第二内孔柱面11构成两对滑动摩擦副，使两个轴套面成为径向支承的滑动耦合面。

台肩5的两侧的环形面分别与第一端止推面18和第二端止推面19构成两对滑动摩擦副，使台肩5两侧的环形面成为轴向支承的滑动耦合面。

Claims (6)

1.风电主轴双角支承油膜轴承包括：分置式双静—动压衬套，轴套(3)、外套(4)、左挡环(22)和右挡环(23)；分置式双静—动压衬套包括：第一衬套(1)和第二衬套(2)，其特征在于：

在轴套(3)中部设有台肩(5)，台肩(5)的截面为长方形或正方形，台肩(5)将轴套(3)分为第一轴套面(7)和第二轴套面(8)；两个衬套装设在外套(4)内，外套(4)的外壁为球面，第一衬套(1)与第一轴套面(7)对应装设，第二衬套(2)与第二轴套面(8)对应装设；在外套(4)的两端分别装设有左挡环(22)和右挡环(23)，左挡环(22)和右挡环(23)分别与外套(4)通过螺栓连接；

第一衬套(1)的内孔柱面为第一内孔柱面(10)；在第一内孔柱面(10)内沿圆周方向开设三排结构相同的轴对称油腔(30)，每排两个，三排油腔将圆周等分成三个120度的完整连续的工作面；每一排两个油腔(30)宽度总和小于第一衬套宽度的10%，每个油腔30张角<25⁰，且避开流体动压力峰值区，每排两个油腔(30)各距第一衬套两个端面的1/4衬套宽；油腔(30)由油腔体(31)和进油通道(32)组成；所述的三排油腔分别为第一排油腔(12)、第二排油腔(13)和第三排油腔(14)，将圆周分为第一工作面(15)、第二工作面(16)和第三工作面(17)；

第二衬套(2)的内孔柱面为第二内孔柱面(11)，在第二内孔柱面(11)内开设的三排油结构、位置和数量与第一衬套(1)内的油腔(30)的相同腔(27)；将圆周分为三个对应的工作面；

第一衬套(1)的端止推面为第一端止推面(18)，第二衬套(2)的端止推面为第二端止推面(19)；在第一个端止推面(18)的周向上匀设了多个结构相同的静压油腔(20)和多个结构相同的动压油楔(21)；所述的静压油腔(20)由静压油腔体(25)和静压进油通道(26)组成；所述的动压油楔(21)由油槽(28)和楔面(29)组成；

在第二端止推面(19)的周向上匀设有与第一端止推面上的静压油腔(20)结构相同的多个静压油腔(6)；在第二端止推面(19)上开设出与第一端止推面(18)动压油楔(21)结构相同的多个动压油楔(33)。

2.根据权利要求1所述的风电主轴双角支承油膜轴承，其特征在于： 在台肩(5)与外套(4)之间内沿轴向均布有多个弹簧(9),弹簧(9)的两端分别与第一端止推面(18)和第二端止推面(19)向抵顶。

3.根据权利要求1所述的风电主轴双角支承油膜轴承，其特征在于：所述的油槽(28)为渐开线型，所述的动压油楔(21)为斜面—平面型；在第二端止推面(19)的周向上也匀设有多个结构相同的动压油楔(6)。

4.根据权利要求1所述的风电主轴双角支承油膜轴承，其特征在于：轴套(3)装设在主轴(24)上，轴套(3)的内柱面以键与主轴(24)联结。

5.根据权利要求1所述的风电主轴双角支承油膜轴承，其特征在于：在轴套(3)的右端面装设有挡圈(34)。

6.根据权利要求1所述的风电主轴双角支承油膜轴承，其特征在于：所述的外套(4)的球面与轴承座滑动配合，在外套(4)与轴承座之间设置键。

Images