CN107664161B - 轴承结构 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种电动机械(3)的轴承结构(1)，所述电动机械(3)包括延伸穿过壳体(230)的驱动轴(23)，所述轴承结构(1)包括围绕所述驱动轴(23)的前端(FE)布置的前端轴承(1F)，以及围绕所述驱动轴(23)的相对端部(BE)布置的后端轴承(1B)；其中轴承(1F,1B)包括布置在所述驱动轴(23)与所述壳体(230)之间的环形空间(231,232)中的多个轴承垫(10)，并且其中至少一个轴承(1F,1B)包括轴承垫(10)围绕所述驱动轴(23)的不均匀分布。本发明还描述一种包括此类轴承结构(1)的风力涡轮机(2)。

Description

轴承结构
技术领域
本发明描述一种用于将驱动轴支撑在壳体内部的电动机械的轴承结构。本发明还描述一种包括此类轴承结构的风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机通常包括安装在塔架的顶部上并封闭发电机的机舱。一类发电机安装到驱动轴，驱动轴由包括安装到机舱的逆风端处的毂的多个叶片的转子转动。转子响应于叶片上的空气流而转动。驱动轴必须以某一方式牢固地固持以确保旋转到发电机的有效传递。为此，驱动轴通常由壳体固持在适当位置，其中一个或多个主轴承在驱动轴与壳体之间以允许驱动轴的平滑运动。通常，主轴承使用滚柱轴承（诸如滚珠轴承、滚柱轴承或锥形滚柱轴承）构造。
然而，此类轴承的滚珠（ball）或滚柱（roller）必须被机加工到极高精度，并且通常非常昂贵。磨耗可导致对一个或多个轴承和滚道的损坏。为更换受损部件（滚柱或滚珠），通常需要拆卸容纳移动部件的整个罩或座圈，使得维修和更换程序通常昂贵。
作为滚珠轴承或滚柱轴承的替代物，可代替使用流体轴承或滑动轴承。在轴承（诸如流体轴承）中，轴承垫与所支撑组件之间的流体薄膜允许该组件容易在轴承垫上滑动。然而，以使磨损和维护成本最小化的方式分布和设计流体或滑动轴承的垫是有问题的。通常，由于任何轴承设计都通常旨在使负载均匀分布在轴承部件上，因此多个垫将均匀隔开，即在驱动轴的每一端处围绕周边按均匀分布方式布置。然而，在流体轴承或滑动轴承的情况下，该设计涉及相对大量的轴承垫，从而导致较高成本。大量的垫还导致功率损耗增加、可导致稍微太厚的过载垫的较大的“超出公差”风险、垫故障的较大风险等。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种避免上述问题的主轴承。
该目的通过根据本发明的轴承结构并通过根据本发明的风力涡轮机实现。
根据本发明，该轴承结构旨在用于包括延伸穿过壳体的驱动轴的电动机械中。该轴承结构包括围绕驱动轴的前端布置的前端轴承以及围绕驱动轴的另一端布置的后端轴承，其中轴承包括布置在驱动轴与壳体之间的环形空间中的多个轴承垫，并且其中至少一个轴承包括轴承垫围绕驱动轴的不均匀分布。
在本发明的上下文中，前端轴承可被理解成前端主轴承，并且后端轴承可被理解成后端主轴承。驱动轴然后由两个主轴承固持在适当位置，任一端处有一个轴承，即，一个轴承在前端或“驱动端”处，并且一个轴承在驱动轴的后端或“非驱动端”处。当电动机械是风力涡轮机的发电机时，前端逆风并且后端顺风。
根据本发明的轴承结构的优点在于，轴承垫按最佳方式分布在驱动轴周围以在需要的地方准确地提供支撑。以此方式，在所有加载条件下，驱动轴被始终最佳支撑。
根据本发明，该风力涡轮机包括具有被布置成将旋转从风力涡轮机的转子传递到发电机的驱动轴的发电机，并且其还包括布置在驱动轴与驱动轴壳体之间的此类轴承结构，其安装为主轴承以将驱动轴支撑在壳体中。
根据本发明的轴承结构的优点在于，支撑驱动轴的主轴承可以使用相对经济的流体轴承或滑动轴承设计，同时可以有利地最小化轴承垫上的磨损。以此方式，可以减少构造成本和维护成本。
本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如在以下描述中所揭示的。可以适当组合不同权利要求类别的特征以给出在本文中未描述的其它实施例。
在下文中，可以假定，风力涡轮机由包括安装到逆风侧处的毂的叶片的多个转子驱动。该旋转毂安装到容纳在轴承壳体中的旋转驱动轴。电动发电机安装在驱动轴和轴承壳体上。驱动轴必须以其自由旋转的方式并且以其不受相反力影响的方式安装。为此，驱动轴通常由壳体封闭，其中主轴承在驱动轴的任一端处的环形区域中。
在本发明的上下文中，主轴承应被理解为布置在驱动轴的一端处的环形区域中的一组轴承垫。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假定，轴承包括流体轴承或滑动轴承。
旋转轴与壳体之间的流体轴承通常包括多个轴承垫，每一轴承垫具有成形为抵靠该轴的接触表面。轴承垫通常安装在枢轴或衬里上。轴承垫与旋转轴之间的流体膜确保该轴可以围绕其轴线平滑旋转。
驱动轴可被视为被布置成水平放置的大体柱形组件，并且其可以由包含驱动轴的旋转轴线的水平平面虚拟地划分成上半部和下半部。可以根据该水平平面限定本发明的轴承分布，使得轴承垫的不均匀分布应被理解为意味着不同数量的轴承垫围绕上半部和下半部布置。例如，在驱动轴的一端处，较小数量的轴承垫可以布置在一个半圆形半部上，并且较大数量的轴承垫可以布置在另一半圆形半部周围。
在本发明的一个优选实施例中，前端轴承包括轴承垫围绕驱动轴的不均匀分布。在本发明的特别优选的实施例中，与围绕驱动轴的上半部布置的轴承垫相比，前端轴承包括围绕驱动轴的下半部布置的更多的轴承垫。例如，对于布置在前端轴承的上半圆形半部中的一定数量的轴承垫，可存在布置在前端轴承的下半圆形半部中的一个或两个更多的轴承垫。在本发明的风力涡轮发电机的一个示例性实施例中，前端轴承包括十个流体轴承垫，其中六个围绕驱动轴的下半部布置。
根据发电机规格和其将要暴露至的负载，前端轴承中的不均匀轴承分布可足以确保负载的有利分布。因此，在涉及具有不均匀的轴承垫分布的前端轴承的该设计中，后端轴承可以包括均匀的轴承垫分布。
然而，特别是在大型风力涡轮发电机的情况下，即使前端主轴承已经被设计成经受最大加载，后端轴承也可能经受显著加载。因此，在本发明的另一优选实施例中，后端轴承包括轴承垫围绕驱动轴的不均匀分布。在本发明的特别优选的实施例中，与围绕驱动轴的下半部布置的轴承垫相比，后端轴承包括围绕驱动轴的上半部布置的更多的轴承垫。例如，对于布置在后端轴承的下半圆形半部中的一定数量的轴承垫，可存在布置在后端轴承的上半圆形半部中的一个或两个更多的轴承垫。在本发明的风力涡轮发电机的另一示例性实施例中，后端轴承包括十个流体轴承垫，其中六个围绕驱动轴的上半部布置。同样在该情况下，根据发电机规格和其将暴露至的负载，后端轴承中的不均匀轴承垫分布可足以确保负载的有利分布，并且前端轴承可以包括均匀轴承垫分布。
此类风力涡轮机的驱动轴上的加载通常表现为驱动轴的前端上的向下力和驱动轴的后端上的向上力。因此，在本发明的特别优选的实施例中，前端主轴承在其下半部中包括较大数量的轴承垫，并且后端主轴承在其上半部中包括较大数量的轴承垫。以该方式，驱动轴上的不均匀加载可以最佳地由任一端处的主轴承抵消。当然，替代性实施例同样是可能的，其中垫在顺风侧上均匀分布和垫在逆风侧上不均匀分布，或者垫在逆风侧上均匀分布和垫在顺风侧上不均匀分布。
如上文所指示的，主轴承包括分布在驱动轴的一端周围的一组轴承垫。优选地，主轴承的轴承垫围绕垂直轴线对称布置。该垂直轴线可以由包含驱动轴的旋转轴线的垂直平面限定。垂直对称应被理解为涉及垂直轴线的任一侧上的轴承垫的数量，例如在垂直轴线的任一侧上有五个轴承垫。使用上述的示例性前端主轴承，两个轴承垫将布置在垂直轴线的一侧上的上半部中，并且三个轴承垫将布置在垂直轴线的另一侧上的下半部中。
在本发明的轴承结构的优选实施例中，至少一个轴承配备有压力施加构件，其被实现成向轴承垫施加压力以便将轴承垫的接触表面压靠在驱动轴的外表面上。在一个优选实施例中，压力施加构件包括布置在壳体与轴承垫之间的至少一个弹簧加载组件。例如，甚至在驱动轴经受源自转子的轴向力时，布置在轴承衬里上的一对弹簧（每一侧上一个）可以有效地将弯曲接触表面压靠在驱动轴上。在替代性实现方案中，压力施加构件可以包括由液压马达或线性马达驱动的致动器。在任一情况下，压力施加构件可以被实现成通过施加压力而将垫压靠在轴表面上，或者通过减小所施加的压力而朝向壳体（远离驱动轴）拉动垫。可以视需要调节将要施加到垫或将要从垫释放的压力的量以便调节垫的移动自由度。
附图说明
根据结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，应理解，附图仅出于图示目的而设计，而不是作为本发明的限制的限定。
图1示出在驱动轴与驱动轴壳体之间的根据本发明的轴承结构；
图2示出支撑风力涡轮发电机的驱动轴的根据本发明的轴承结构；
图3示出图1的驱动轴和驱动轴壳体的分解视图；
图4示出根据本发明的轴承结构的实施例的前端轴承；
图5示出根据本发明的轴承结构的实施例的后端轴承；
图6示出流体轴承；
图7示出根据本发明的轴承结构的另一实施例的细节。
在这些图中，相似编号始终指代相似对象。这些图中的对象未必按比例绘制。
具体实施方式
图1示出用于将驱动轴23支撑在驱动轴壳体230中的根据本发明的轴承结构1。轴承结构1具有在驱动轴23的前端FE处的环形空间231中的前端轴承1F，以及在驱动轴23的后端BE处的环形空间232中的后端轴承1B。该图指示轴承垫10在任一端FE, BE处的不均匀分布。
图2示出被安装成支撑风力涡轮发电机3的驱动轴23的图1的轴承结构1。风力涡轮机2包括在塔架21的顶部上的机舱20。包括毂220和安装到毂22的叶片221的转子22将响应于叶片221上的空气流而转动。转子22安装到驱动轴23以将旋转传递到发电机3的发电机转子30（在该图中以简化方式指示）。驱动轴23由壳体230固持在适当位置，并且驱动轴23的任一端处的环形轴承1F, 1B确保驱动轴23不由作用在其上的力移位。
图3示出图1和图2的驱动轴23和驱动轴壳体230的部件分解图。驱动轴23示出在左手侧上，其中前端环形轴承1F的轴承垫10围绕驱动轴23的前端FE或驱动端布置，并且后端环形轴承1B的轴承垫10围绕驱动轴22的后端或非驱动端布置。轴承垫10示出在其中其由壳体230固持的位置中。
在该图的右手侧上，示出壳体230，从而指示环形空间或座圈231, 232，该空间或座圈231, 232将轴承垫10容纳在其工作位置中以便支撑驱动轴23。在该实施例中，壳体230被成形为部分封闭驱动轴23并且围绕风力涡轮机塔架的顶部处的偏航环装配。任一侧上的开口允许在图2中的塔架21与机舱20的内部之间进入。
可通过在驱动轴止推环的任一侧上实施流体轴承而由顺风侧处的止推轴承承受轴向负载。
图4示出从前端FE观察壳体230的前端轴承1F。示出通过驱动轴旋转轴线R的水平平面H以及通过旋转轴线R的垂直平面V，其共同将环形形状划分成四个相等象限。水平平面H将前端轴承1F划分成上半部1F_u和下半部1F_l。该图示出在下半部1F_l中的较大数量的流体轴承垫10（在该情况下，六个）和在上半部1F_u中的较小数量的流体轴承垫10（在该情况下，四个）。该图还指示，流体轴承垫10大体关于垂直平面V对称布置，而不考虑由流体轴承垫10的不对称结构引起的固有不对称性。
图5示出从后端BE观察壳体230的后端轴承1B。此处，同样示出通过驱动轴旋转轴线R的水平平面H以及通过旋转轴线R的垂直平面V，其将环形形状划分成四个象限。水平平面H将后端轴承1B划分成上半部1B_u和下半部1B_l。该图示出在上半部1B_u中的较大数量的流体轴承垫10（在该情况下，六个）和在下半部1B_l中的较小数量的流体轴承垫10（在该情况下，四个）。
图6示出示例性流体轴承垫10，其中接触垫100安装在枢轴衬里101上。接触垫100的表面被成形为匹配其要支撑的旋转组件（例如驱动轴）的表面。如所属领域的技术人员将知道的，流体可以注入到接触表面与所支撑组件的外表面之间的空间中。当所支撑组件旋转时，流体膜维持在这些表面之间，从而允许平滑旋转。
图7示出根据本发明的轴承结构的另一实施例的细节，并示出在驱动轴23与壳体230之间在适当位置的轴承垫10。该图示出接触垫100紧密围绕驱动轴230的外表面放置。弹簧加载元件11被布置成向轴承垫10施加压力，从便即使转子向驱动轴23施加轴向加载，接触垫100也始终正确位于驱动轴230的外表面上。
虽然已经按优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是应理解，可以在不偏离本发明的范围的情况下对其作出众多额外修改和变型。
为清楚起见，应理解，贯穿本申请“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其它步骤或元件。

Claims (14)

1.一种电动机械(3)的轴承结构(1)，所述电动机械(3)包括延伸穿过壳体(230)的驱动轴(23)，所述轴承结构(1)包括
- 围绕所述驱动轴(23)的前端(FE)布置的前端轴承(1F)，和
- 围绕所述驱动轴(23)的相对端部(BE)布置的后端轴承(1B)；
其中，轴承(1F, 1B)包括布置在所述驱动轴(23)与所述壳体(230)之间的环形空间(231, 232)中的多个轴承垫(10)，
其中，轴承(1F, 1B)由包含所述驱动轴(23)的旋转轴线(R)的水平平面(H)虚拟地划分成上半部(1F_u, 1B_u)和下半部(1F_l, 1B_l)，
其中，至少一个轴承(1F, 1B)包括轴承垫(10)围绕所述驱动轴(23)的不均匀分布，并且
其中，所述后端轴承(1B)在其上半部(1B_U)中比在其下半部(1B_l)中包括更多的轴承垫(10)。
2.根据权利要求1所述的轴承结构，其中，轴承垫(10)的不均匀分布包括在所述上半部(1F_u, 1B_u)和所述下半部(1F_l, 1B_l)中的不同数量的轴承垫(10)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的轴承结构，其中，所述前端轴承(1F)包括轴承垫(10)围绕所述驱动轴(23)的不均匀分布。
4.根据权利要求3所述的轴承结构，其中，所述前端轴承(1F)在其下半部(1F_l)中比在其上半部(1F_u)中包括更多的轴承垫(10)。
5.根据权利要求1或2所述的轴承结构，其中，前端轴承(1F)包括轴承垫(10)围绕所述驱动轴(23)的均匀分布。
6.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的轴承结构，其中，轴承(1F, 1B)关于包含所述驱动轴(23)的旋转轴线(R)的垂直平面(V)对称。
7.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的轴承结构，其中，轴承(1F, 1B)包括流体轴承。
8.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的轴承结构，其中，轴承(1F, 1B)包括滑动轴承。
9.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的轴承结构，其中，至少一个轴承(1F, 1B)包括被实现成将轴承垫(10)的接触表面按压到所述驱动轴(23)的外表面上的压力施加构件(11)。
10.根据权利要求9所述的轴承结构，其中，所述压力施加构件(11)包括布置在所述壳体(230)与轴承垫(10)之间的弹簧加载元件(11)。
11.根据权利要求9所述的轴承结构，其中，所述压力施加构件包括由马达驱动的致动器。
12.一种风力涡轮机(2)，其包括具有驱动轴(23)的发电机(3)，所述驱动轴(23)被布置成将旋转从所述风力涡轮机(2)的转子(22)传递到发电机转子，并且其还包括布置在所述驱动轴(23)与驱动轴壳体(230)之间的根据权利要求1至11中的任一项所述的轴承结构(1)。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述前端轴承(1F)包括十个流体轴承垫(10)，其中六个布置在其下半部(1F_l)中。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的风力涡轮机，其中，所述后端轴承(1B)包括十个流体轴承垫(10)，其中六个布置在其上半部(1B_u)中。
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