CN110966149A

CN110966149A - 用于风力涡轮机的轴承装置、风力涡轮机及其制造方法

Info

Publication number: CN110966149A
Application number: CN201910949133.6A
Authority: CN
Inventors: M.默斯克杰尔
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2020-04-07
Also published as: US20200102939A1; EP3633190B1; ES2904643T3; EP3633190A1; DK3633190T3

Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的轴承装置、风力涡轮机及其制造方法。一种用于风力涡轮机（1）的轴承装置（7），包括基架（13）、安装到所述基架（13）的支撑结构（17）、轴（9）、能够围绕轴轴线（8）旋转地支撑所述轴（9）的轴承（26、27）以及相应地支撑所述轴承（26、27）中的一个的轴承座（24、25），其中，所述轴承座（24、25）被安装在所述支撑结构（17）的相反面（22、23）上，所述面（22、23）相对于所述轴轴线（8）面向轴向方向（x、‑x）。所述轴承装置提供高的弯曲刚度。同时，轴承座中的轴承可容易地接近，例如用于维护。

Description

用于风力涡轮机的轴承装置、风力涡轮机及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的轴承装置、一种风力涡轮机以及一种用于制造该轴承装置的方法。

背景技术

在风力涡轮机中，轴承装置被用于支撑例如将转子连接到发电机的主轴。在风力涡轮机的操作期间，该主轴经受很大的载荷。由于这个原因，主轴通常具有1m和更大的直径。

现有技术的轴承装置通常具有以下说明的两种构造之一。

根据第一构造，支撑主轴的两个轴承被收容在单独的轴承座中。每个轴承座都用螺栓固定到处于风力涡轮机的机舱内的基架（bed frame）。

根据第二构造，支撑主轴的两个轴承被收容在单个座中。该单个座用螺栓固定到基架。

与所述第一构造相关联的缺点在于，其在围绕相对于主轴的旋转轴线成直角延伸的水平轴线弯曲方面很弱。所述第二构造的缺点在于，例如出于维护目的，其难以接近轴承和相应的密封件。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种改进的轴承装置、一种改进的风力涡轮机以及一种用于制造轴承装置的改进的方法。

因此，提供了一种用于风力涡轮机的轴承装置。所述轴承装置包括基架、安装到所述基架的支撑结构、轴、能够围绕轴轴线旋转地支撑所述轴的轴承以及相应地支撑所述轴承中的一个的轴承座（bearing housing），其中，所述轴承座被安装到所述支撑结构的相反面，所述面相对于所述轴轴线面向轴向方向。

通过设置所述支撑结构，绕垂直于所述轴轴线的水平轴线弯曲的刚度增加。特别地，通过使用所述支撑结构将轴承连接到彼此，并且将所述支撑结构连接到基架，以因此形成单个单元，提高了所述轴承装置的刚度。所述单个单元优选地将所有转子弯曲载荷传递到基架。

将轴承座安装在支撑结构的轴向面上还允许对轴承座的更均匀的支撑，该支撑围绕每个轴承座的整个周界或其至少一部分分布，而不是传统的点支撑。

同时，由于轴承座被安装在支撑结构的轴向面上，因此轴承和相应的密封件可容易地接近。这简化了组装和维修，特别是轴承密封件的更换。

优选地，所述支撑结构通过多个螺栓来安装到基架。

所述轴可具有例如大于1m的直径。

所述轴承可被构造为滚子轴承或滑动轴承。球面轴承是优选的。

例如，设置两个或更多个轴承。例如，轴承中的一个是固定轴承，并且另一个轴承是浮动轴承。

所述轴轴线可水平地或基本上水平地定向。这将包括与水平轴线多达20°的偏差。

所述支撑结构的所述面优选地是环形的。优选地，所述环具有圆形形状。优选地，所述轴承座各自直接抵靠相应的面定位。紧固轴承座的螺栓可穿过相应的轴承座延伸到相应的面中。

在其他实施例中，螺栓被紧固在与相应的面相邻的位置处。这样的位置可形成为布置在圆线上的螺纹孔。所述圆线具有例如大于相应面的外参数（outer parameter）的直径。

所述轴承座可通过所述支撑结构仅仅连接到基架。也就是说，从轴承座到基架的任何力流都通过所述支撑结构运行。在轴承座和基架之间不存在其他连接。

风力涡轮机是将风的动能转换成电能的设备。例如，风力涡轮机包括：具有一个或多个叶片的转子；包括所述轴承装置的机舱；以及塔架，该塔架在其顶端处保持所述机舱。

根据一个实施例，所述面被布置在所述支撑结构的相对端部处。

这使得接近所述轴承座、并且因此接近所述轴承甚至更加容易。

根据另一实施例，所述面背离所述支撑结构的几何中心。

例如，可在观察沿所述轴轴线剖切所述支撑结构的剖面时确定所述几何中心。所述几何中心可以是第一对称线和第二对称线相交的点。例如，第一对称线与所述轴轴线共线。例如，第二对称线是相对于所述轴轴线垂直定向的线。

根据另一实施例，所述轴承座优选地利用平行于所述轴轴线延伸的螺栓来螺栓固定到所述面。

这样的螺栓易于接近，例如当在轴承上进行维护工作时易于接近。

根据另一实施例，所述轴延伸穿过所述支撑结构。

例如，所述轴将使风力涡轮机的转子与风力涡轮机的发电机连接。因此，布置在转子和发电机之间的支撑结构将仅沿所述轴延伸所述轴的总长度的一部分。

根据另一实施例，所述支撑结构的在垂直于所述轴轴线的线上截取的剖面具有闭合的几何形状。具有闭合的几何形状的剖面的示例是环形或多边形形状。圆环形状可能是优选的。

所述支撑结构的这种构造进一步提高了弯曲刚度。

根据另一实施例，所述支撑结构具有径向开口。

这样的径向开口可减轻所述支撑结构的重量，同时仅略微减小其弯曲刚度。

根据另一实施例，所述支撑结构由铸铁制成。

由此，所述支撑结构制造便宜。

根据另一实施例，所述支撑结构由单件制成，即，其一体地形成。

因此，所述支撑结构易于制造且刚硬。在其他实施例中，所述支撑结构例如可由螺栓固定在一起的两件制成。例如，该两件可形成为上壳体和下壳体，每个壳体例如具有半圆形的剖面。

根据另一实施例，所述轴承座由钢制成。

例如，所述轴承座可由钢坯加工而成，或者通过锻造制成。所述钢可以是高合金钢。使用这样的钢座会显著降低微动磨损（fretting）的风险，并且消除对套筒、涂层等的需要。

根据另一实施例，所述支撑结构通过一个或多个支脚来连接到所述基架。优选地，上面提到的力流通过所述支脚。

根据另一实施例，所述基架被连接到偏航轴承。

由此，所述基架被可旋转地支撑。例如，所述偏航轴承可继而连接到风力涡轮机的塔架。

根据另一方面，提供了一种风力涡轮机，其包括如本文所述的轴承装置。

根据一个实施例，所述风力涡轮机包括转子和发电机。所述轴承装置的轴将所述转子与所述发电机连接。

这包括如下布置，即：其中，所述轴使用耦接件、例如缩紧盘耦接件来耦接到齿轮箱。所述齿轮箱又可通过另一个轴来连接到所述发电机。因此，所述轴可直接或间接地连接到所述发电机。

根据另一方面，提供了一种用于制造前述轴承装置的方法，所述方法包括：

a）使所述轴站立，其中其轴轴线竖直定向，以及

b）将所述支撑结构下降到所述轴之上，并且通过所述轴承座将所述轴承安装到所述支撑结构的相反面。

根据一个实施例，在步骤b）之前，所述轴承特别是通过热收缩来安装到竖直定向的轴。

根据一个实施例，所述轴承座中的第一个被安装到所述轴承中下部的一个，所述支撑结构在所述轴之上下降到所述轴承座中的所述第一个上，所述轴承座中的第二个被安装到所述轴承中上部的一个和/或所述轴承座中的所述第二个被安装到所述支撑结构。

特别地，所述轴承座中的所述第一个被安装到所述轴承中下部的一个，其后所述支撑结构在所述轴之上下降到所述轴承座中的所述第一个上，其后所述轴承座中的所述第二个被安装到所述轴承中上部的一个，并且其后，所述轴承座中的所述第二个被安装到所述支撑结构。

当前关于轴承装置描述的实施例同样适用于用于制造所述轴承装置的方法，并且反之亦然。

本发明的其他可能的实施方式或替代方案还包括本文未明确提及的上文所述或下文关于实施例所述的特征的组合。本领域技术人员还可以向本发明的最基本形式添加个别或孤立的方面和特征。

附图说明

结合附图，通过后续的描述和从属权利要求，另外的实施例、特征和优点将变得显而易见，附图中：

图1是根据一个实施例的风力涡轮机的透视图；

图2是根据一个实施例的轴承装置的透视图；

图3是从图2的轴承装置截取的纵向剖面图；以及

图4示出了一流程图，该流程图图示了根据一个实施例的用于制造根据图2和图3的轴承装置的方法。

在附图中，除非另有指示，否则相同的附图标记标示相同或功能上等同的元件。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施例的风力涡轮机1。

风力涡轮机1包括转子2，其连接到布置在机舱3内的发电机38。机舱3被布置在风力涡轮机1的塔架4的上端处。

转子2包括例如三个转子叶片5。转子叶片5被连接到风力涡轮机1的轮毂6。这种转子2可具有例如范围从50米至160米或甚至更大的直径。转子叶片5经受高的风载荷。因此，高载荷作用在将轮毂6连接到发电机38的主轴（图1中未示出）上。

图2示出了如在图1中所示的风力涡轮机1中使用的轴承装置7。该轴承装置7在图2中以透视图示出。图3图示了轴承装置7的剖面。该剖面沿轴轴线8（参见图2）截取。该轴轴线8是当转子2驱动发电机38时轴承装置7的主轴9旋转所围绕的轴线。

主轴9将轮毂6（参见图1）连接到耦接件10。该耦接件10可以是缩紧盘耦接件。耦接件10将主轴9连接到齿轮箱11。该齿轮箱11被连接到发电机38（参见图1）。

主轴9可被构造为中空轴，并且可包括用于连接到轮毂6（参见图1）的法兰12。

图2还示出了轴承装置7的基架13。该基架13例如通过螺栓14来连接到偏航轴承（未示出）。电动机15相应地驱动齿轮16。齿轮16与连接到塔架4的齿圈（未示出）啮合。因此，通过电动机15的作用，基架13能够围绕基本上对应于塔架4（参见图1）的竖直轴线的偏航轴线偏航。

轴承装置7还包括支撑结构17，其例如由铸铁制成。

根据该实施例并且在图3中最佳地看到，支撑结构17具有沙漏形状，其沿轴轴线8在中间具有最小直径D1，并且沿轴轴线8在其相应的端部18、19处具有最大直径D2。

支撑结构17具有为圆环形状的剖面（沿垂直于轴轴线8的线截取），从而在内部限定了中空空间20，主轴9延伸通过该中空空间20。支撑结构17的壁厚度t例如可沿轴轴线8而变化。

此外，支撑结构17还可在其壁中包括通孔，以减轻重量。一个这样的通孔仅出于说明的目的在图3中示出，并且通过附图标记21来表示。

支撑结构17在其相应的端部18、19处具有面22和23。该面22、23面向沿轴轴线8由x和–x表示的相反方向。面22、23具有圆环形状。面22、23背离支撑结构17的几何中心G。在该示例中，支撑结构17的几何中心G处于支撑结构17关于其对称的对称线S1、S2的交点处。线S1与轴轴线8同轴。线S2相对于线S1成直角延伸。可以其他方式很好地限定几何中心G。

支撑结构7还包括轴承座24、25。轴承座24、25由钢、特别是高合金钢制成。轴承座24、25可机加工或锻造而成。每个轴承座24、25在内部支撑轴承26、27。

轴承26、27可形成为滑动轴承或滚子元件轴承，特别是球面轴承。一个轴承，例如轴承25，可形成为固定轴承，而另一个轴承，例如轴承24，形成为浮动轴承。

轴承座24、25中的至少一个可包括肩部28或其他装置，以将轴承26、27沿轴轴线8保持就位。其中，轴承座24、25支撑每个轴承24、25的相应外圈29。相应的内圈30被固定到主轴9。内圈30可通过例如热收缩来固定到主轴9，如关于图4更详细地解释的。处于外圈29和内圈30之间的滚子元件在图3中通过附图标记31来表示。

轴承座24用螺栓固定到面22，并且轴承座25用螺栓固定到支撑结构17的面23。例如，每个轴承座24、25具有在其中形成的若干个孔。例如，这些孔沿圆线C隔开（当在沿轴轴线8的方向上观察时，参见图2）。每个螺栓32穿过轴承座24、25中的相应孔33，并且旋入到面22、23内的相应螺纹孔34中。螺栓32的相应头部未在图3中示出。螺栓32相对于轴轴线8平行地延伸。因此，螺栓32促使每个轴承座24、25直接抵靠相应的面22、23定位。

现在返回到图2，可以看到，支撑结构17在任一侧上包括支脚35、36，因此总共包括四个支脚。每个支脚35、36通过螺栓37螺栓固定到基架13。基架13可形成有槽或类似物以接收支脚35、36。

因此，轴9在其长度的一部分上延伸穿过支撑结构17，同时在支撑结构17的相对端部处通过轴承26、27来支撑。因此，当弯曲力矩被施加于主轴9时，轴承26、27、轴承座24、25以及支撑结构17形成抵抗所述力矩的刚性单元。由所述力矩产生的所有力都经由支撑结构17的支脚35、36传递到基架13中。不存在轴承26、27直接在基架13处的单点支撑。因此，所有力都需要流过支脚35、36。

同时，轴承座24、25以及因此轴承26、27可从外部容易地接近，例如，用于进行维护，例如更换轴承26、27上的密封件等。

图4图示了用于制造图2和图3的轴承装置7的方法。

在第一步骤100中，使主轴9直立，其中其轴轴线8竖直定向。例如，在该位置，主轴9立在其法兰12上，该法兰12用作工厂地面上的支脚。

在步骤200中，轴承26、27被各自加热，并且随后，沿轴轴线8从上方向下移动到它们相应的位置。在那些位置处，轴承26、27冷却，并且因此，热收缩到主轴9上。为此，下部轴承26比上部轴承27具有更大的内径。

在步骤300中，轴承座24被装配到下部轴承26。

在步骤400中，支撑结构17沿轴轴线8从上方（例如，用起重机保持在那里）下降，直到下部面22抵靠轴承座24定位。例如，在该位置处，下部轴承座24通过螺栓32连接到支撑结构17（步骤500）。

在步骤600中，上部轴承座25被装配到下部轴承27。此时，上部轴承座25抵靠支撑结构17的上部面23定位。其后，上部轴承座25通过螺栓32螺栓固定到支撑结构17（步骤700）。

在步骤800中，由主轴9、支撑结构17、轴承座24、25以及轴承26、27构成的单元被转动到水平位置，并且被提升到基架13上。在该位置，支撑结构17的支脚35、36通过螺栓37螺栓固定到基架13。其后，耦接件10被装配到主轴9。然后，齿轮箱11被安装在基架13上并连接到耦接件10。

尽管已根据优选实施例描述了本发明，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，在所有实施例中修改都是可能的。

Claims

1.一种用于风力涡轮机（1）的轴承装置（7），包括基架（13）、安装到所述基架（13）的支撑结构（17）、轴（9）、能够围绕轴轴线（8）旋转地支撑所述轴（9）的轴承（26、27）以及相应地支撑所述轴承（26、27）中的一个的轴承座（24、25），其中，所述轴承座（24、25）被安装在所述支撑结构（17）的相反面（22、23）上，所述面（22、23）相对于所述轴轴线（8）面向轴向方向（x、-x）。

2.如权利要求1所述的轴承装置，其特征在于，所述面（22、23）被布置在所述支撑结构（17）的相对端部（18、19）处。

3.如权利要求1或2所述的轴承装置，其特征在于，所述面（22、23）背离所述支撑结构（17）的几何中心（G）。

4.如权利要求1至3中任一项所述的轴承装置，其特征在于，所述轴承座（24、25）优选地利用平行于所述轴轴线（8）延伸的螺栓（32）来螺栓固定到所述面（22、23）。

5.如权利要求1至4中任一项所述的轴承装置，其特征在于，所述轴（9）延伸穿过所述支撑结构（17）。

6.如权利要求1至5中任一项所述的轴承装置，其特征在于，所述支撑结构（17）的在沿垂直于所述轴轴线（8）的方向的线上截取的剖面具有闭合的几何形状。

7.如权利要求1至6中任一项所述的轴承装置，其特征在于，所述支撑结构（17）具有径向开口（21）。

8.如权利要求1至7中任一项所述的轴承装置，其特征在于，所述支撑结构（17）由铸铁制成。

9.如权利要求1至8中任一项所述的轴承装置，其特征在于，所述轴承座（24、25）由钢制成。

10.如权利要求1至9中任一项所述的轴承装置，其特征在于，所述支撑结构（17）通过一个或多个支脚（35、36）来连接到所述基架。

11.一种风力涡轮机（1），包括如权利要求1至10中任一项所述的轴承装置（7）。

12.如权利要求11所述的风力涡轮机，还包括转子（2）和发电机（38），其中，所述轴承装置（7）的轴（8）将所述转子（2）与所述发电机（38）连接。

13. 一种用于制造如权利要求1至10中任一项所述的轴承装置（7）的方法，包括：

a）使（100）轴（9）站立，其中其轴轴线（8）竖直定向，以及

b）将支撑结构（17）下降（400、500、700）到所述轴（9）之上，并且将轴承座（24、25）安装到所述支撑结构（17）的相反面（22、23）。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤b）之前，轴承（26、27）特别是通过热收缩来安装到竖直定向的轴（9）。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述轴承座（24、25）中的第一个被安装到所述轴承（26、27）中下部的一个，所述支撑结构（17）在所述轴（9）之上下降到所述轴承座（24、25）中的所述第一个上，所述轴承座（24、25）中的第二个被安装到轴承（27）中上部的一个，和/或所述轴承座（24、25）中的所述第二个被安装到所述支撑结构（17）。