CN111386402A - 水力发电单元的轴承垫和带有此类轴承垫的水力发电单元 - Google Patents

Abstract

一种用于水力发电机单元的轴承的轴承垫(16)包括聚合物部分(11、12)和金属基部(14)，其组合以构成所述轴承垫(16)。通过使聚合物部分为单独的聚合物板(11、12)，通过使金属基部为背衬板(14)，以及通过将所述聚合物板(11、12)可移除地附接到所述背衬板(14)，简化和加速在轴承故障情况下的维护。

Description

水力发电单元的轴承垫和带有此类轴承垫的水力发电单元

技术领域

本发明涉及水力发电单元，诸如水力发电机。它涉及根据权利要求1的前序部分的用于水力发电单元的轴承垫。

它还涉及带有此类轴承垫的水力发电单元。水力发电单元在本领域中也可称为水力发电机。

背景技术

本发明涉及水力发电机单元的轴承。例如，文献WO 2004/001241 A1公开一种用于旋转机器(特别是水力发电机)的转子的轴承，其围绕竖直旋转的轴线旋转。所述轴承体现为滑动轴承，且包括用于轴向支承的第一器件和用于径向支承的第二器件。由于所述轴承，实现简化且改进的轴承性能，使得结合第一器件和第二器件以形成组合的径向和轴向轴承，其同时包括轴向滑动表面和径向滑动表面。

通常，为该目的使用聚合物涂覆的轴承。例如，文献WO 2013/178266 A1公开一种滑动轴承，该滑动轴承具有在其圆周上基本一致的分层结构，且包括基部、无铅滑动层(在边缘区中具有与边缘区之间的中心区相比减小的厚度)和聚合物涂层(与中心区相比，其在边缘区中较厚，使得涂层的表层如轴向截面中看到的那样基本是平的)。这在边缘区中产生涂层材料的一种储器，该储器对于其中轴承和轴变得“适于彼此”的阶段期间的初始磨损是特别有用的。这有利地增加对边缘咬粘的抗性，且导致轴(诸如曲轴)相对于轴承的改进的对准。

关于聚合物涂覆轴承的现有技术水平的设计基于金属背衬与聚合物自身之间的机械锚固。这些设计使用烧结青铜(bronze)、软钎焊丝网或在轴承的背衬部分中机加工的细小凹槽阵列。所有这些解决方案的共同特征是，一旦产生此类中间层，将聚合物在高温和高压下压制到其中。该过程在金属材料与聚合物材料之间产生机械连接。此类技术的主要缺点是它高度的复杂性以及因此高的最终产品成本。它需要若干步骤和专用设备以便产生最终产品。这增加成本且限制潜在供应商的数量。此类专用设备限制可使用给定技术实现的最大尺寸。一旦两个构件结合，无法在不破坏连接的情况下断开它们，使得在由于磨损或轴承咬粘造成滑动表面损坏的情况下无法更换聚合物层。

图1至图3中示出可在行业中找到的典型的现有技术结合接口：

图1示出烧结青铜类型的现有技术轴承的截面图。金属基部30a与聚合物层32a之间的结合通过呈烧结层形式的结合器件31a来实现。

图2示出软钎焊丝网类型的现有技术轴承的截面图。这里，金属基部30b与聚合物层32b之间的结合通过呈丝网形式的结合器件31b来实现，该结合器件31b在一侧处软钎焊到金属基部30b且在另一侧上嵌入聚合物层中。

图3示出凹槽矩阵类型的现有技术轴承的截面图。金属基部30c包括作为结合器件31c的凹槽矩阵，聚合物层32c接合到该凹槽矩阵中。

例如，US 6,332,716 B1公开一种复合轴承，其中衬背金属结合到树脂层，在该树脂层中聚四氟乙烯(PTFE)添加到基本由聚醚醚酮组成的基部树脂中，使得聚四氟乙烯的比例变为0.1至50%(按基于树脂层的重量)且聚四氟乙烯在基部树脂中呈颗粒形式分散。

文献US 5,229,198公开一种低摩擦轴承材料，该材料包括由丝网筛形成的矩阵，该丝网筛熔合至金属背衬片。聚四氟乙烯或其它聚合树脂填充筛内以及筛与背衬片之间的间隙，且将自身牢固地锁定到筛和背衬片，以便给予轴承材料高强度。

文献US 2005/0260431 A1描述一种复合材料，该复合材料用于滑动轴承中且包括金属支撑物和具有开放结构的至少一种增强材料。所述支撑物和增强材料借助于金属连接来连接到彼此。覆盖物(其为基于聚乙烯(PE)的层)作为额外层设在增强材料上。

发明内容

本发明的目标在于提供一种用于轴承垫的聚合物板，该轴承垫适于水力发电机单元的轴承。本发明的另一目标在于提供一种轴承垫，特别是用于水力发电机单元的轴承的轴承垫，该轴承垫是聚合物板垫设计的简化途径，其允许降低聚合物涂覆垫的制造成本，同时增进它们的主要优点，诸如在混合润滑状况下的高热机械强度和低磨损。

本发明的另一目标在于提供一种带有此类轴承垫的水力发电机单元。

根据本发明的第一方面，提供一种轴承垫，优选为适于水力发电机单元的轴承的轴承垫，其可称为流体力学(hydrodynamic)轴承垫。轴承垫优选地包括聚合物部分且优选地包括金属基部。聚合物部分和金属基部可组合以构成所述轴承垫。聚合物部分可为单独的聚合物板。金属基部可为背衬板，且聚合物板可以可移除地附接到背衬板。

根据本发明的实施例，聚合物板可以以第一侧可移除地附接到背衬板的第二侧。凹穴或凹部可设在背衬板的第二侧中。聚合物板可包括基板，且优选地包括在第一侧上从基板突出的偏移部。偏移部可装配到背衬板的第二侧中的凹穴中。偏移部可允许与凹穴或凹部互补地装配。

聚合物板的基板可在所有侧处从偏移部凸出，使得聚合物板的偏移部由厚度减小的密封条包绕。

聚合物板和背衬板可具有相同的边缘轮廓。

聚合物板的边缘可相对于背衬板的边缘向中心偏移。

根据本发明的另一实施例，提供至少一个螺栓来将聚合物板固定在背衬板上它的位置中。

特别地，多个螺栓可以以分布式布置提供。

此外，锁定器件可设在聚合物板的边沿处，该锁定器件可与背衬板的凹穴的侧壁相互作用。

特别地，锁定器件可包括沿着所述聚合物板的边沿延伸的键和槽的接头。优选地，可移除的固定板可设在轴承垫的一侧处，当所述固定板移除时，该固定板可允许聚合物板通过滑入从该一侧插入，且当固定板紧固到背衬板时，该固定板可闭合凹穴且可将聚合物板固定在凹穴中其滑入位置中。

固定板可紧固到背衬板，优选地借助于固定螺钉。

根据本发明的另外的方面，提供一种水力发电机单元，该水力发电机单元可配备有分段式轴承，其可包括多个轴承垫，由此根据本发明来构造轴承垫。

在本发明的一个示例中，聚合物部分可至少部分地由聚醚醚酮(PEEK)制成。PEEK是在材料强度方面带有有利性能(使PEEK优于其它聚合物)的优选材料。在另一示例中，聚合物部分可至少部分地由聚四氟乙烯(PTFE)制成。该聚合物可具有至少一种填充物。聚合物部分可由不同等级的聚合物和不同聚合物的组合物制成。在本发明的另外的示例中，至少一种填充物可为碳纤维和/或石墨。

根据本发明的另外的方面，提供一种适于与轴承垫的背衬板配合的聚合物板，其中该聚合物板优选地包括基板和从该基板突出的偏移部。优选地，偏移部布置成装配到背衬板中的互补凹穴中。聚合物板的基板可从偏移部凸出，使得聚合物板的偏移部由厚度减小的密封条包绕。

根据本发明的另外的方面，提供一种流体力学轴承垫，其可包括聚合物板且优选地包括背衬板。聚合物板优选地包括基板和从基板突出的偏移部。优选地，偏移部布置成装配到背衬板中的互补凹穴中。聚合物板的基板可从偏移部凸出，使得聚合物板的偏移部由厚度减小的密封条包绕。

根据本发明的聚合物板形成使得它在其边缘周围与由偏移部限定的区域相比较薄。由于该布置，板在其边缘周围具有较高的刚度。板在其内部区域内更有弹性，使得它比板的边缘更能变形。

变形性上的差异允许当板与背衬板接合时轴承处于轴承负载下时在板的表面中产生润滑油可流入的凹的凹部或凹穴。凹穴增加保持流体力学油膜压力的能力，且增加轴承的负载能力。特别地，凹穴减小沿着轴承垫的侧边缘的油损失，且沿着轴承垫的侧边缘的密封更好。

因此，本发明有利地使密封条能够在轴承周围产生，允许较高的负载能力和/或较大的操作安全裕度。

应了解的是，如对技术人员将容易明显的，本发明的上述方面或实施例中任一个的方面、实施例和特征中的一个或多个可容易组合。

附图说明

现在借助于不同的实施例且参照附图来更接近地解释本发明。

图1示出烧结青铜类型的现有技术轴承的截面图；

图2示出软钎焊丝网类型的现有技术轴承的截面图；

图3示出凹槽矩阵类型的现有技术轴承的截面图；

图4示出根据本发明的实施例的聚合物板的侧部透视图；

图5示出与图4的聚合物板组合的可移除的相应背衬垫的侧部透视图；

图6示出关于组合图4的聚合物板和图5的背衬垫的轴承垫的上侧的侧部透视图；

图7示出关于组合图4的聚合物板和图5的背衬垫的轴承垫的下侧的侧部透视图；

图8示出根据本发明的另一实施例的轴承垫，其中图8(a)是顶视图，图8(b)是截面图，且图8(c)示出垫的边缘区域的细节；

图9示出根据本发明的另外的实施例的轴承垫，其中图9(a)是底视图，且图9(b)是截面图；以及

图10示出根据本发明的另外的实施例的轴承垫锁定器件，其中图10(a)示出成脱离构造的锁定器件，且图10(b)示出成接合构造的锁定器件。

具体实施方式

本发明的聚合物板垫设计是简化途径，其允许降低关于聚合物涂覆垫的制造成本，同时增进它们的主要优点，诸如在混合润滑状况下的高热机械强度和低磨损。

根据本发明，聚合物板放置于在钢背衬垫内机加工的凹穴中。聚合物板特征为与凹穴精确装配的偏移部，导致两个部分牢固地互锁连接。在操作中，即使在极端条件(例如轴承咬粘)下，板周围的摩擦和接触力足以将板保持在适当位置。

根据本发明的聚合物板设计的第二重要特征可为垫边界周围的密封条。由于它较低的厚度(较高的刚度)，它在润滑膜压力下变形(比边界内的较厚板)较小。该效应允许产生凹的凹穴形状的润滑膜，其保持压力且增加轴承的承载能力。

图4至图7示出根据本发明的轴承垫的第一实施例。因为图6和图7的轴承垫16是环形环状轴承的节段，轴承垫16的外轮廓接近梯形。轴承的主要部分是聚合物板10(图4)和金属背衬垫13(图5)。

背衬垫13包括背衬板14，背衬板14带有设在它上侧上的凹部或凹穴15。可机加工出的凹穴15在该示例中具有恒定的深度且在背衬板14的上侧的大部分区域上延伸，而仍由小边沿包绕，其中背衬板14的材料未移除。然而，在本发明的范围内，凹穴的其它构造(特别是带有不同深度的构造)是可能的。

聚合物板10包括第一厚度的基板11，该基板11带有第二厚度的偏移部12，第二厚度添加至所述第一厚度。所述偏移部12的边缘轮廓和第二厚度使得当聚合物板10上下颠倒地与所述背衬板14(图6和图7)组合时，偏移部12精确地装配到背衬板14的凹穴15中。基板11具有与背衬板14相同的形式和延伸部，使得实现完美的装配。偏移部12和凹穴15的边缘轮廓具有圆形边缘，以避免任何缺口效应。

当聚合物板10和背衬板14如图6中示出的那样组合时，聚合物板10的偏移部12由第一厚度的小边沿包绕，该小边沿用作密封条11a。如之前解释的，由于它较低的厚度(较高的刚度)，它在润滑膜压力下变形小于较厚的偏移部分。该效应允许产生凹的凹穴形状的润滑膜，其保持压力且增加轴承的承载能力。

图4的简单偏移聚合物板10可用胶(未示出)固定在背衬板14上，作为防止沿向上方向分离的备用解决方案。

另外或作为备选，在轴承垫17(图8)中，带有基板19、偏移部20和密封边沿19a的聚合物板19、20可(在边缘处)用(四个)螺栓21固定到背衬板18，作为防止沿向上方向分离的备用解决方案。图8中示出的螺柱孔22用于安装轴承垫17。

此外，如图9中示出的，聚合物板25与轴承垫23接合且由锁定器件25b可移除地固定。密封条25a和聚合物板的偏移部的侧壁与背衬板24的所述凹穴的侧壁相互作用。锁定器件优选地包括沿着聚合物板25的边沿延伸的键和槽的接头29。可移除的固定板26设在轴承垫23的一侧处，当固定板26移除时，该固定板26允许所述聚合物板25通过滑入从所述一侧插入。当固定板26借助于(两个)固定螺钉28紧固到背衬板24时，固定板26然后闭合所述凹穴且将聚合物板25固定在所述凹穴中其滑入位置中。再者，螺柱孔27设在背衬板24中，以用于安装轴承垫23。另外，可提供螺纹孔33以用于构造的额外固定。

备选的锁定器件125b在图10(a)中以脱离状态示出，且在图10(b)中以接合状态示出。聚合物板125与背衬板垫124接合，且由备选的锁定器件125b可移除地固定。聚合物板125的偏移部112的侧壁126的面不垂直于聚合物板125的平面，而是以角度α倾斜。优选地，角度为1.4°。

凹部115的侧壁127也倾斜以匹配聚合物板125的侧壁126，使得聚合物板125可通过推配合(push-fit)来固定到背衬垫124。

聚合物板125的高度h优选为8mm，且凹部115的深度d优选为4mm。倾斜部分的宽度优选为0.1mm。

大体上，在本发明内，机加工或固定在基板上的销、肋、铆钉和其它类似的接头(其可防止聚合物板横向移动和从基板分开)可在引入聚合物板(其必须装配到此类基板表面)之前提供。

上述列出的变型的任何组合可在本发明内使用。所公开的轴承垫适用于推力轴承和导向轴承。

总之，新解决方案特征为单独的背衬板和滑动表面构件，其在例如维护期间可容易分离。关于聚合物涂覆轴承的现有技术水平的设计基于金属背衬与聚合物自身之间的机械锚固。这些设计使用烧结青铜、软钎焊丝网或在轴承的背衬部分中机加工的细小凹槽阵列。所有这些解决方案的共同特征是，一旦产生此类中间层，将聚合物在高温和高压下压制到其中。一旦两个构件结合，无法在不破坏连接的情况下断开它们，在由于磨损或轴承咬粘造成滑动表面损坏的情况下无法更换聚合物层。

因此，所提出的解决方案的主要优点是：

•简化的设计，其导致较低的制造成本，同时保持产品相等的物理性能。基于原型的成本，与当前产品相比，估计成本降低等于50%。

•简化和加速在轴承故障情况下的维护-在损坏的情况下仅需要更换聚合物板。

•所提出的聚合物板设计可容易扩展。最终产品的尺寸仅受市场上可用的原材料的最大尺寸所限制。

•所提出的聚合物板设计的重要优点是垫边界周围的密封条。由于它较低的厚度(较高的刚度)，它在润滑膜压力下变形(比边界内的较厚板)较小。该效应允许产生中心凹的凹穴形状的润滑膜，其保持压力且增加轴承的承载能力。

•简化制造过程。

•该解决方案允许在轴承故障的情况下容易更换聚合物层。

参考标号列表

10、19、25 聚合物板

11、19 基板

11a 密封条

12、20 偏移部

13 背衬垫

14、18、24 背衬板

15 凹穴

16、17、23 轴承垫

19a 密封条

21 螺栓

22、27 螺柱孔

25a 密封条

25b 锁定器件

26 固定板

28 固定螺钉

29 键和槽的接头

30a、30b、30c 金属基部

31a、31b、31c 结合器件

32a、32b、32c 聚合物层

33 螺纹孔。

Claims (15)

1.用于水力发电机单元的轴承的轴承垫(16、17、23)，所述轴承垫(16、17、23)包括：

聚合物部分(10、19、25)和金属基部(14、18、24)，其组合以形成所述轴承垫(16、17、23)，其中所述聚合物部分是单独的聚合物板(10、19、25)，所述聚合物板(10、19、25)包括：

基板(11、19)和从所述基板(11、19)突出的偏移部(12、20)，

其中所述金属基部是背衬板(14、18、24)，且所述聚合物板(10、19、25)可移除地附接到所述背衬板(14、18、24)；

其特征在于，

所述聚合物板(10、19、25)的所述基板(11、19)在所有侧处从所述偏移部(12、20)凸出，使得所述聚合物板(10、19、25)的所述偏移部(12、20)由厚度减小的密封条(11a)包绕。

2.根据权利要求1所述的轴承垫，其特征在于，所述聚合物板(10、19、25)以第一侧可移除地附接到所述背衬板(14、18、24)的第二侧，凹部(15)设在所述背衬板(14、18、24)的所述第二侧中，且所述偏移部(12、20)在所述第一侧上从所述基板(11、19)突出，所述偏移部(12、20)装配到所述背衬板(14、18、24)的所述第二侧中的所述凹部(15)中。

3.根据任何前述权利要求所述的轴承垫，其特征在于，所述聚合物板(10、25)和所述背衬板(14、24)具有相同的边缘轮廓。

4.根据任何前述权利要求所述的轴承垫，其特征在于，所述聚合物板(19)的边缘相对于所述背衬板(18)的边缘向中心偏移。

5.根据任何前述权利要求所述的轴承垫，其特征在于，提供至少一个螺栓(21)来穿过所述背衬板(18)延伸到所述聚合物板(19)中，以将所述聚合物板(19)固定在所述背衬板(18)上它的位置中。

6.根据权利要求5所述的轴承垫，其特征在于，多个螺栓(21)以分布式布置提供。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的轴承垫，其特征在于，提供锁定器件(25b)来将所述聚合物板(25)可移除地固定到所述背衬板(24)。

8.根据权利要求7所述的轴承垫，其特征在于，所述锁定器件(25b)包括沿着所述聚合物板(25)的边沿延伸的键和槽的接头(29)，且可移除的固定板(26)设在所述轴承垫(23)的一侧处，当所述固定板(26)移除时，所述固定板(26)允许所述聚合物板(25)通过滑入从所述一侧插入，且当所述固定板(26)紧固到所述背衬板(24)时，所述固定板(26)闭合所述凹穴且将所述聚合物板(26)固定在所述凹穴中其滑入位置中。

9.根据权利要求8所述的轴承垫，其特征在于，所述固定板(26)借助于固定螺钉(28)紧固到所述背衬板(24)。

10.根据任何前述权利要求所述的轴承垫，其特征在于，所述聚合物部分至少部分地由聚醚醚酮(PEEK)制成。

11.根据任何前述权利要求所述的轴承垫，其特征在于，所述聚合物部分至少部分地由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

12.根据任何前述权利要求所述的轴承垫，其特征在于，所述聚合物具有至少一种填充物。

13.根据权利要求12所述的轴承垫，其特征在于，至少一种填充物是碳纤维和/或石墨。

14.水力发电机单元，所述水力发电机单元带有分段式轴承，其包括多个轴承垫，其特征在于，所述轴承垫根据权利要求1至13中任一项来构造。

15. 一种适于与轴承垫的背衬板接合的聚合物板，其中所述聚合物板包括：

基板；以及

偏移部，所述偏移部从所述基板突出，

其中所述偏移部布置成装配到所述背衬板中的互补凹部中，且所述聚合物板的基板从所述偏移部凸出，使得所述聚合物板的偏移部由密封条包绕，所述密封条具有比所述偏移部的厚度小的厚度。

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