CN111566364A - 滚动轴承装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子轴的轴承装置，其中，该转子轴将设置有转子叶片的轮毂的转动传递至发电机，其中，该轴承装置包括轮毂侧滚动轴承元件(3)和发电机侧滚动轴承(4)，其中，轮毂侧滚动轴承设计为径向滚子轴承，并且发电机侧滚动轴承形成为三列式滚子转动连接件。

Description

滚动轴承装置
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子轴的轴承装置，其中，该转子轴将设置有转子叶片的轮毂的转动传递至发电机，其中，该轴承装置包括轮毂侧滚动轴承和发电机侧滚动轴承。
背景技术
风力涡轮机的转子轴在运行期间将转子叶片的转动传递至发电机，其中，由流动的空气所驱动的转子的转动被转换成电能。转子轴可以以不同的方式安装在风力涡轮机的座舱中。根据第一种安装理念，设置了在转子轴的轴向方向上彼此间隔开的两个轴承点，其中，在一个轴承点处设置浮动轴承，并且在另一个轴承点处设置固定轴承(固定/浮动安装件)。根据第二种安装理念，轮毂被旋拧到行星变速箱的内齿轮上，或者在无变速箱系统的情况下，被直接旋拧到发电机的转子上。在第二种安装理念的两种情况下，都只需要单个转矩轴承来安装转子轴，具有较低的总高度的该轴承可以吸收轴向力、径向力和倾斜转矩，并且将其引入风力涡轮机的座舱中。本发明针对上述的第一种安装理念，其中，两个滚动轴承在转子轴的轴向方向上彼此间隔开一定距离地设置，两个滚动轴承中的一者形成为浮动轴承并且另一者形成为固定轴承。
在现有技术已知的固定/浮动安装件中，转子轴基本水平地布置，并且可转动地安装在轴向间隔开的两个支撑点处。下面，两个相关的轴承根据其位置分别称为轮毂侧轴承和发电机侧轴承。轴的可转动安装件首先必须承受轴本身以及轮毂和转子叶片的固有重量，其次大部分还必须吸收由风引起的载荷。两种载荷都会在轴承中生成在径向方向和轴向方向上的倾斜转矩和力，其中，由于转子叶片的高重量，轮毂侧轴承必须承受大得多的载荷。此外，这些力导致转子轴的弹性变形。滚动轴承可以构造成使得转子轴的所述弹性变形由轴承补偿。
从现有技术中已知转子轴的这种安装件的技术实施例。为此，文献EP 2 871376B1描述了一种用于流体动力机械(例如，风力涡轮机)的安装件，其中，轴借助于固定轴承和浮动轴承可转动地安装。固定轴承包括两个自调心接触轴承，其中，多个桶形滚动元件各自相对于转动轴线倾斜地布置并且在两个弯曲滚道之间滚动。浮动轴承布置在距固定轴承一定轴向距离处，其中，另一组滚动元件在两个弯曲滚道之间滚动。借助于自调心的环形滚子轴承，产生了高度承受轴的挠曲和对准误差的轴承装置。然而，该装置的缺点相反地在于，这种顺应性安装件对于载荷引起的轴的变形仅提供很小的抵抗。因此，轴的变形必须由发电机吸收。此外，将环形滚子轴承用作浮动轴承导致其仅能够在有限的程度上吸收(例如由于热膨胀所引起的)轴的轴向运动。
发明内容
本发明所基于的目的在于，借助于合适的轴承构造来拦截轮毂侧轴承和发电机侧轴承上的不均匀的载荷分布，并且使轴的轴向膨胀保持较低。一个技术边界条件包括将轴承设计成在超过20年的使用期内能够可靠运行，并且为此，保持滚动元件与滚道之间的接触压力较低(特别是对于运行载荷而言，小于1500MPa)。经济和逻辑边界条件包括限制轴承的尺寸和重量。
该目的通过用于风力涡轮机的转子轴的轴承装置来实现，其中，该转子轴将设置有转子叶片的轮毂的转动传递至发电机，其中，该轴承装置包括轮毂侧滚动轴承和发电机侧滚动轴承，其中，轮毂侧滚动轴承形成为径向滚子轴承，并且发电机侧滚动轴承形成为三列式滚子转动连接件。
已经令人惊讶地发现，根据本发明的这两种轴承形式的组合允许最佳地适应于轮毂侧和发电机侧上的相应的特定载荷情况。轮毂侧滚动轴承主要承受轮毂和转子叶片的重量，并且因此经受较高的径向力。为了吸收这些力并且同时保持滚动元件与滚道之间的接触压力较低，较大的滚动元件长度是有利的。因此，待传递的径向力分布在相应较大的接触区域上，这也导致较低的表面压力。另一方面，发电机侧滚动轴承必须吸收比轮毂侧轴承更低的径向力，但反而经受附加的轴向载荷，并且必须将其传递至连接结构，从而使轴的发电机侧的端部关于轴向位置固定。由于轮毂关于轮毂侧支撑点悬垂，轮毂和转子叶片的重量还有风力生成了倾斜转矩，该转矩必须由轴承吸收并且还导致上述的弹性变形。
在根据本发明的轴承装置中，通过轮毂侧轴承和发电机侧轴承的相互作用产生关于轴的特定运动的耐受性，而其他运动受到有效的抑制。因此，轮毂侧径向轴承能够允许轴的轴向运动，而径向轴承抑制了例如由弯矩引起的径向位移，并且经由轴承反而将相应的载荷引入到连接结构中。发电机侧滚子转动连接件传递径向和轴向载荷两者，使得轴在发电机侧的端部处以这种方式在轴向方向上固定。为了使轮毂侧轴承和发电机侧轴承能够有利地以这种方式互相作用，需要使两个轴承对轴的运动的吸收能力相互匹配。以上面引用的文献EP 2 871 376B1作为起点，例如，仅用圆柱滚子轴承代替浮动轴承会导致浮动轴承与固定轴承之间的相互作用恶化，这是由于固定轴承的高灵活性允许轴的运动，这在浮动轴承中会导致无法被圆柱滚子轴承吸收的倾斜并且导致高压力或者甚至“边缘滚动”。这导致不可接受的高磨损。因此，显然，根据本发明的两个轴承的互相作用实现了期望的技术效果(对转子轴的某些运动的耐受性，而同时确保风力涡轮机的转子轴承所需的至少20年的使用寿命预期)。
为了描述滚动元件的布置以及所导致的径向和轴向载荷关系，考虑滚动轴承的压力角是有利的。每个滚动元件在至少两个相对的点处与两个轴承圈的滚道接触。这两个点限定了压力线，即滚动元件在两个圈之间传递压缩力所沿着的线。压力线与轴承的径向平面所围成的角被称为压力角，并且对于纯径向轴承，约为0°，而对于纯轴向轴承，约为90°。对于根据本发明的轮毂侧滚动轴承，径向力的传递是决定性的，使得该轴承中的压力角选择为尽可能较小，但是至少小于45°。另一方面，发电机侧轴承也必须吸收更高的轴向力，根据本发明，这是通过三列式滚子转动连接件来实现的。在滚子转动连接件中，轴向力和径向力各自由不同的滚动元件列来吸收。径向布置的滚动元件列的压力线基本径向向外指向，并且因此仅传递径向力。另一方面，轴向布置的滚动元件列的压力线平行于转动轴线并且仅传递轴向力。下述的轮毂侧轴承和发电机侧轴承的实施例各自可以彼此组合。
根据本发明的优选实施例，发电机侧滚动轴承形成为三列式滚子转动连接件。在此，径向力和轴向力由不同的滚子来传递。在两个列中，滚动元件布置成使得相关的压力线基本垂直于径向平面(压力角为90°)，而第三列滚动元件的压力线处于径向平面中(压力角为0°)。具有垂直于径向平面的压力线的第一命名列以最佳方式吸收轴向力，而具有指向径向方向的压力线的第三列传递径向力。该轴承装置的特征在于相对较低的刚度和较高的承载能力。
根据本发明的另一优选实施例，轮毂侧滚动轴承形成为圆柱滚子轴承。这种轴承形式特别有利地适合于承受较高的径向载荷，并且此外能够吸收轴向位移，例如，由温度变化所引起的轴膨胀形式的轴向位移。此外，特别是与球形滚动元件形式相比，圆柱滚动元件具有较低的滑移敏感性，这特别是在高载荷下减少了由此引起的磨损。
根据本发明的优选实施例，轮毂侧滚动轴承形成为多列式径向滚子轴承。不同列的滚子具有基本处于径向平面中的压力线，使得径向力以最佳的方式传递。为了避免滚动元件与滚道之间的高压力，需要在其之间形成尽可能大的接触表面。在根据本发明的实施例中使用了多列式轴承，而非借助于相应较长的滚动元件来实现这种接触表面。这些同样具有分布在多个列上的较大的总接触表面，但是另外还具有滚动元件的有效倾斜较低的优点。因此，有利地可以避免与倾斜相关的升高的局部接触压力，使得减少了材料磨损并且增加了使用寿命。根据特别优选的实施例，轮毂侧滚动轴承特别地形成为双列式滚子轴承。
根据优选实施例，滚动元件通过使用封闭保持架来引导。对这些保持架引导件的以下描述构成了轮毂侧滚动轴承和发电机侧滚动轴承的等同可能实施例。
根据优选实施例，滚动元件在封闭保持架的窗口中被引导。借助于引导，确保了相邻滚动元件之间的均匀距离，使得以这种方式特别地防止相邻滚动元件触碰。此外，因此有利地实现了载荷的均匀分布。在其旋转时暂时不会经受任何载荷的滚动元件在保持架窗口中被引导，而不会发生任何滑动运动或倾斜。
根据另一优选实施例，滚动元件在销式保持架中被引导。为此，滚动元件具有孔，横向固定到保持架的销被引入到孔中，使得滚动元件的位置和对准以具有极少游隙的可控方式被引导。因此，滚动元件可以有利地彼此跟随地紧密布置，而不会出现在其旋转时彼此触碰或卡住的危险。
在多列式的实施例中，根据本发明，优选地，相邻列的滚动元件可以由保持架的中心腹板分隔。这有利地防止了滚动元件由于倾斜而彼此在其端面处触碰或者卡住。
根据本发明的另一优选实施例，发电机侧滚动轴承和/或轮毂侧滚动轴承具有感应硬化的滚道。由于轮毂侧轴承和发电机侧轴承两者都经受高载荷，因此随着滚动元件的滚动，滚动元件和滚道会发生周期性的弹性变形。塑性变形作业随着时间的流逝会导致疲劳并最终损坏材料，为了防止消耗超出这些弹性过程的塑性变形作业，滚道通过感应工艺来进行硬化。首先，滚道的塑性变形能力大大降低，并且其次，减少了使材料磨损的磨耗，感应硬化工艺的优点在于，热量直接在材料中产生，而不必仅通过从表面开始的热传导来渗透到材料中。此外，以这种方式，可以在非常短的时间内进行高水平的加热。
根据另一优选实施例，发电机侧滚动轴承具有集成的轴承间隙密封件。因此，有利的是，首先可以防止润滑剂从轴承中逸出，并且其次，密封件可以防止污染物或异物进入轴承并在此导致损坏。
根据另一优选实施例，轴承装置还包括至少一个轮毂侧液体静压元件并且特别是滑动轴承。所列出的根据本发明的轴承装置的实施例可以与液体静压元件组合，该液体静压元件附加地支撑轮毂侧轴承并且影响轮毂侧径向力的减小。这种减小可以例如通过液体静压滑动轴承来提供。在这种轴承类型中，两个相对于彼此可转动地安装的圈通过液膜来分隔，使得圈在转动期间以极小的摩擦相对于彼此滑动。与流体动力轴承或润滑滚动轴承相反，将轴承圈分隔的液膜永久存在，并且即使在低转速或处于静止状态时也可以在轴承圈之间传递力，使得滚动轴承的磨损减少并且轴承装置的使用寿命增加。
根据本发明的优选实施例，轮毂侧滚动轴承形成为浮动轴承，并且发电机侧滚动轴承形成为固定轴承。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力涡轮机的转子轴的轴承装置。
图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的轮毂侧滚动轴承和发电机侧滚动轴承。
具体实施方式
图1以径向剖视图示意性地绘示了根据本发明的可能设计的用于风力涡轮机的转子轴的轴承装置。在风力涡轮机中，轮毂经由转子轴连接至发电机，轮毂的转动借助于此传递至发电机，并且在那里被转换为电能。根据本发明，轴借助于两个滚动轴承装置3和4可转动地安装。根据它们相对于轮毂和发电机的位置，两个滚动轴承装置3和4被称为轮毂侧轴承3和发电机侧轴承4。在图中，轮毂侧对应于左手侧，并且发电机侧对应于右手侧。
在该实施例中，轮毂侧轴承3由两列圆柱滚子5形成，这两列圆柱滚子在转动期间在两个轴承圈之间滚动。圆柱滚动元件基本在径向方向上在两个轴承圈之间传递力，并且因此最佳地适合于吸收由轮毂和转子叶片的重量产生的高径向力。
该实施例中的发电机侧滚动轴承4由三列式滚子转动连接件形成。滚子转动连接件包括三列圆柱滚动元件，其中一个滚子元件列在径向方向上传递力，而另外两个滚动元件列在轴向方向上传递力。
图2示意性地示出了根据本发明的可能实施例的轮毂侧滚动轴承3和发电机侧滚动轴承4。滚动轴承3和4均以径向剖面来图示出，其中，与图1相比，分别仅绘示两个截表面的上部，并且下部截表面相对于转动轴线对称地定位，在相应的滚动轴承的相对位置处镜像。
在该实施例中，轮毂侧轴承3由两列圆柱滚子5形成，圆柱滚子5在转动期间在两个轴承圈之间滚动。在卸载状态下，每个滚子5与两个滚道在两个彼此相对的点处形成线接触。载荷通过滚动元件内部的应力弯曲从一个接触点传递到相对的接触点。由于滚动元件5的位置和形状，所图示出的轴承3基本是纯径向轴承，使得接触点之间的应力基本径向地延伸，并且相关的压力线7同样指向径向方向。
在该实施例中，发电机侧滚动轴承4由滚子转动连接件4形成。这里，在两个轴承圈之间的力的传递由三列圆柱滚动元件6、6'来提供。在第一列中，圆柱滚动元件6平行于转动轴线布置，并且在两个轴承圈的两个径向间隔的滚道之间滚动。另一方面，另两列圆柱滚动元件6'垂直于转动轴线布置，并且各自在两个轴承圈的两个轴向间隔的滚道上滚动。在图中，另外绘示了所有滚动元件6、6'的压力线8、8'。第一列滚动元件6的压力线8指向径向方向，并且表示第一滚动元件列6的主传递方向，该第一滚动元件列在两个轴承圈之间传递径向力。另一方面，另两个滚动元件列的压力线8'平行于转动轴线延伸，并且表示滚动元件6'的主传递方向。由于纯轴向和纯径向压力线8、8'的组合，滚子转动连接件4可以有利地吸收两个方向上的力，并且因此不仅能够承受转子轴的重量，而且还可以拦截轴的轴向力，从而防止所述力传递到发电机。
附图标记表
3 轮毂侧滚动轴承
4 发电机侧滚动轴承
5 轮毂侧滚动轴承的滚动元件
6 发电机侧滚动轴承的径向布置的滚动元件
6' 发电机侧滚动轴承的轴向布置的滚动元件
7 轮毂侧滚动轴承的压力线
8 发电机侧滚动轴承的径向压力线
8' 发电机侧滚动轴承的轴向压力线

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机的转子轴的轴承装置，其中，所述转子轴将设置有转子叶片的轮毂的转动传递至发电机，其中，所述轴承装置包括轮毂侧滚动轴承(3)和发电机侧滚动轴承(4)，其特征在于，所述轮毂侧滚动轴承(3)形成为径向滚子轴承，并且所述发电机侧滚动轴承(4)形成为三列式滚子转动连接件。
2.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述轮毂侧滚动轴承(3)形成为多列式滚子轴承。
3.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述轮毂侧滚动轴承(3)形成为双列式滚子轴承。
4.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述轮毂侧滚动轴承(3)形成为圆柱滚子轴承。
5.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述轮毂侧滚动轴承(3)具有用于引导多个滚动元件的封闭的保持架。
6.根据权利要求5所述的轴承装置，其中，所述轮毂侧滚动轴承(3)的滚动元件(5)在所述保持架的窗口中被引导。
7.根据权利要求5所述的轴承装置，其中，所述轮毂侧滚动轴承(3)的滚动元件(5)布置成多列，并且所述列在所述保持架中由中心腹板分隔。
8.权利要求5上的轴承装置，其中，所述轮毂侧滚动轴承(3)的滚动元件(5)在销式保持架中被引导。
9.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述发电机侧滚动轴承(4)具有用于引导多个滚动元件的封闭的保持架。
10.根据权利要求9所述的轴承装置，其中，所述发电机侧滚动轴承(4)的滚动元件(6、6')在所述保持架的窗口中被引导。
11.权利要求9上的轴承装置，其中，所述发电机侧滚动轴承(4)的滚动元件(6、6')在销式保持架中被引导。
12.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述发电机侧滚动轴承(4)具有感应硬化的滚道和/或所述轮毂侧滚动轴承(3)具有感应硬化的滚道。
13.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述发电机侧滚动轴承(4)具有集成的轴承间隙密封件。
14.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述轴承装置还包括至少一个轮毂侧液体静压元件并且特别是滑动轴承。
15.根据前述权利要求中任一项所述的轴承装置，其中，所述轮毂侧滚动轴承(3)形成为浮动轴承，并且所述发电机侧滚动轴承(4)形成为固定轴承。
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