用于流體機械應用的軸承裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于流體機械應用的軸承裝置，比如用于風力渦輪機裝置、水渦輪機裝置或推進渦輪機裝置。更具體地，所述軸承裝置包括沿軸向定位的軸承位置和沿軸向非定位的軸承位置，它們能夠支撐軸向載荷并且限制軸比如流體機械應用的轉子軸的軸向運動。
[0002]此外，本發(fā)明還涉及一種流體機械應用，比如風力渦輪機裝置、水渦輪機裝置或推進渦輪機裝置，包括具有沿軸向定位的軸承位置和沿軸向非定位的軸承位置的軸承裝置。
【背景技術】
[0003]在流體機械應用的領域中，對提高構成流體機械系統(tǒng)的部件的耐用性和操作的需求日益增加。在本發(fā)明的上下文中，術語“流體機械應用”指的是可以從流體(液體或氣體)的連續(xù)移動流中提取能量的任何裝置。由于流體機械應用將能量從流體傳遞至轉子，并且通常設置有流體所穿過的旋轉部件，所以流體機械應用應能支撐徑向力以及相當大的軸向力，如在該流體機械應用的轉子軸的方向上所觀察。來自流體流的能量通過一個或多個渦輪機被轉換成旋轉軸的機械能。在這種類型的應用中，旋轉部件通常指的是轉子，其設有成組的葉片。
[0004]流體機械應用的一個示例是風力渦輪機裝置。流體機械應用的其他示例是水輪機裝置和推進渦輪機裝置。取決于流體機械應用的目的，工作流體可以是液體或氣體。
[0005]為了支撐轉子的旋轉運動，這種類型的裝置通常設有一個或多個軸承。由于風力渦輪機的大尺寸和重量，支撐轉子軸和風力渦輪機葉片的軸承的載荷承載能力和性能非常重要。其結果是，該軸承必須以正確的方式對準和定位，以避免對構成軸承的部件造成不必要的磨損。
[0006]通常，對于水平的或接近水平的轉子軸類型的風力渦輪機來說，該軸承裝置必須支撐軸向載荷和徑向載荷，其中，所述軸向載荷是指操作過程中從渦輪機葉片傳遞的軸向載荷以及由轉子軸和渦輪機葉片裝置的重量所產生的軸向載荷，渦輪機葉片裝置通常安裝有相對于水平面的傾斜角，以便減少在渦輪機葉片和風力渦輪機塔架之間碰撞的危險。
[0007]此外，各部件的重量和大小以及轉子裝置在塔狀結構中的位置增加了風力渦輪機的制造、安裝及維修成本。特別地，將承載滾動軸承連接至轉子軸及支撐結構既笨重又昂貴，通常涉及部件(比如要被安裝的滾動軸承的內圈)的加熱技術，以便提供合適的連接和預應力，同時保持高水平的精度來確保滾動軸承相對于該軸和/或支撐結構的正確對準和定向。其結果是，安裝過程既復雜又耗時，并且經(jīng)常需要輔助設備用于加熱和對準控制測量。另外，在迄今已知的解決方案中，將承載滾動軸承從轉子軸或者從支撐結構拆卸是又麻煩又費時。換句話說，轉子裝置和軸承的安裝和拆卸通常需要高級應用工程，同時對系統(tǒng)的周邊部分提出了高品質要求。
[0008]此外，為了確保軸承能夠在極端條件下操作而沒有大量的維護，軸承的相關部分比如滾道可能須經(jīng)受熱處理工藝，例如硬化過程，以便承受高接觸應力和疲勞破壞。
[0009]常用于流體機械應用比如風力渦輪機裝置的軸承的一個示例是球面滾子軸承。球面滾子軸承設置有球形幾何形狀，允許軸在操作期間(即在軸旋轉時)自對準。通過自對準，旋轉軸的旋轉軸線的角度對準可相對于軸承改變，使得軸相對于殼體的角運動是允許的。
[0010]在轉子軸裝置的操作過程中，旋轉軸的軸向運動必須進一步受到滾子軸承限制，以便提供平滑的操作并且減少對所連接的和/或周圍的設備比如齒輪箱等的磨損和損壞。任何過度的軸向間隙可能會大大降低應用裝置的壽命時間。
[0011]此外，為了提供球面滾子軸承的合適耐用的軸向定位功能，可以增加球面滾子軸承的幾何形狀的大小和徑向尺寸。通過增加大小和徑向尺寸，相對于旋轉軸軸線的滾子和滾道之間的接觸角增大。
[0012]通常認為，相似的條件和要求不僅可應用于風力渦輪機裝置，而且也可以應用于水渦輪機裝置和推進渦輪機裝置。
[0013]因此，用于涉及軸向定位的滾子軸承的流體機械應用的迄今已知的軸承解決方案被認為是相對于例如徑向載荷承載能力來說遭受超安全標準設計。同樣地，這些軸承中的許多都是非緊湊的，包括大軸承設計，以提供足夠的軸向載荷承載能力。這樣，這種類型的軸承被認為在流體機械裝置中占據(jù)了寶貴的空間。此外，由于高材料成本，生產較大的軸承都更加的貴，而高軸承質量可能對操作效率產生負面影響，例如增加了裝置的轉動慣量。
[0014]因此，仍然需要一種簡單的軸承裝置，其對周圍部分的精度要求較小并且對應用工程精力的要求降低，同時保持承受來自流體機械應用的轉子軸的徑向和軸向載荷的高承載能力。

【發(fā)明內容】

[0015]鑒于現(xiàn)有技術的上述及其他缺點，本發(fā)明的總體目的是提供一種用于流體機械應用的改進的且堅固的軸承裝置以及一種包括這種軸承裝置的流體機械應用。所述軸承布置允許軸承裝置相對于轉子軸和/或支撐轉子軸的支撐結構的改進的安裝/拆卸。
[0016]這些及其它目的通過在獨立權利要求中所提供的主題而得以滿足。本發(fā)明的優(yōu)選實施例陳述在從屬權利要求中。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于具有沿軸向定位的軸承位置和沿軸向非定位的軸承位置的流體機械應用的軸承裝置。所述沿軸向定位的軸承位置包括第一角自對準接觸軸承，其布置成靠近第二角自對準接觸軸承，用于定位防止軸在軸向方向(A)上的運動。所述第一角自對準接觸軸承具有由滾子形成的第一組滾動元件，所述滾子布置成第一列并且介于第一彎曲內滾道和第一彎曲外滾道之間，其中，每個滾子是對稱的圓筒形滾子，具有與所述第一彎曲內滾道和第一彎曲外滾道可接合的彎曲滾道接觸面。此外，所述第一角自對準接觸軸承的每個滾子相對于軸的軸向方向傾斜第一接觸角α2。由此，所述滾子布置成與所述第一彎曲內滾道和第一彎曲外滾道合作，用于支撐軸向力匕和徑向力F2。類似地，所述第二角自對準接觸軸承具有由滾子形成的第二組滾動元件，所述滾子布置成第二列并且介于第二彎曲內滾道和第二彎曲外滾道之間，其中，每個滾子是對稱的圓筒形滾子，具有與所述第二彎曲內滾道和第二彎曲外滾道可接合的彎曲滾道接觸面。此外，所述第二角自對準接觸軸承的每個滾子相對于軸的軸向方向傾斜第二接觸角α-由此，第二組滾動元件的滾子布置成與所述第二彎曲內滾道和第二彎曲外滾道合作，用于支撐軸向力匕和徑向力f2。另外，所述第一角自對準接觸軸承的每個滾子相對于所述第二角自對準接觸軸承的每個滾子是傾斜的，使得第一角自對準接觸軸承的第一壓力中心偏移于第二角自對準接觸軸承的第二壓力中心。所述沿軸向非定位的軸承位置布置成與所述沿軸向定位的軸承位置間隔開，如在軸向方向(A)上所看到的那樣。
[0018]如下面所討論，本發(fā)明的一個功能是，本發(fā)明的軸承裝置可以容納局部內部未對準，比如圈的絞擰，這反過來又保證了不會有任何過度的邊緣接觸應力。
[0019]通過本發(fā)明的原理，可以提供一種改進的且更緊湊的流體機械應用，例如風力渦輪機裝置、水渦輪機裝置或推進渦輪機裝置。該流體機械應用在某種意義上是緊湊的，也就是該軸承功能可以布置在其中并且作為一個單個的軸承裝置系統(tǒng)解決方案。通過將根據(jù)本發(fā)明的軸承裝置布置在流體機械應用例如風力渦輪機轉子軸裝置中，提供了一種改進的緊湊技術解決方案，用于有效地支撐所述軸的徑向力和軸向力。這是特別由沿軸向非定位的軸承和沿軸向定位的軸承的具體配置以及這樣的布置來實現(xiàn)的，也就是沿軸向非定位的軸承位置布置成與沿軸向定位的軸承位置間隔開，如在軸向方向A上所看出。由于該軸承裝置包括兩個軸承模塊(即，沿軸向非定位的軸承位置和沿軸向定位的軸承位置)，所以本發(fā)明是一種雙點懸浮系統(tǒng)，也就是說，其在與第二支撐點間隔開的第一支撐點支撐風力渦輪機轉子軸裝置。
[0020]在另一實施例中，所述軸承裝置是三點(3點)懸浮系統(tǒng)。例如，非定位的軸承位置可以是非定位的齒輪箱(例如，風力渦輪機中的齒輪箱)，由此齒輪箱提供了非定位的功能，即齒輪箱是在軸的軸向方向上是可動的，并且由此被設計成不容納任何軸向力，但僅容納徑向力。例如，齒輪箱可以是行星齒輪箱，其由軸承比如圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承或由本領域技術人員認識到的任何其它合適的軸承支撐。
[0021]另外，通過提供所述第一角自對準接觸軸承的每個滾子和所述第二角自對準接觸軸承的每個滾子相對于軸向方向是傾斜的，并且所述第一角對準接觸軸承的第一壓力中心偏移于所述第二角自對準接觸軸承的第二壓力中心，可以保持軸承裝置的尺寸為最小，而不影響軸承裝置和/或流體機械應用的功能。這是通過提供沿軸向定位的軸承來實現(xiàn)的，該軸承具有明顯的傾斜接觸角，即所述第一角自對準接觸軸承和所述第二角自對準接觸軸承的傾斜接觸角。
[0022]因此，所述軸承裝置通常布置成用于在轉子軸的兩個不同且間隔開的支撐點支撐流體機械應用的軸。
[0023]此外，通過使沿軸向定位的軸承的接觸角傾斜，該軸承裝置能夠保持軸向載荷承載能力，同時可以減小沿軸向定位的軸承的軸向寬度與徑向延伸。這樣，可以減少所組裝的流體機械應用例如所組裝的風力渦輪機裝置的機艙重量的重量。
[0024]例如，分別通過提供具有傾斜接觸角的兩個角接觸軸承，外滾道的法線方向，或者外滾道的整個滾子接觸面，相對于轉子軸的軸向方向是傾斜的。
[0025]要進一步指出的是，根據(jù)第一角自對準接觸軸承和第二角自對準接觸軸承的所描述配置中的任何一個的角自對準接觸軸承有時也可以表示為SAT (自對準環(huán)面)軸承。
[0026]通過沿軸向定位的軸承位置的配置，包括第一角自對準接觸軸承和第二角自對準接觸軸承，提供了具有不同壓力中心的兩個自對準軸承，這導致裝置能夠容納內部局部未對準，比如軸承圈的絞擰。換句話說，通過將兩個角自對準接觸軸承放在一起，該裝置能夠容納局部內部未對準。
[0027]然而，要注意的是，沿軸向定位的軸承位置本身并不認為相對于所述軸(轉子軸)是自對準的。
[0028]由于角自對準接觸軸承的特性，同例如SRB (球面滾子軸承)相比，間隙更小，從而導致沿軸向的不易活動的布置。
[0029]因此，通過該軸承裝置的配置，可以定位流體機械應用的轉子軸，防止在軸向方向A上運動。特別地，該軸承裝置能夠支撐軸向力匕和徑向力F2。這樣，軸承裝置允許定位轉子軸的軸向位置和徑向位置。
[0030]因此，該軸承裝置配置成容納轉子軸與殼體之間的局部未對準，而不增加摩擦或減小軸承裝置的使用壽命。
[0031]通過沿軸向非定位的軸承位置在軸承裝置中的配置，可以進一步支撐徑向力F2。要注意的是，沿軸向非定位的軸承在沿軸向非定位的軸承位置中的配置不能夠支撐軸向力
F1O
[0032]另外，由于軸承裝置的配置，其特別適于支撐流體機械應用的旋轉運動(即旋轉扭矩)。因此，該軸承裝置配置成容納所述轉子軸與殼體之間的局部未對準，而沒有顯著地增大摩擦或減小軸承裝置的使用壽命。
[0033]另外，通過所述軸承裝置的配置，由于軸的剛性并且因此軸的重量可能會降低，轉子軸裝置的重量可進一步降低。這是通過沿軸向定位的軸承位置來實現(xiàn)的，因為在支撐點引起角度偏差的轉子軸的彎曲變形可以得到補償，至少在微觀層面上。此外，機艙框架的彎曲變形可通過沿軸向定位的軸承位置而得到局部補償。
[0034]術語“自對準”是指，角自對準接觸軸承的外圈和內圈之間的角位移(偏移)可被容納，而不會對角自對準接觸軸承的性能造成至關重要的負面影響。因此，術語“自對準”是指，內圈和外圈可相對于角自對準接觸軸承的旋轉軸線發(fā)生角位移。角自對準接觸軸承的每一個的自對準功能通過在滾子和內外滾道之間具有彎曲接觸面而被提供，其允許轉子軸相對于流體機械應用的殼體結構的角度偏差的補償。
[0035]然而，應當容易理解的是，兩個角自對準接觸軸承的配置并沒有提供普通的自對準軸承，而是提供了容納所述軸承的局部或內部未對準的可能性。因此，可大大降低軸承裝置的殼體結構在安裝至機艙框架并且相對于其被固定時的對準要求。例如，減小的對準要求允許轉子軸裝