风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承

摘要

风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，衬套外表面呈凸形球面，轴承座内面呈凹形球面，衬套外球面与轴承座内球面滑动配合且跟踪主轴轴线的倾斜自动调位；衬套内表面均匀布设三排静压油腔，静压油腔的底端分别与设置在衬套壁内的供油通道连通，供油通道的入口设置在衬套的端面上；但当衬套带双向止推滚动轴承，入口则布置在轴承座上；衬套内表面分别以油腔为中心设置三个张角分别为120°的工作面，这三个工作面通过辅助装置使衬套在轴承座内进行自由地位置转换。衬套由多层金属构成。本发明应用摩擦学原理设计，充分满足风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承的要求，结构紧凑、可靠性高、使用寿命长、传动效率高，具有广泛地应用前景。

权利要求

1.风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，包括轴承座(1)、衬套(4)、三条供油通道、三排油腔，其特征在于：

所述衬套(4)的外表面呈凸形外球面结构，轴承座(1)的内表面呈凹形内球面结构，衬套(4)的外球面与轴承座(1)的内球面为滑动配合，跟踪主轴(10)轴线倾斜自动调位；

在衬套(4)的内表面上沿圆周均匀设置三排油腔，每排设有两个窄式油腔且轴向对称，即主静压油腔(12)、第一辅助润滑油腔(13)和第二辅助润滑油腔(14)；主静压油腔(12)、第一辅助润滑油腔(13)和第二辅助润滑油腔(14)的底端分别对应与结构相同位于衬套(4)壁内的径向主油流通道(5)、径向第一辅助油流通道(7)、径向第二辅助油流通道(9)连通；径向主油流通道(5)、径向第一辅助油流通道(7)、径向第二辅助油流通道(9)分别对应与设置在衬套(4)壁内结构相同的轴向主供油通道(3)、轴向第一辅助供油通道(6)和轴向第二辅助供油通道(8)相连通；轴向主供油通道(3)、轴向第一辅助供油通道(6)和轴向第二辅助供油通道(8)分别对应与均匀设置在衬套(4)端面上结构相同的三个入口相连；三个入口分别与外接供油系统的进油管相连；

轴向主供油通道(3)、轴向第一辅助供油通道(6)和轴向第二辅助供油通道(8)分别对应与三个结构相同、布设均匀、用于润滑的长细孔(11)的一端连通，三个长细孔(11)的另一端分别穿设衬套(4)，设置在衬套(4)的外壁；

上述衬套(4)的两侧装设双向止推滚动轴承或不装设双向止推滚动轴承。

2.根据权利要求1所述的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，其特征在于：上述衬套(4)内表面上分别以主静压油腔(12)、第一辅助润滑油腔(13)和第二辅助润滑油腔(14)为中心设置结构相同的三个张角分别为120°的工作面；即主工作面、第一辅助工作面和第二辅助工作面；通过辅助装置三排油腔/三个工作面的位置可自由调换。

3.根据权利要求1所述的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，其特征在于：上述衬套(4)由多层金属构成。

4.根据权利要求1所述的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，其特征在于：上述衬套(4)的两侧装有双向止推滚动轴承，在轴承座(1)的壁内设置结构相同布设均匀的三个进油孔(20)，进油孔(20)的进口设在轴承座(1)的外壁上，在轴承座(1)与衬套(4)的球面配合处的轴承座(1)上设置有结构相同布设均匀的三个供油池(19)，供油池(19)的底部与进油孔(20)的出口相连通，供油池(19)的上部与结构相同布设均匀的三个进油通道(21)的一端相连通，进油通道(21)的另一端分别与轴向主供油通道(3)及轴向第一、第二辅助供油通道(6)和(8)相连通。

5.根据权利要求1所述的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，其特征在于：上述衬套(4)的两侧装设有双向止推滚动轴承，所述双向止推滚动轴承为两个单向推力球轴承分置于衬套(4)的两侧；单向推力球轴承的轴圈或座圈的滚道形状为深沟球或角接触球沟道结构，相耦合的座圈或轴圈的滚道为宽沟平底型结构。

6.根据权利要求1所述的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，其特征在于：上述三个工作面进行转换，在轴承座(1)和衬套(4)上分别设置有螺孔，两个螺孔中分别装设有螺杆，大、小齿轮(22)、(23)分别与两个螺杆固定连接，大、小齿轮(22)、(23)相互啮合连接，通过大、小齿轮(22)、(23)的转动，衬套(4)在轴承座(1)内的位置进行自由转换。

说明书

风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承

技术领域

[0001] 本发明涉及的是轴承，是一种依据流体动压、静压联合作用的原理设计制造的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，从而在风机工作时，无论转速多低，甚至在停转时，都能在工作区域中形成一个完整的压力油膜，将轴与轴承的金属表面完全分开，形成纯液体摩擦且有自动调位性能的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承；原则上，它可以应用于一切要求大承载能力、长使用寿命、高可靠性的各类设备上。

背景技术

[0002] 风能的开发利用已成为清洁、可再生能源的新宠而风靡世界，风电产业迅猛发展。中国可开发能源总量为10亿千瓦，截止2007年底，中国风电机组的装机容量为590.6万千瓦，仅占可开发能源总量的0.6％，风电产业开发潜力巨大。中国的风力发电机的设计制造技术及配套水平都有了长足进步，国内的装机水平已达兆瓦级。

[0003] 兆瓦级的风力发电机属于大型风力发电机，双馈式异步发电机是当前的主导机型，风力机的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承是整个风力发电机的关键部件，它受力复杂、连续运转，要求长寿命(使用寿命20年)、高可靠性(无故障运行13万小时以上，可靠度95％以上)；且拆装非常困难(每次拆装都要把叶片、轮毂等先行拆装，费用一般在50-100万元之间)等，使之成为风力发电机的咽喉，决定了整机的能力。

[0004] 纵观世界风力发电场的实际运行情况，在投产4-5年后风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承就发生故障的不为鲜见。因而，提高调心滚子轴承性能、选用别种型式的滚动轴承或组合，甚或探索其他种类(原理)、结构的轴承，已势在必行且迫在眉睫。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承的重要性及现在使用中的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承种类单一且存在着寿命不长、可靠性不高、无法拆装等问题，而提供的一种依据流体静压、流体动压、流体静-动压原理而设计制造出来的使用寿命长、可靠性高、传动效率高，且具有三个可在线转换使用的工作面及自动调位的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承。

[0006] 采用的技术方案是：

[0007] 风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，包括轴承座、衬套、三条供油流通道和三排(每排两个)油腔，具有三个可在线转换使用的工作面及自动调位；所述衬套的外表面呈凸形外球面结构，轴承座的内面呈凹形内球面结构，衬套的外球面与轴承座的内球面滑动配合，但衬套不能在轴向与轴承座有相对移动，并在键的约束下，它也不能随轴转动，只能跟踪主轴轴线的倾斜，进行自动调位。

[0008] 在衬套内表面沿圆周方向均匀布设三排(共六个)油腔，每排有两个窄式油腔且轴向对称，按它们工作时所处的位置区分为：主静压油腔(即在工作时，处于承载区域，其油腔内通入较高压力的润滑油)、第一辅助润滑油腔和第二辅助润滑油腔(即在工作时，处于非承载区域，其油腔内通入较主静压油腔压力低的润滑油)；按图5之设定：主静压油腔、第一辅助润滑油腔和第二辅助润滑油腔的底端分别对应与结构相同位于衬套壁内的径向主油流通道、径向第一辅助油流通道、径向第二辅助油流通道连通，且它们分别与设置在衬套壁内结构相同的轴向主供油通道、轴向第一辅助供油通道和轴向第二辅助供油通道相连通，轴向主供油通道、轴向第一辅助供油通道和轴向第二辅助供油通道分别对应与均匀设置在衬套端面上结构相同的三个入口相连；三个入口分别与外接供油系统的进油管相连；

[0009] 轴向主供油通道、轴向第一辅助供油通道和轴向第二辅助供油通道分别对应与三个结构相同、布设均匀、用于润滑的长细孔的一端连通，三个长细孔的另一端分别穿设衬套，设置在衬套的外壁；

[0010] 上述衬套的两侧装设双向止推滚动轴承或不装设双向止推滚动轴承；衬套的两侧各装设一个单向推力球轴承，具有双向止推的能力，致使本风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承可以同时承受径向与轴向联合载荷；或衬套的两侧不装设双向止推滚动轴承，则风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承只能承受径向载荷。

[0011] 主油流通道、第一辅助油流通道和第二辅助油流通道入口的设置有两种方式：一是衬套不装设滚动止推轴承的，将三个入口设置在如上所述的衬套的端面上；二是衬套两侧装设滚动止推轴承的，将三个入口设置在轴承座上；对于衬套不带滚动止推轴承的，也可选择第二种设置方式。

[0012] 上述衬套内表面上分别以主静压油腔、第一辅助润滑油腔和第二辅助润滑油腔为中心设置结构相同的三个张角分别为120°的工作面(如图5所示；这120°是此类轴承工作时所形成的物理包容角，而本轴承的实际几何包容角远大于此)：即主工作面、第一辅助工作面和第二辅助工作面；这三个工作面是无实际界线的，当一个油腔处于承载区域时，它所在的工作面即主工作面。通过工作区域的在线转换辅助装置，可将衬套4在轴承座1内进行主、辅工作面(亦即主、辅油腔)位置的自由调换。

[0013] 这三排油腔/三个工作面是完全相同的，但以它们在工作时所处的位置，都可以成为主静压油腔/主工作面(即处于轴承的承载区域，油腔内将通入较高压力的润滑油)、辅助润滑油腔/辅助工作面；这三排油腔/三个工作面的位置，根据需要可在线自由调换。

[0014] 上述衬套采用多层金属集优式结构。

[0015] 上述衬套的两侧装有双向止推滚动轴承，在轴承座的壁内设置结构相同布设均匀的三个进油孔，进油孔的进口设在轴承座的外壁上，在轴承座与衬套的球面配合处的轴承座上设置有结构相同布设均匀的三个供油池，供油池的底部与进油孔的出口相连通，供油池的上部与结构相同布设均匀的三个进油通道的一端相连通，进油通道的另一端分别与轴向主供油通道及轴向第一、第二辅助供油通道相连通。

[0016] 上述衬套的两侧装设有双向止推滚动轴承，所述双向止推滚动轴承为两个单向推力球轴承分置于衬套的两侧；单向推力球轴承的轴圈或座圈的滚道形状为深沟球或角接触球沟道结构，相耦合的座圈或轴圈的滚道为宽沟平底型结构。

[0017] 上述三个工作面可借助一套简便的辅助装置进行转换，如图6所示，在轴承座和衬套上分别设置有螺孔，两个螺孔中分别装设有螺杆，大、小齿轮分别与两个螺杆固定连接，大、小齿轮相互啮合连接，通过大、小齿轮的转动，使衬套可在轴承座内的位置实行自由转换。

[0018] 本发明的原理及特点：

[0019] 本发明改变了当今世界上风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承只有一种类型的困窘局面，给风电机械制造业提供一个风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承的更大选择空间和改善性能的余地。

[0020] 本发明静-动压自位式主轴油膜轴承的工作原理是：在风机启动前开动静压(及辅助)润滑供油系统，将具有适当压力的润滑油经供油通道送进主静压油腔，将轴顶起，即在工作区域中形成一个完整的压力油膜，将轴与轴承的金属表面完全分开；而当主轴转动(一般工作转速为3-20rpm)后动压效应随之增强，静-动压联合效应形成，压力油膜变厚；故轴承始终处于纯液体摩擦状态，达到与滚动轴承同量级的摩擦系数；理论上讲(即在理想工况下)相对滑动表面无磨损，使用寿命很长；能很好地满足风力发电机的寿命长(使用寿命20年)、可靠性高(无故障运行13万小时以上，可靠度95％以上)、传动效率高的要求，尤其适用于大装机容量的风电机组选用。

[0021] 本发明静-动压自位式主轴油膜轴承，其衬套的球形外表面与轴承座的内球面滑动配合，当由于主轴偏斜而造成分布的油膜压力沿轴向不对称时衬套会实时跟踪转动，具有自动调位性能，自动消除在安装与工作中产生的不同轴误差确保运行安全。

[0022] 用一套简便的辅助装置即可以在轴承座内实行自由转换工作面(即主、辅油腔的转换)；这样，当轴承的当前主静压油腔发生故障(或工作面磨损)时可在短时停机内在线将一个辅助润滑油腔转入承载区域(接通静压供油，成为主静压油腔)投入正常运行。

[0023] 本发明静-动压自位式主轴油膜轴承，具有三个工作面，可在线进行转换，其使用寿命可达普通同类轴承的三倍；它的辅助润滑油腔对主轴的抬起有阻尼作用，使主轴运行更加平稳。

[0024] 本发明静-动压自位式主轴油膜轴承，在设计时，可以使静压、动压承载能力合理匹配，在运行中，实现它们间的自行调整(即指当动压承载增强时，静压供油压力也随之相应降低)，以及即使在纯动压工况下，也确保运行安全。

[0025] 本发明的设计依据是流体润滑力学原理，充分满足风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承的要求，结构合理、承载能力大、使用寿命长、可靠性高、传动效率高、实用性强，具有广泛地应用前景，适于风力发电机及其他重要设备采用。附图说明：

[0026] 图1为本发明衬套不带滚动止推轴承的结构示意图。

[0027] 图2为本发明带双向滚动止推轴承的结构示意图。

[0028] 图3为本发明专用的单向推力球轴承的结构示意图。

[0029] 图4为本发明衬套三个工作面的轴向剖面示意图。

[0030] 图5为图4的A-A向剖面示意图。

[0031] 图6为本发明调换衬套工作面使用的辅助装置示意图。

[0032] 图7为本发明主轴正常工作时油膜压力分布示意图。

[0033] 图8为本发明在主轴倾斜时衬套跟踪自动调位示意图。具体实施方式：

[0034] 实施例一

[0035] 风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承，包括轴承座1、衬套4、三条供油通道3、6、8和三排油腔12、13、14。

[0036] 设计时对轴承相对间隙(该间隙取为定值或变值，应视润滑油的可选黏度情况而定)及润滑油(主要是黏度、黏度指数VI与防冻性能)等进行合理选择，并在衬套4的内表面沿周向均布三排(每排两个)结构相同的油腔(如图1、图2、图4、图5所示，图4、图5为不带双向止推滚动轴承的衬套结构示意图)；一排为主静压油腔12(处于轴承的承载区域，油腔中将通入较高压力的静压润滑油)，另两排分别为第一辅助润滑油腔13和第二辅助润滑油腔14；主静压油腔12、第一辅助润滑油腔13和第二辅助润滑油腔14的底端分别与结构相同的、布设均匀的径向主油流通道5、径向第一辅助油流通道7、径向第二辅助油流通道9连通；径向主油流通道5、径向第一辅助油流通道7、径向第二辅助油流通道9分别与设置在衬套4壁内的结构相同的、布设均匀的轴向主供油通道3、轴向第一辅助供油通道
6和轴向第二辅助供油通道8相连通；主供油通道3、轴向第一辅助供油通道6和轴向第二辅助供油通道8的入口分别均匀设置在衬套4的一侧端面，如图4所示，主供油通道3的入口2设置在衬套4的一侧端面上。

[0037] 轴向主供油通道3、轴向第一辅助供油通道6和轴向第二辅助供油通道8分别对应与三个结构相同、布设均匀、用于润滑的长细孔11的一端连通，三个长细孔11的另一端分别穿设衬套4，设置在衬套4的外壁；

[0038] 当轴向主供油通道3通入具有一定压力(依据轴承载荷，经计算得到)的润滑油并送进主静压油腔12时，其静压效应形成，将主轴10顶起，在轴承的工作区域形成一个完整的静压油膜；而当主轴10具有3-20rpm左右的工作转速时，流体动压效应也已形成；至此，轴承中的流体静压、动压联合作用的效应(承载能力)也就建立起来了，在轴承工作区域中的承载油膜也比静压油膜更厚些；静压供油压力也随之相应降低。第一辅助润滑油腔13、第二辅助润滑油腔14位于衬套4的两侧上方，工作时，当主轴10抬起并靠近第一辅助润滑油腔13和/或第二辅助润滑油腔14时受到阻止，即对主轴10的运转起稳定作用。

[0039] 衬套4的外表面呈凸形外球面结构，轴承座1的内面呈凹形内球面结构，衬套4的外球面与轴承座1的内球面滑动配合，当主轴10的轴线与衬套4的轴线倾斜时，油膜压力沿轴向的分布也就不对称了，形成一个转动力矩(如图8所示)，衬套4在这个转动力矩的作用下，在轴承座1内作跟踪转动，这就实现了自动调位。

[0040] 衬套4采用多层金属集优式结构，整体刚性好、工作表面性能，包括抗磨性能、减磨性能、抗固体颗粒污染性能以及抗腐蚀性能等都很好，适应风电机风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承的工作与环境要求。

[0041] 衬套4内表面上分别以主静压油腔12、第一辅助润滑油腔13和第二辅助润滑油腔14为中心设计、制造出沿周向三个张角分别为120°的工作面(120°是该类轴承正常工作时所形成的物理包容角，这个区域亦为有效工作区域)，这三个工作面分别为主工作面、第一辅助工作面和第二辅助工作面(这三个工作面没有界线，只是为它们保有足够的有效工作区域)；这三个工作面可借助一套简便的辅助装置进行转换，如图6所示，在轴承座1和衬套4上分别设置有螺孔，两个螺孔中分别装设有螺杆，大、小齿轮22、23分别与两个螺杆固定连接，大、小齿轮22、23相互啮合连接，通过大、小齿轮22、23的转动，使衬套4可在轴承座1内的位置实行自由转换，即当决定更换主静压油腔时，就能在短时停机内将第一辅助润滑油腔13或第二辅助润滑油腔14转入工作区域，成为主静压油腔(油腔中将通入较高压力的静压润滑油)；这样，轴承的使用寿命将因此而再延长两倍。

[0042] 实施例二

[0043] 如图2所示，该实施例充分利用衬套4的外球面与轴承座1的内球面为滑动配合的结构特点，主轴油膜轴承的衬套能够附带双向止推滚动轴承，使其具有径向与轴向联合承载能力。

[0044] 该实施过程与实施例一完全相同，所不同的是由于它附带双向止推滚动轴承而改变了静压润滑油的流通路径，即将实施例一的入口2用螺堵18堵死(其实，它是工艺孔；见图2及图3)，在轴承座1内设置结构相同布设均匀的三个进油孔20，进油孔20的进口设在轴承座1外壁上，在轴承座1与衬套4的球面配合处的轴承座1上设置有供油池19，供油池19的底部与进油孔20的出口相连通，供油池19的上部与进油通道21的一端相连通，进油通道21的另一端与主供油通道3相连通。静压润滑油由进油孔20进入供油池19，经进油通道21进入主静压油腔12。供油池19的作用：一是在衬套作跟踪转动时保证供油畅通；
二是为衬套4与轴承座1的球面滑动配合处提供润滑油，等同于实施例一中的长细孔11。

[0045] 双向止推滚动轴承为两个单向推力球轴承，分置于衬套4的两侧，该单向推力球轴承的座圈16与衬套端面加工出的内孔配合(不旋转)，轴圈15与轴配合(旋转)，滚动体17位于座圈16和轴圈15之间；这是一个特殊设计制造的单向推力球轴承，它的轴圈(或座圈)的滚道形状按深沟球或角接触球沟道设计制造，而相耦合的座圈(或轴圈)的滚道形状则设计制造成宽沟平底型(参见图3)。

[0046] 本发明主轴油膜轴承的润滑油为单独的供油系统供给，其黏度可选范围为ISO VG 100，150，220，320，460；如果，轴承共用增速器齿轮箱内的齿轮油，也只共用油箱，也必须有专用的供油系统，实行单独供油。中负荷工业齿轮油(GB5903--86)，其黏度可选范围为ISO VG 100，150，220，320，460，黏度指数≥90；若采用重负荷工业齿轮油(Q/SH018.3215--90)，其黏度可选范围为ISO VG 150，220，320，460，黏度指数≥95；可以共用。润滑油，必须满足轴承在-40℃～+40℃工作的环境温度要求。

[0047] 应用本发明静-动压自位式主轴油膜轴承，可以设计、制造出一个能更好地适应当今世界上不断升级的兆瓦级大容量风力发电机要求的承载能力大、使用寿命长、可靠性高、传动效率高的风力发电机静-动压自位式主轴油膜轴承。