一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构

1.本发明涉及风电发电领域，特别是涉及一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构。


背景技术：

2.在风力发电机组中，主轴轴承的质量直接影响着风力发电机组的工作性能、工作寿命和整机的运行稳定性及可靠性。目前，风电机组上主轴通常采用滚动轴承作为支撑件，而滚动轴承常不能达到计算寿命，高故障率极大的提升了拆卸更换的成本，且提高了风电机组的停机时间。受到转子的重量、推力和各种扭转力矩的风电场的复杂风况影响，使得轴承不免面对主轴弯曲和振荡的情况，主轴轴承需要直面较大的径向力和倾覆力矩，且具备一定的自调心性能。
3.随着近些年“以滑代滚”的提出，为主轴轴承设计开拓了新的思路，滑动轴承的多瓦块结构使得轴承的分段更换成为了可能。然而，现有的主轴承滑动轴承技术中仍蕴含着瓶颈问题，主要有以下几点：
4.1、无论是在陆上风电场或是陆上风电场中，整机的庞大尺寸和偏远地域环境都加大了拆卸成本，需要提出新型轴承结构设计方案，在不拆卸传动系统和转子的情况下更换轴承。
5.2、风电主轴由于受倾覆力矩和自身重量的耦合作用，多产生强弯曲变形行为，为使得主轴在弯曲时保证正常旋转工作，对支撑件的自调心性能提出了要求。
6.3、随着风电机组正朝着大型化，离海化的趋势发展，整机正步向高集中化，高功率密度，高紧凑度转型升级，如何有效提高风电整机的功率密度是轴承设计中面临的一大难题。
7.4、风电主轴轴承承受沿轴方向水平作用的风载荷，和转子和叶片在内的部件的重量垂直于轴的径向载荷。这会导致靠近轮毂侧排的负载较低，而齿轮箱侧排可能会过载，针对这一特色受载情况，需要对轴承结构进行优化设计。


技术实现要素：

8.为了克服现有的风电机组用主轴滚动轴承的寿命短、拆卸成本高等问题，提供一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构。“v”字形滑动轴承由“非对称”性前端轴承和后端轴承构成。前端轴承与后端轴承与所述箱体接触面上，均匀分布多个瓦块。前端轴承与后端轴承有由顶片，垫块和波形弹性构件组成的波形弹性结构设计。前端轴承相对于箱体有等距润滑间距。后端轴承相对于箱体有不润滑等距间距。前端轴承相对于后端轴承有相同轴承径向高度。轴承相对于后端轴承有不同轴承轴向长度。前端轴承相对于后端轴承布置有不同波形弹性结构尺寸。
9.本发明的有益效果为：
10.1、通过在滑动轴承上设计多瓦块结构形式，可以在发生轴承失效问题时，不移动转子，不拆卸其余传动装置，仅需轴承瓦片的更换便可实现轴承的高效率高可靠维修，有效
提升风电机组运行效率，有效控制设备维修成本。
11.2、通过在主轴滑动轴承设计波形弹性结构，可以在发生轴承弯曲问题时，自我调节轴承与箱体的润滑间隙，保证主轴传动系统平稳高效运行，实现轴承的自调心。
12.3、通过设立两列式主轴滑动轴承结构形式，取代传统多滚动轴承支撑结构形式，有效缩短主轴方向轴向距离，采用风电主轴系统高紧凑构型设计，完成风电机组高功率密度转型优化。
13.4、通过主轴滑动轴承“非对称”结构设计，改变两侧轴承承载情况，面向风电工况具体受力情况，实现两侧不等承载力的高效利用，有效减少实际运行中轴承单侧失效行为。
附图说明
14.图1是风力发电机的示意图；
15.图2是风力发电机的截面示意图；
16.图3是主轴用滑动轴承支承系统全局剖面图；
17.图4是主轴用滑动轴承支承系统局部剖面图；
18.图5是主轴用滑动轴承间隙侧剖面图；
19.图6是主轴用滑动轴承弹性支撑结构剖面图；
20.图7是主轴用滑动轴承弹性支撑结构斜视图；
21.图8是主轴用滑动轴承弹性支撑结构展开图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。本发明实施例包括以下部分：
23.图1为风力发电机的示意图，主要由叶片2、轮毂3、机舱4、塔架5和基底6等组成。风力发电机1通过风力带动叶片2旋转，进而在轮毂3处将风轮的力和力矩进行传递，叶片2和轮毂3两者构成了叶轮8，这直接关联风机功率的大小。机舱4由塔架5支撑，沿着旋转轴7向前端抬起，与水平线成小角度。该设计可防止叶片2撞击塔架5，缩短风力涡轮机主轴的延伸长度。基底根据陆上和海上两种不同的环境特征，具备不同的搭建方式。
24.图2为风力发电机的截面示意图，主轴用滑动轴承支承系统与滚动轴承支承系统相比，只需设立一个主轴轴承支座9，极大程度上减少了旋转轴7方向上的轴向占用位置。主轴10通过涨紧套联轴器11与低速轴12相连，增速齿轮箱13内部设置了机械传动系统，可将低速轴12的高转矩输入，转换为高速轴14的低转矩输出，高速轴14经锁紧盘及膜片联轴器15驱动发电机传动轴16，在发电机17内将机械能转换为电能。以上部件均分布设置于机舱内，由机舱底座18为各装置提供支撑。
25.图3为主轴用滑动轴承支承系统全局剖面图，主轴前端19与轮毂3相连，主轴后端20与增速齿轮箱13相连，与之对应的主轴轴承支座9靠近轮毂3的一侧为前端盖21，靠近增速齿轮箱13的一侧为后端盖22，前端盖21与后端盖22分别通过螺栓23和垫片24与箱体25固定。前端轴承27和后端轴承28一起构成了“v”形主轴轴承，可以有效处理弯矩，支承转子系统运转。主轴10内部设有通孔26，是变桨控制电缆、油路或机械杆的通道。
26.图4为主轴用滑动轴承支承系统局部剖面图，箱体前端面33与前端轴承27间设立前端弹性支撑结构31，箱体后端面34与后端轴承28间设立后端弹性支撑结构32，箱体前端面33和后端面34为对称结构，具有相同的倾斜角和接触面积，前端轴承27和后端轴承28为非对称结构，具有相同的径向高度，不同的轴向长度。前端轴承27和后端轴承28之间设有油腔30，以提高主轴轴承的承载能力。主轴10通过凹槽29可更好构建其与主轴轴承的稳定性，在主轴发生倾斜时，仍保证正常运作。
27.图5为主轴用滑动轴承间隙侧剖面图，箱体前端面33和前端弹性支撑结构31具有平行位置关系，前端油隙35为等距润滑间距，箱体后端面34和后端弹性支撑结构32具有不平行位置关系，后端油隙36为不等距润滑间距。前端油隙内侧35b和后端油隙外侧36b距离相等，前端油隙外侧35a较后端油隙外侧36a距离小。对于前端油隙35，从内侧35b到外侧35a的油膜间隙段距离均等，对于后端油隙36，从内侧36b到外侧36a的油膜间隙段距离逐渐扩大。此外，后端轴承外侧38与箱体后侧40间距较前端轴承外侧37与箱体前侧39间距大，这也为后端部带来了更大的形变容纳量。
28.图6为主轴用滑动轴承弹性支撑结构剖面图，对比前后端，两种弹性支撑结构有相同的高度(h1＝h2，h1＝h2)，有不同的长度(l1《l2，l1《l2)，后端弹性支撑结构32有更大的支撑面积。以前端弹性支撑结构31为例，该结构由顶片41，垫块43和波形弹性构件42三个部分组成。当轴承发生偏移，不对中，弯曲行为时，波形弹性构件42可在不同波形位置产生不同程度的形变，避免发生强局部应力的产生。垫块43的存在，对于轴承主体和箱体的最小距离给出了限制，抑制了轴的强弯曲行为。顶片41为波形弹性构件42变形提供了平面的承载，避免边缘支撑行为的产生。
29.图7为主轴用滑动轴承弹性支撑结构斜视图，可在本实例中改变波形数量，需要保证前端波形弹性构件42和后端波形弹性构件43两端侧宽度相同(b1＝b1，b1＝b2)，后端波形弹性构件43波形数量大于等于前端。
30.图8为主轴用滑动轴承弹性支撑结构展开图，将多个弹性支撑结构31，32进行环向阵列，就可以得到多瓦块结构，当轴承发生失效时，无需拆除主轴，可在塔上进行操作，对于特定失效瓦块予以更换。
31.该多瓦块“v”形弹性波形滑动轴承结构能面向风电机组的拆卸成本高、主轴变形大、轴承单侧失效明显等问题，同时使整机紧凑型更高，相比传动滚动轴承来说，维修成本大幅度降低，整机功率密度相应提升，具有较好的推广应用价值。
32.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，包括：前端轴承与后端轴承有由顶片，垫块和波形弹性构件组成的波形弹性结构，前端轴承与后端轴承上有多瓦块结构，前端轴承和后端轴承共同构成“v”字形滑动轴承。2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，所述前端轴承与所述后端轴承与所述箱体接触面上，均匀分布多个瓦块。3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，所述前端轴承与所述后端轴承构成“v”形结构。4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，所述前端轴承与所述后端轴承有波形弹性结构设计。5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，所述前端轴承相对于所述箱体有等距润滑间距。6.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，所述后端轴承相对于所述箱体有不等距润滑间距。7.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，所述前端轴承相对于所述后端轴承有相同轴承径向高度。8.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，所述前端轴承相对于所述后端轴承有不同轴承轴向长度。9.根据权利要求1所述的一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构，其特征在于，所述前端轴承相对于所述后端轴承布置有不同波形弹性结构尺寸。

技术总结
本发明公开了一种风力发电机组用主轴滑动轴承结构。包括“非对称”性前端轴承和后端轴承构成的“V”字形滑动轴承，轴承上设置了由顶片，垫块和波形弹性构件组成的波形弹性支撑结构，多个弹性支撑结构在环向方向阵列均布，构成了多瓦块结构。针对传统滚动轴承常在设计寿命之前发生失效，因而构成大尺寸部件维修成本高，停机时间长的问题。本发明通过采用分块式滑动轴承替代，实现了单块拆卸塔上维修，大幅度降低检修经济成本，并在“V”字形滑动轴承上设计了波形弹性支撑结构，有效减少转子振荡，保证转子强弯曲行为下的系统正常运作，此外，相比多滚动轴承支撑结构形式，有效缩短了轴向距离，实现了风电机组高功率密度转型优化。实现了风电机组高功率密度转型优化。实现了风电机组高功率密度转型优化。


技术研发人员：冯凯 王敏萱 张凯 朱杰 张亚宾
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2022.11.15
技术公布日：2023/5/25