用于流体机械应用的轴承单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于流体机械应用的轴承单元，比如用于风力涡轮机装置、水涡轮机装置或推进涡轮机装置。更具体地，所述轴承单元包括双列轴承，该轴承能够支撑轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩并且限制诸如流体机械应用的转子轴的轴的轴向运动。
[0002]此外，本发明还涉及一种包括轴承单元的流体机械应用，比如风力涡轮机装置、水涡轮机装置或推进涡轮机装置。
【背景技术】
[0003]在流体机械应用的领域中，对提高构成流体机械系统的部件的耐用性和操作的需求日益增加。在本发明的上下文中，术语“流体机械应用”指的是可以从流体(液体或气体)的连续移动流中提取能量的任何装置。由于流体机械应用将能量从流体传递至转子，并且通常设置有流体所穿过的旋转部件，所以流体机械应用应能支撑径向力以及相当大的轴向力，如在该流体机械应用的转子轴的方向上所观察。来自流体流的能量通过一个或多个涡轮机被转换成旋转轴的机械能。在这种类型的应用中，旋转部件通常指的是转子，其设有成组的叶片。
[0004]流体机械应用的一个示例是风力涡轮机装置。流体机械应用的其他示例是水轮机装置和推进涡轮机装置。取决于流体机械应用的目的，工作流体可以是液体或气体。
[0005]为了支撑转子的旋转运动，这种类型的装置通常设有一个或多个轴承。由于风力涡轮机的大尺寸和重量，支撑转子轴和风力涡轮机叶片的轴承的载荷承载能力和性能非常重要。其结果是，该轴承必须以正确的方式对准和定位，以避免对构成轴承的部件造成不必要的磨损。
[0006]通常，对于水平的或接近水平的转子轴类型的风力涡轮机来说，该轴承装置必须支撑轴向载荷和径向载荷，其中，所述轴向载荷是指操作过程中从涡轮机叶片传递的轴向载荷以及由转子轴和涡轮机叶片装置的重量所产生的轴向载荷，涡轮机叶片装置通常安装有相对于水平面的倾斜角，以便减少在涡轮机叶片和风力涡轮机塔架之间碰撞的危险。
[0007]此外，各部件的重量和大小以及转子装置在塔状结构中的位置增加了风力涡轮机的制造、安装及维修成本。特别地，将承载滚动轴承连接至转子轴及支撑结构既笨重又昂贵，通常涉及部件(比如要被安装的滚动轴承的内圈)的加热技术，以便提供合适的连接和预应力，同时保持高水平的精度来确保滚动轴承相对于该轴和/或支撑结构的正确对准和定向。其结果是，安装过程既复杂又耗时，并且经常需要辅助设备用于加热和对准控制测量。另外，在迄今已知的解决方案中，将承载滚动轴承从转子轴或者从支撑结构拆卸是又麻烦又费时。换句话说，转子装置和轴承的安装和拆卸通常需要高级应用工程，同时对系统的周边部分提出了高品质要求。
[0008]此外，为了确保轴承能够在极端条件下操作而没有大量的维护，轴承的相关部分比如滚道可能须经受热处理工艺，例如硬化过程，以便承受高接触应力和疲劳破坏。
[0009]常用于流体机械应用比如风力涡轮机装置的轴承的一个示例是球面滚子轴承。球面滚子轴承设置有球形几何形状，允许轴在操作期间(即在轴旋转时)自对准。通过自对准，旋转轴的旋转轴线的角度对准可相对于轴承改变，使得轴相对于壳体的角运动是允许的。常用于流体机械应用比如风力涡轮机装置的轴承的另一个示例是圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承(TRB)设有带有斜滚道的圆锥形滚子。通常，圆锥滚子轴承不能错位。另外，圆锥滚子轴承可能需要高预载和高精确度于其部件上。由于在圆锥滚子轴承的操作期间存在产生过大接触应力的危险，所以往往有前提条件来进行高级FEM计算，以便提供适当尺寸的轴承。设计圆锥滚子轴承时的关键一个地方是设计容座，其应该尽可能地精确，以确保在轴承操作期间不发生未对准。
[0010]在转子轴装置的操作过程中，旋转轴的轴向运动必须进一步受到滚子轴承限制，以便提供平滑的操作并且减少对所连接的和/或周围的设备比如齿轮箱等的磨损和损坏。任何过度的轴向间隙可能会大大降低应用装置的寿命时间。
[0011]此外，为了提供球面滚子轴承的合适耐用的轴向定位功能，可以增加球面滚子轴承的几何形状的大小和径向尺寸。通过增加大小和径向尺寸，相对于旋转轴轴线的滚子和滚道之间的接触角增大。相对于圆锥滚子轴承，根据径向和轴向载荷来设计TRB的内部几何形状。根据载荷要求来选择接触角。相比之下，对于标准的SRB来说，ISO系列相关的接触角几乎是固定的。此外，ISO系列相关的接触角是根据轴向载荷的要求来选定的。这可能会导致对于径向载荷来说尺寸过大。
[0012]因此，用于涉及轴向定位的滚子轴承的流体机械应用的迄今已知的轴承解决方案被认为是相对于例如径向载荷承载能力来说遭受超安全标准设计。同样地，这些轴承中的许多都是非紧凑的，包括大轴承设计，以提供足够的轴向载荷承载能力。这样，这种类型的轴承被认为在流体机械装置中占据了宝贵的空间。此外，由于高材料成本，生产较大的轴承都更加的贵，而高轴承质量可能对操作效率产生负面影响，例如增加了装置的转动惯量。
[0013]因此，仍然需要一种简单的轴承装置，其对周围部分的精度要求更小并且对应用工程精力的要求降低，同时保持承受来自流体机械应用的转子轴的径向和轴向载荷的高容量。
【发明内容】
[0014]鉴于现有技术的上述及其他缺点，本发明的总体目的是提供一种用于流体机械应用的改进的且坚固的轴承单元以及一种包括这种轴承单元的流体机械应用。
[0015]这些及其它目的通过在独立权利要求中所提供的主题而得以满足。本发明的优选实施例陈述在从属权利要求中。
[0016]根据本发明的第一方面，提供了一种用于具有双列轴承的流体机械应用的轴承单元。所述双列轴承包括:第一角自对准接触轴承，其布置成靠近第二角自对准接触轴承，用于定位并可旋转地支撑轴。即，用于定位该轴，防止在轴向方向和径向方向上运动以及防止产生于倾覆运动的运动。所述第一角自对准接触轴承具有由滚子形成的第一组滚动元件，其布置成第一列并且介于第一弯曲内滚道和第一弯曲外滚道之间，其中，每个滚子是对称的圆筒形滚子，具有与所述第一弯曲内滚道和第一弯曲外滚道可接合的弯曲滚道接触面。此外，所述第一角自对准接触轴承的每个滚子相对于轴的轴向方向倾斜第一接触角α-从而所述滚子布置成与所述第一弯曲内滚道和第一弯曲外滚道合作，用于支撑轴向力F1和径向力F2。类似地，所述第二角自对准接触轴承具有由滚子形成的第二组滚动元件，其布置成第二列并且介于第二弯曲内滚道和第二弯曲外滚道之间，其中，每个滚子是对称的圆筒形滚子，具有与所述第二弯曲内滚道和第二弯曲外滚道可接合的弯曲滚道接触面。此外，所述第二角自对准接触轴承的每个滚子相对于轴的轴向方向倾斜第二接触角α2。从而所述第二组滚动元件的滚子布置成与所述第二弯曲内滚道和第二弯曲外滚道合作，用于支撑轴向力匕和径向力F2。另外，所述第一角自对准接触轴承的每个滚子相对于所述第二角自对准接触轴承的每个滚子是倾斜的，使得第一角自对准接触轴承的第一压力中心偏移于第二角自对准接触轴承的第二压力中心。如下面所讨论，这种提供的一个功能是，本发明的轴承单元可以容纳局部内部未对准，比如套圈的绞拧，这反过来又保证了不会有任何过度的边缘接触应力。
[0017]通过本发明的原理，可以提供一种改进的且更紧凑的流体机械应用，例如风力涡轮机装置、水涡轮机装置或推进涡轮机装置。该流体机械应用在某种意义上是紧凑的，也就是该轴承功能可以布置在一个单个的轴承单元内。更具体地，通过提供所述第一角自对准接触轴承的每个滚子和所述第二角自对准接触轴承的每个滚子相对于轴向方向是倾斜的，并且所述第一角对准接触轴承的第一压力中心偏移于所述第二角自对准接触轴承的第二压力中心，可以保持轴承单元的尺寸为最小，而不影响轴承单元和/或流体机械应用的功能。这是通过提供双列滚子轴承来实现的，该轴承具有明显的倾斜接触角，即所述第一角自对准接触轴承和所述第二角自对准接触轴承的倾斜接触角。换句话说，本发明提供了一种强大而紧凑的轴承单元。
[0018]另外，本发明的轴承单元允许轴承横截面的局部绞拧，而无边缘应力。因此，就流体机械应用的几何缺陷来说，其被认为比常规的轴承装置更加地灵活且更加地宽容。
[0019]因此，该轴承单元通常布置成用于支撑流体机械应用的轴。
[0020]此外，通过使接触角倾斜，该轴承单元能够保持轴向载荷承载能力，同时可以减小轴承单元的轴向宽度与径向延伸。也就是说，增加的接触角导致可能容纳更大的轴向力。此外，更大的接触角减小对于给定径向间隙的轴向间隙。
[0021]这样，可以减少所组装的流体机械应用例如所组装的风力涡轮机装置的机舱重量的重量。例如，分别通过提供具有倾斜接触角的两个角自对准接触轴承，外滚道的法线方向，或者外滚道的整个滚子接触面，相对于转子轴的径向方向是成角度的。
[0022]要指出的是，根据第一角自对准接触轴承和第二角自对准接触轴承的所描述配置中的任何一个的角自对准接触轴承有时也可以表示为SAT(自对准环面)轴承。
[0023]第一角自对准接触轴承的配置的另一个优点在于，可以相对于第一角自对准接触轴承来限制所述轴的轴向运动。类似地，第二角自对准接触轴承的配置的另一个优点在于，可以相对于第二角自对准接触轴承来限制所述轴的轴向运动。
[0024]因此，通过双列轴承的配置，可以定位流体机械应用的转子轴，防止在轴向方向A和径向法向R上的运动。另外，由于轴承单元的配置，其特别适于支撑流体机械应用的旋转运动(即旋转扭矩)，即轴的倾覆运动。
[0025]术语“自对准”是指，轴承的外圈和内圈之间的角位移(偏移)可被容纳，而不会对轴承的性能造成至关重要的负面影响。因此，“自对准”是指，内圈和外圈可相对于轴承的旋转轴线发生角位移。因此，轴承单元配置成容纳转子轴与壳体之间的局部偏差(至少在微观层面上)，而不会增大轴承单元的摩擦或减小其使用寿命。本发明的自对准功能是通过采用两个角自对准接触轴承而实现的，每一个在滚子和内外滚道之间都具有弯曲接触面，其允许转子轴相对于流体机械应用的壳体结构的角度偏差的补偿。因此，应当容易理解的