本发明描述了一种风力涡轮机轴承组件；风力涡轮机；以及制造轴承组件的方法。
背景技术：
风力涡轮机一般包括具有若干转子叶片的空气动力学转子。在具有齿轮箱的风力涡轮机中，空气动力学转子转动低速转子轴。齿轮箱在低速转子轴和高速发电机转子之间执行旋转速度转换。在风力涡轮机的操作期间，振动可发展并且会导致传动系的部件中的应力损坏或故障。因此，为了这种发电机的安全和高效的操作，非常重要的是确保在低速转子轴和任何支撑结构（例如机器底座之间）的负载力的高效传递。通常，这种风力涡轮机的低速转子轴由前轴承（靠近风力涡轮机的驱动端部或毂端部）和后轴承（靠近齿轮箱）保持。每个轴承通常借助于直径上相对的安装点被牢固地安装到诸如机器底座的支撑结构。安装点还可包括某些种类的阻尼装置，以确保振动被阻尼并且不在轴承和机器底座之间传递。
重要的是抑制由低速转子轴的外端部和内端部处的扭矩差引起的转子轴的扭转。为此原因，从现有技术中已知提供“完整的轴承布置结构”，即其中前轴承和后轴承被容纳在轴承壳体中的布置结构，该轴承壳体被设计成提供期望程度的刚度和硬度。这种轴承壳体一般成形成在前轴承和后轴承上延伸并且围绕前轴承和第二轴承精确地装配。轴承壳体一般还包括用于将整个组件安装到机器底座的必要接合部。虽然这种完整的轴承布置结构确保了有利的负载传递并因此也确保了发电机的高效操作，但是轴承壳体必须被设计成具有非常高的公差要求。一般而言，特定的发电机设计还将需要特定的轴承壳体设计。这是因为轴承壳体的形状将直接取决于前轴承和后轴承的直径，并且还取决于前轴承和后轴承之间的距离。例如，一个系列的一个发电机的前轴承直径可比同一系列中的另一个发电机的前轴承直径大（或小）几厘米。在这种情况下，一个系列的一个发电机的轴承壳体将不可用于同一系列的另一个发电机。因此，部件设计上仅有微小差别的发电机需要不同的轴承壳体。这显著增加了发电机系列的制造成本。
此外，尺寸被设计成容纳前轴承和后轴承的轴承壳体将是大且笨重的。这增加了运输、处理和安装成本。这种完整的轴承布置结构的另一个缺点是：为了接近轴承，例如为了执行维护或修理任务，一般必须移除壳体。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种支撑转子轴的改进方式，以克服上述问题。
该目的通过权利要求1的风力涡轮机轴承组件；通过权利要求10的风力涡轮机；以及通过根据权利要求12的设计轴承组件的方法实现。
根据本发明，轴承组件包括：用于转子轴的前轴承；用于转子轴的后轴承；以及布置在前轴承和后轴承之间的多个轴承连接器，其中，每个轴承连接器具有两个外端部，并且其中，轴承连接器的一个外端部固定到前轴承，并且该轴承连接器的另一个外端部固定到后轴承。
根据本发明的轴承组件的优点在于，其允许模块化方法，并且可以有助于显著降低构造成本。本发明的方法是使用若干个轴承连接器来连接前轴承和后轴承，而不是如从现有技术已知的那样在单个单元中实现前轴承和后轴承。这种连接器也可被称为系材或撑条。由于轴承连接器的目的是在前轴承和后轴承之间提供有利的“硬”连接，即，以减小或最小化前轴承和后轴承之间的相对扭转运动，所以轴承连接器在下文中也可被称为“加强元件”或简称为“加强件”。在本发明的轴承组件中，可以提供不同类型的轴承连接器，这些轴承连接器可以用于连接不同发电机设计中的前轴承和后轴承。制造不同类型的轴承连接器的成本显著低于制造不同的完整轴承布置结构的成本。
根据本发明，风力涡轮机具有传动系，该传动系包括空气动力学转子，该空气动力学转子布置成转动低速转子轴；并且还包括布置成支撑低速转子轴的本发明的轴承组件的实施例。
本发明的风力涡轮机可以以比具有组合式轴承组件的传统风力涡轮机更低的总成本来制造。轴承的维护和修理成本也可以显著降低。
根据本发明，设计这种轴承组件的方法包括以下步骤：获得风力涡轮发电机的设计参数；获得用于发电机转子轴的物理上分离的前轴承和后轴承的构造参数；确定在发电机的操作期间的预期轴承负载；以及确定布置在前轴承和后轴承之间的多个轴承连接器的设计参数。
本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如在下面的描述中所揭示的。不同权利要求类别的特征可酌情组合以给出本文未描述的另外的实施例。
在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可假设每个轴承通过一对直径上相对的悬挂点安装到诸如机器底座的支撑结构。这种布置结构被称为“四点悬挂”。
如上文所解释的，同一系列或不同系列的发电机之间的各种尺寸可不同。相关的轴承参数（即，与加强件元件的设计相关的轴承构造参数）可以是前/后轴承直径以及前轴承与后轴承之间的距离。因此，在本发明的特别优选的实施例中，轴承连接器的设计参数是基于任何这种相关的（多个）轴承构造参数来选择的。例如，轴承连接器的重要设计参数可以是轴承连接器的最小质量和制造轴承连接器的材料性质。
可有各种方式来建立必要的设计参数。在本发明的一个优选实施例中，该方法包括确定在前轴承和后轴承之间延伸的虚拟圆柱的形式，并且然后使轴承连接器的形状基于该虚拟圆柱的形式。例如，在前轴承和后轴承之间延伸的虚拟圆柱可以被分成多个虚拟区段。虚拟圆柱可具有整体圆形或多边形横截面，并且该横截面形状可以用作决定加强件的形状的基础。虚拟圆柱可以被给定厚度或壁深度，厚度或壁深度可以用作加强件的厚度的基础。
知道发电机的相关设计特性（例如，转子轴速度、转矩、轴承刚度等），并且假设诸如材料、壁厚等的各种参数，可以计算或模拟每个区段的最小尺寸。例如，使用诸如有限元分析的合适工具，可以模拟从虚拟圆柱去除一些区段或体积的效果，以便达到将满足负载传递要求的有利的加强件设计。类似地，可以模拟改变虚拟圆柱的一个或多个区域中的厚度的效果，以达到最佳的加强件形状。
当使加强件的形状基于圆柱形形式时，所得到的加强件可以具有对应的弯曲或弧形形状。当然，在更简单的替代方案中，加强件可以形成为平坦或笔直的部分（例如，从多边形虚拟圆柱得到），其可以比弯曲部分显著地更容易制造。
通过酌情附加材料，可以增加加强件的刚度。例如，肋可沿平行于转子的旋转轴线的方向附接到加强件。同样，通过将加强件形成为具有t形横截面，可以增加加强件的刚度。利用这种横截面，可以使用比具有矩形横截面的相当的加强件更少的材料来制造加强件。
可基于各种其它因素或参数来选择加强件元件的数量。例如，加强件的数量可以基于发电机的额定扭矩、转子轴速度等来选择。例如，相对“小”的发电机的前轴承和后轴承可使用例如两个或三个加强件来连接，而相对“大”的发电机的前轴承和后轴承可能需要四个或更多个加强件。
在本发明的优选实施例中，所述多个轴承连接器包括一组相同的轴承连接器。例如，可提供三个或四个相同的加强件来连结特定的一对前轴承和后轴承。当连接前轴承和后轴承时，通过不必区分不同的加强件，可以使安装成本最小化。
通过使用适当的紧固件（例如螺栓）将加强件的外端部固定到轴承，加强件可以安装在前轴承和后轴承之间。为此，在本发明的优选实施例中，轴承连接器的端部包括多个通孔以接收用于将轴承连接器固定到轴承的紧固件。在本发明的另外的优选实施例中，加强件具有弯曲端部以匹配轴承的曲率。优选地，该曲率使得相同的加强件可以安装到具有不同直径的轴承。
附图说明
本发明的其它目的和特征将从以下结合附图考虑的详细描述变得显而易见。然而，应当理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，并且不是作为对本发明的限制的定义。
图1示出了本发明的轴承组件的实施例；
图2示出了图1的轴承组件的细节；
图3和图4示出了本发明的轴承组件的替代实施例；
图5示出了根据本发明的部分组装的风力涡轮机的实施例的视图；
图6是表示本发明方法的步骤的简化框图；
图7示出了现有技术的轴承布置结构。
在图中，相同的数字始终指代相同的对象。图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机2中的本发明的轴承组件1的实施例。风力涡轮机2具有空气动力学转子23，其包括转动转子轴20的转子叶片。转子叶片23安装到桨毂盖（spinner）或毂，桨毂盖或毂布置在机舱26的一个端部处。齿轮箱21将转子轴20的低速旋转转换成发电机转子的高速旋转。轴承组件1用于在空气动力学转子23（在传动系的前部处）与齿轮箱21和发电机24（在传动系的后部处）之间支撑和容纳风力涡轮发电机的转子轴20。轴承组件1包括前轴承11和后轴承12，前轴承11在两个直径上相对的悬挂点11p（在转子轴的相对侧上；在附图中能看到前轴承11的仅一个悬挂点11p）处安装到机器底座22。类似地，后轴承12在两个直径上相对的悬挂点12p处安装到机器底座22。在风力涡轮机的操作期间，非常重要的是确保负载经由两对悬挂点11p、12p从轴承均匀且可靠地传递到机器底座22。
在本发明的轴承组件1中，前轴承11和后轴承12通过一组s_13a加强件13a连接。该图中所示的加强件组s_13a中的每个加强件13a在一个端部处紧固到前轴承11，并且在另一个端部处紧固到后轴承12，以机械地连接前轴承11和后轴承12，如图2所示。螺栓可以插入通过加强件的外端部131、132中的孔，以便将加强件紧固到轴承11、12。在该实施例中，加强件组s_13a包括围绕前轴承11和后轴承12之间的空间均匀地分布的若干个加强件13a。加强件13a的材料和尺寸基于发电机构造并且还基于将传递到悬挂点的预期负载来选择。在该实施例中示出的加强件13a不限于连接具有轴承直径∅11、∅12的前轴承和后轴承，而是可以用于连结具有更大或更小直径的轴承。类似地，这里所示的轴承间距d由该组加强件13a桥接。略微更长或更短的距离可以简单地通过使用一组替代的略微更长或更短的加强件等来桥接。
图1所示的该组加强件13a用于特定的发电机设计，即，用于具有一定额定功率的发电机。如上文所解释的，诸如转子轴直径和/或前轴承11与后轴承21之间的距离的参数可以在发电机类型之间不同。类似地，在操作期间出现的预期负载可以取决于发电机的额定功率。
图3示出了本发明的轴承组件1的另外的实施例。这里，轴承组件1用在具有比图1的发电机更大的额定功率的发电机中，并且实施了不同的一组加强件13b。在该实施例中，使用了四个加强件13b，并且加强件13b比图1的加强件13a更厚。该加强件组s_13b的特征在于更大的材料强度，并且可以在风力涡轮机的操作期间将更高的负载传递到悬挂点11p、12p。
图4示出了本发明的轴承组件1的另外的实施例。这里，轴承组件1用在具有比图1的发电机更低的额定功率的发电机中，并且实施了不同的加强件组s_13c。在该实施例中，使用了仅两个加强件13c。该更小数量的加强件足以在风力涡轮机的操作期间将负载传递到悬挂点11p、12p。
图5示出了部分组装的风力涡轮机2的视图。该图示出，为了确保发电机部件的安全和高效操作，转子轴20将通过前轴承和后轴承保持在适当位置，并且这些轴承各自使用直径上相对的悬挂点11p、12p安装到机器底座22。该图还示出了在本发明的实施例中机械地连接前轴承11和后轴承12的一组加强件13a。取决于发电机设计，可以使用不同的一组加强件来确保所需的负载传递行为。
图6是表示本发明方法的步骤的简化框图。获得风力涡轮发电机的设计参数p24，以及用于发电机的转子轴的物理上分离的前轴承和后轴承的构造参数p11、p12。利用这些已知的参数，可以计算轴承悬架将必须承受的预期负载或力f。使用该信息，可以确定将被用于连接或连结前轴承和后轴承的加强件或加强件组的设计参数p13。发电机设计参数p24可以是额定功率、额定扭矩等。轴承构造参数p11、p12可以是轴承直径、轴承质量、轴承间距等。加强件设计参数p13可以是质量、材料剪切强度、最小所需数量等。设计模块6可以包括用于确定预期负载或力f的计算块61以及用于确定合适的加强件组的设计参数p13的模拟或建模单元62。
图7示出了现有技术的轴承布置结构。这里同样的，该图示出了图1中所描述类型的风力涡轮机的部分。在现有技术中，前轴承71和后轴承72设置在共用的轴承壳体7中。轴承壳体7是必要的，以便通过悬挂点71p、72p将负载传递到机器底座22中。因为轴承71、72的尺寸和/或轴承之间的距离对于不同的发电机设计可不同，所以轴承壳体的尺寸在每种情况下将会不同。这大大增加了总制造成本。
尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。
为了清楚起见，应当理解，贯穿本申请使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或元件。
1.一种风力涡轮机（2）的轴承组件（1），所述轴承组件（1）包括
-用于转子轴（20）的前轴承（11）；
-用于所述转子轴（20）的后轴承（12）；以及
-多个轴承连接器（13a、13b、13c），其布置在所述前轴承（11）与所述后轴承（12）之间，其中，轴承连接器（13a、13b、13c）的一个端部（131）固定到所述前轴承（11），并且所述轴承连接器（13a、13b、13c）的另一个端部（132）固定到所述后轴承（11）。
2.根据权利要求1所述的轴承组件，其中，轴承连接器（13a、13b、13c）的尺寸基于轴承尺寸（∅11、∅12）和/或轴承质量和/或所述前轴承（11）与所述后轴承（12）之间的距离（d）和/或发电机额定功率来选择。
3.根据权利要求1或2所述的轴承组件，其中，所述轴承连接器（13a、13b、13c）的数量基于轴承尺寸（∅11、∅12）和/或所述前轴承（11）与所述后轴承（12）之间的距离（d）和/或发电机额定功率来选择。
4.根据前述权利要求中任一项所述的轴承组件，其中，所述多个轴承连接器（13a、13b、13c）包括一组（s_13a、s_13b、s_13c）相同的轴承连接器（13a、13b、13c）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的轴承组件，其中，所述轴承连接器（13a、13b、13c）的形状基于在所述前轴承（11）与所述后轴承（12）之间延伸的虚拟圆柱的形式。
6.根据前述权利要求中任一项所述的轴承组件，其中，轴承连接器（13a、13b、13c）包括基于多种轴承直径而成形的弯曲端部（131、132）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的轴承组件，其中，轴承连接器（13a、13b、13c）的端部（131、132）包括多个通孔以接收用于将所述轴承连接器（13a、13b、13c）固定到轴承（11、12）的紧固件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的轴承组件，其中，所述前轴承（11）通过一对直径上相对的悬挂点（11p）安装到所述机器底座（22）。
9.根据前述权利要求中任一项所述的轴承组件，其中，所述后轴承（12）通过一对直径上相对的悬挂点（12p）安装到所述机器底座（22）。
10.一种风力涡轮机（2），包括
-空气动力学转子（23），其被布置成转动低速转子轴（20）；以及
-根据权利要求1至9中任一项所述的轴承组件（1），其围绕所述低速转子轴（20）布置。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，所述前轴承（11）布置在所述转子轴（20）的驱动端部处，并且所述后轴承（12）布置在所述转子轴（20）的齿轮箱端部处。
12.一种设计根据权利要求1至10中任一项所述的轴承组件（1）的方法，所述方法包括
-获得风力涡轮发电机（24）的设计参数（p24）；
-获得用于所述发电机转子轴（20）的物理上分离的前轴承和后轴承（11、12）的构造参数（p11、p12）；
-确定在所述发电机（24）的操作期间的预期轴承负载（f）；以及
-确定布置在所述前轴承（11）与所述后轴承（12）之间的所述多个轴承连接器（13a、13b、13c）的设计参数（p13）。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，发电机设计参数（p24）包括额定功率或额定扭矩。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，轴承构造参数（p11、p12）包括轴承直径（∅11、∅12）或轴承间距（d）。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，轴承连接器设计参数（p13）包括以下中的任一者：轴承连接器的数量；轴承连接器的质量；轴承连接器材料。
技术总结