風(fēng)電軸承技術(shù)趨勢(shì)

風(fēng)電軸承技術(shù)趨勢(shì)

2005年后市場(chǎng)需求增加，風(fēng)力發(fā)電建設(shè)加速。自2009年以來，風(fēng)力發(fā)電建設(shè)減慢，但隨著全球環(huán)保受到高度重視，風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生能源(不產(chǎn)生CO₂)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)量可能持續(xù)增加(圖1)。

1、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)趨勢(shì)

近年來為了提高發(fā)電效率和降低發(fā)電成本，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尺寸逐漸增大且安裝場(chǎng)所由陸地向近海轉(zhuǎn)移。目前，發(fā)電能力最大的量產(chǎn)近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(容量為8 MW)由MHI Vestas 生產(chǎn)，并已宣布開發(fā)容量為9.5MW的二代產(chǎn)品。同時(shí)，GE公司在2018年3月宣布開發(fā)12MW的近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。制造更大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并將其安裝于近海的勢(shì)頭正在加速。

存在2類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：一類帶增速箱，另一類無增速箱(圖2)。目前排名前十的大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(表1)包含這2類。消去增速箱將減少可能損壞的機(jī)械零件的數(shù)量，進(jìn)而提高可靠性，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將變得較大且更復(fù)雜，以致于更昂貴且更重。量產(chǎn)MHI Vestas風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(8MW)和新一代9.5 MW均包含一個(gè)增速箱，未來的大型近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也將采用這種設(shè)計(jì)。

2、風(fēng)電軸承

常見的包含一個(gè)增速箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件構(gòu)成和應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)的典型軸承如圖3所示。在主軸、增速箱、發(fā)電機(jī)中使用了不同類型和尺寸的軸承。主軸上需要1或2套外徑為1~2 m的軸承，這取決于支承結(jié)構(gòu)。許多外徑為0.2 ~2.0 m的軸承用于支承增速箱的齒輪軸。發(fā)電機(jī)需要外徑為0.4 ~0.6 m的軸承支承轉(zhuǎn)子軸。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尺寸增大，需要更大的軸承且要求軸承具有更高的承載能力。接下來介紹NSK為應(yīng)對(duì)，上述需要所開發(fā)的軸承。

3.1 主軸軸承

支承槳葉的主軸軸承承受從槳葉傳遞到增速箱的較大的徑向和軸向載荷，因此其應(yīng)具有高剛度。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一種典型主軸結(jié)構(gòu)是由單套軸承支承的三點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)(圖2)，該結(jié)構(gòu)采用調(diào)心滾子軸承作為主軸軸承。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組越來越大，作用于軸承上的載荷也變大。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用2套軸承支承主軸(圖2)。該結(jié)構(gòu)采用單列或雙列圓錐滾子軸承、單列圓柱滾子軸承和調(diào)心滾子軸承。

主軸轉(zhuǎn)速較低(8 ~ 15 r/min)，因此脂潤滑軸承的潤滑狀態(tài)較差。更重要的是，調(diào)心滾子軸承會(huì)發(fā)生差動(dòng)滑動(dòng)，導(dǎo)致軸承磨損及損傷(圖4)。NSK采用DLC涂層有效減少這種磨損，該方法正在評(píng)估。

3.2 增速箱軸承

增速箱是使主軸的極低轉(zhuǎn)速變?yōu)榘l(fā)電機(jī)端的較高轉(zhuǎn)速。高的加速比需要較多齒輪。齒輪軸需要10 ~20套軸承支承。

4MW級(jí)的主軸轉(zhuǎn)速約為11r/min,然而4極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速則為1 500~1 800 r/min，加速比超過130。另一方面，由于噪聲問題,槳葉邊緣速度被約束，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增大(槳葉變長)，主軸轉(zhuǎn)速則進(jìn)一步降低。此時(shí)，若將主軸轉(zhuǎn)速加速到4極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，加速比達(dá)150以上。因此，系統(tǒng)采用多于4極的發(fā)電機(jī)和低加速比(約50)(中速類型)的增速箱。

1個(gè)行星齒輪和2個(gè)斜齒輪增速箱適用于2.5 MW，對(duì)于更高加速比則采用2個(gè)行星齒輪和1個(gè)斜齒輪增速箱，一些低主軸轉(zhuǎn)速的中速類型增速箱則采用2或3個(gè)行星齒輪，如圖5所示。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尺寸增大，進(jìn)風(fēng)側(cè)輸入扭矩增大，作用于軸承的載荷增加。行星齒輪用一套軸承支承行星架軸，一套軸承支承行星齒輪軸。因扭矩增加，驅(qū)動(dòng)軸變厚，使行星架軸承變大，承載能力增大，但隨著行星齒輪向緊湊化和輕量化發(fā)展，行星齒輪軸承承載能力必須提高。因而，在更多的情況下去掉了外圈，行星齒輪軸承安裝孔帶有外圈滾道且軸承承載能力因采用更大滾子直徑而增大(圖6)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱軸承通常由于顯微組織變化引起的剝落而早期損傷。部分剝落截面的顯微組織經(jīng)腐蝕后呈白色，這種剝落通常稱為白色組織剝落或白蝕裂紋(圖7)。白色組織剝落可通過充氫試樣的滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)再現(xiàn)。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱軸承的白色組織剝落由氫引起。白色組織剝落認(rèn)為需經(jīng)4個(gè)階段(圖8)：

由于受潤滑劑的添加劑及滑動(dòng)、振動(dòng)、電流的影響，潤滑劑分解，產(chǎn)生的氫滲入軸承鋼中；
循環(huán)應(yīng)力作用導(dǎo)致鋼中形成白色組織；
白色組織邊緣產(chǎn)生裂紋；
裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致剝落。

可在軸承表面用黑色氧化物涂層。氫通過潤滑劑分解并與新鮮金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生。黑色氧化物涂層抑制新鮮金屬表面形成，阻止氫產(chǎn)生。黑色氧化物涂層的磨損導(dǎo)致軸承壽命減少。因此，軸承服役環(huán)境需要充足的油膜。

研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)鋼合金成分可抑制白色組，織剝落，進(jìn)而延長壽命。添加足夠的合金元素可延遲顯微組織變化。碳氮共滲熱處理也有助于延長與白色組織剝落相關(guān)的軸承壽命。近表面殘余壓應(yīng)力可延遲裂紋擴(kuò)展，增加殘余奧氏體含量可延緩高剪切應(yīng)力位置的氫聚集。

通過優(yōu)化合金元素含量及特殊熱處理，NSK已開發(fā)了抑制白色組織剝落鋼( AWS -TFTM)。AWS- TFTM達(dá)到預(yù)期壽命，其抑制白色組織剝落壽命為標(biāo)準(zhǔn)SUJ2鋼的7倍(圖9)。NSK抗表面起源剝落特級(jí)鋼STFTM也可有效抑制白色組織剝落，其預(yù)期壽命為標(biāo)準(zhǔn)SUJ2鋼的4倍。

3.3 發(fā)電機(jī)軸承

發(fā)電機(jī)軸承通常采用深溝球軸承和圓柱滾子軸承。發(fā)電機(jī)軸承內(nèi)、外圈間經(jīng)常產(chǎn)生電位差，從而引起電蝕(電火花局部熔化)(圖10)。

應(yīng)對(duì)電蝕的措施是，不僅發(fā)電機(jī)外緣絕緣處理，標(biāo)準(zhǔn)軸承也被同樣尺寸的絕緣軸承替代。絕緣軸承要么是裝配陶瓷球的深溝球軸承，要么是軸承內(nèi)徑面或外徑面通過陶瓷熱噴涂處理(圖11)。

4、分析與設(shè)計(jì)

增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尺寸需要軸承具有更高的承載能力。另外，因費(fèi)用增加(包含建設(shè)費(fèi)用)，增速箱的重量和剛度也減小。因此，軸承設(shè)計(jì)需考慮整個(gè)增速箱的變形。為了提高軸承承載能力，F(xiàn)EM分析用來優(yōu)化保持架形狀(圖12)。對(duì)整個(gè)增速箱(包括軸承座和行星架)進(jìn)行FEM分析，這作為一種探究增速箱變形的影響的方法。不僅如此，這類分析也用來評(píng)估軸承中各滾子的承載，估算預(yù)期壽命以及檢查軸承技術(shù)參數(shù)(圖13)。

5、結(jié)束語

因?yàn)榻ｏL(fēng)況更好，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝場(chǎng)所從陸地轉(zhuǎn)移到近海。另外，在中、低風(fēng)況下，近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尺寸和安裝面積增大。因此，市場(chǎng)需要更大的軸承且其具有高承載能力和高可靠性。

（來源：《Motion & Control》）

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