解讀大功率海上風(fēng)電機(jī)組軸承解決方案

解讀大功率海上風(fēng)電機(jī)組軸承解決方案佚名【摘要】isarticleintroducedseveralmainshabearingsolutionsforlargepoweroshorewindturbinesincludingtaperedrollerbearingpluscylindricalrollerbearingsolution,ultra-largedoublerowtaperedrollerbearingsolutionaswellas2singlewidespreadtaperedrollerbearingsolution.Eachofthemhasitsowncharacteristicstotdierentdesignspecications.Ananalysisofeachsolution'sadvantagesanddisadvantageshasbeenalsomadeinthisarticle.% 本文介紹了幾種不同的大功率風(fēng)電機(jī)組主軸軸承解決方案，包括圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承雙軸承方案，超大雙列圓錐滾子軸承單軸承方案以及單列圓錐滾子軸承雙軸承方案。每種方案具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)這幾種方案進(jìn)行了對(duì)比分析并且詳細(xì)闡述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)?！酒诳Q】《風(fēng)能》【年(卷)，期】2013(000)006【總頁數(shù)】4頁(P92-95)【關(guān)鍵詞】海上風(fēng)電;主軸軸承;游隙【正文語種】中文【中圖分類】TM614繼陸地風(fēng)場被大規(guī)模開發(fā)后，越來越多的人開始把目光轉(zhuǎn)向海上風(fēng)電這塊更廣闊的領(lǐng)地。但是，由于風(fēng)電機(jī)組的功率和應(yīng)用環(huán)境的不同以及相對(duì)來說更加昂貴的維修費(fèi)用，海上風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)要求以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上要高于陸地風(fēng)電機(jī)組。軸承作為風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈中最核心的零部件之一，其在設(shè)計(jì)、選型、應(yīng)用分析和安裝維護(hù)等方面對(duì)于風(fēng)電機(jī)組整個(gè)壽命周期內(nèi)的運(yùn)行效率和可靠性有著極其重大的影響。隨著風(fēng)電機(jī)組功率設(shè)計(jì)的大型化（如5MW—10MW風(fēng)電機(jī)組），海上風(fēng)電機(jī)組軸承選型時(shí)如何平衡可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性往往是困擾設(shè)計(jì)人員的問題之一。本文針對(duì)這種情況，對(duì)目前常見的幾種軸承設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜合比較，并著重分析了目前國內(nèi)設(shè)計(jì)人員對(duì)單列圓錐雙軸承方案存在的一些誤解和顧慮。對(duì)于2MW以上的風(fēng)電機(jī)組尤其是直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組，傳統(tǒng)的調(diào)心滾子軸承設(shè)計(jì)方案已經(jīng)比較少見，而主流的剛性軸承設(shè)計(jì)方案主要有3種形式，分別是：方案a圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承雙軸承方案；方案b超大雙列圓錐滾子軸承單軸承方案；方案c單列圓錐滾子軸承雙軸承方案。實(shí)際上，這三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，以筆者和國內(nèi)許多設(shè)計(jì)人員交流的情況來看，目前國內(nèi)設(shè)計(jì)人員對(duì)于前兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用特點(diǎn)已經(jīng)比較了解，但對(duì)第三種方案卻缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。以下將對(duì)3種方案逐一解讀。這種方案被廣泛地應(yīng)用于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的主軸支撐結(jié)構(gòu)中，國夕卜某知名設(shè)計(jì)公司已經(jīng)成功把這種設(shè)計(jì)方式應(yīng)用于5MW的機(jī)型之中，也有風(fēng)電機(jī)組制造商采用此方案用于6.5MW的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組之中。值得一提的是，這種設(shè)計(jì)方案的布置形式有兩種選擇：一是圓錐滾子軸承布置于上風(fēng)向位置，圓柱滾子軸承布置于下風(fēng)向位置；二是圓錐滾子軸承布置于下風(fēng)向位置，圓柱滾子軸承布置于上風(fēng)向位置。這兩種不同的布置形式都有風(fēng)電機(jī)組制造商在采用，在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)劣。但無論哪—種布置形式，一般圓錐滾子軸承都作為固定端支撐而承受軸向力，而圓柱滾子軸承則作為浮動(dòng)端而吸收軸向熱膨脹［1］。圓錐滾子軸承被布置于上風(fēng)向時(shí)，由于其不僅要承受很大的徑向力而且還要承受軸向力，軸承所需的承載能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下風(fēng)向的圓柱滾子軸承。因此，軸承的成本相對(duì)會(huì)比較高。但是，圓錐滾子軸承可以采用負(fù)游隙使主軸系統(tǒng)的整體剛性得到提高。總體來看這種方案最大的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性比較好，溫差的變化對(duì)于軸承游隙影響比較小，只要在設(shè)計(jì)時(shí)把溫差影響考慮進(jìn)去就沒有問題了。不過，在選擇軸承游隙時(shí)要盡可能地保證兩列軸承都有足夠理想的承載區(qū)域。該方案中圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的載荷支撐點(diǎn)理論上都位于軸承的中心位置，如圖1所示。因此，采用該方案后，同等條件下主軸應(yīng)該比其他兩種方案要長。在3MW以下風(fēng)電機(jī)組中該問題也許并不突出，但如果風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)功率繼續(xù)上升，軸及軸承座的加工難度及成本會(huì)隨之加大。這種方案最大的特點(diǎn)就是主軸非常短，為了提高抗傾覆力矩的能力，軸承徑向直徑很大而且采用的錐角也非常大，一般接近于45錐度，以此來提高軸承的兩個(gè)實(shí)際支承點(diǎn)的跨距，增加剛性支撐能力［2］。這種方案在直驅(qū)型、雙饋型風(fēng)電機(jī)組和混驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組中都比較常見，原因在于整個(gè)軸系傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)非常緊湊，如圖2所示。一般情況下，軸承的游隙值采用負(fù)游隙，以實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。在一些設(shè)計(jì)中軸承內(nèi)外圈也直接依靠螺栓連接而省去了主軸以及軸承座。如果采用這樣的設(shè)計(jì)，必須要對(duì)螺栓的夾緊力對(duì)軸承游隙的影響進(jìn)行深入的分析計(jì)算。從實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)來看，這種軸承設(shè)計(jì)非常適合超緊湊型風(fēng)電機(jī)組理念，因?yàn)榭梢杂行У乜刂茩C(jī)艙重量。目前國內(nèi)2MW，2.5MW，3MW和5MW都有機(jī)型批量化地采用這種設(shè)計(jì)方案，其風(fēng)場運(yùn)行情況也是穩(wěn)定可靠的。前兩種方案國內(nèi)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)比較熟悉，但對(duì)于單列圓錐滾子軸承雙軸承方案，國內(nèi)許多設(shè)計(jì)人員還是相對(duì)比較陌生的，而實(shí)際上這種方案在國外早已是非常成熟，并有商業(yè)化風(fēng)電機(jī)組批量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。這種方案又分為長距離跨式布置形式以及懸臂梁布置形式。以往功率較小的風(fēng)電機(jī)組可以采用跨式布置形式，其優(yōu)點(diǎn)是軸承受力較小，成本相對(duì)較低，但功率較大時(shí)隨著葉片以及輪轂尺寸的變大，主軸也不得不隨著變長。因此，主軸的加工開始變得困難。比較來看，跨式布置形式在國外有不少應(yīng)用，但國內(nèi)卻比較少見。與之相對(duì)應(yīng)的是采用懸臂梁布置形式時(shí)上風(fēng)向軸承尺寸較大，成本較高，但主軸設(shè)計(jì)的限制比較少，加工相對(duì)也要簡單一些。通常齒輪箱里兩個(gè)單列圓錐滾子軸承采用面對(duì)面的布置形式［3］，但風(fēng)電主軸上卻采用背對(duì)背安裝，主要是為了提高軸承的實(shí)際支承距離從而降低軸承支反力或者說提高系統(tǒng)承受傾覆力矩的能力，因此采用該種方案時(shí)主軸的長度可以比雙列圓錐加圓柱的方案要短一些。如果從成本角度來看，整個(gè)軸系（含軸承）的綜合成本要比第一種方案低。從軸承內(nèi)部設(shè)計(jì)的角度來看，一般適合采用錐角略大的設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提高跨距，尤其是在下風(fēng)向軸承承載能力足夠的情況下。另外，下風(fēng)端軸承受力較小，所以可以采用較小的軸承以降低成本。當(dāng)然如果是軸承座連接輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，下風(fēng)向軸承由于承受了軸向力，因此要具體情況具體分析，如圖3所示。正如很多設(shè)計(jì)人員擔(dān)心的那樣，這種設(shè)計(jì)在調(diào)整游隙時(shí)具有一定的難度，主要原因是單列圓錐滾子軸承采用了背對(duì)背的布置而且內(nèi)外圈都是緊配合。但從實(shí)踐來看，只要掌握了一定的技巧或者說方法之后是完全可以克服的。我們和主軸設(shè)計(jì)人員交流時(shí)一般會(huì)提供兩種游隙調(diào)整方法，一種是通過現(xiàn)場測(cè)量和計(jì)算，另一種是采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)圈模塊。這兩種方案在國外以及國內(nèi)都有應(yīng)用。圖4是標(biāo)準(zhǔn)模塊的安裝方法。實(shí)際上，由于游隙是現(xiàn)場測(cè)量調(diào)整，實(shí)際的裝機(jī)游隙能夠控制在一個(gè)非常小的范圍之內(nèi)。第一種方案圓錐滾子軸承安裝后游隙范圍一般在0.2mm—0.4mm，而這種方案則可以控制在0.1mm之內(nèi)，使預(yù)緊力控制更為精確。而且從實(shí)踐來看，這種方案軸承的壽命曲線相對(duì)比較平緩，所以所允許的游隙誤差和安裝誤差也比較大，如圖5所示。很多設(shè)計(jì)人員還有另外一個(gè)顧慮，那就是熱脹冷縮。由于風(fēng)電機(jī)組所處的環(huán)境溫度變化比較大，所以他們擔(dān)心在比較極端的溫度下軸承的游隙變化太大，從而導(dǎo)致軸承發(fā)生提前損壞。事實(shí)上，這種擔(dān)心是沒有必要的。首先必須要把溫度變化和溫差區(qū)分，其次要正確認(rèn)識(shí)圓錐軸承布置形式對(duì)溫度敏感性的問題。影響軸承游隙的是內(nèi)外圈的溫差而不是整體環(huán)境的溫度變化，環(huán)境溫度從常溫上升到50°C時(shí)，不僅僅只有軸會(huì)膨脹，其他的部件也會(huì)。在膨脹系數(shù)差別不大的前提下，游隙的變化不會(huì)有很多人想象的那么大。還有更重要的一點(diǎn)就是單列圓錐滾子軸承布置形式分為背對(duì)背布置以及面對(duì)面布置，這兩種布置形式適用于不同的應(yīng)用，在風(fēng)電機(jī)組主軸上為了提高抗傾覆力矩的能力，一般采用背對(duì)背的布置形式。這兩種布置形式軸承的運(yùn)行游隙對(duì)溫差敏感性是完全不同的。假定在一個(gè)應(yīng)用中，有兩個(gè)錐角為23°的單列圓錐滾子軸承被布置成背對(duì)背以及面對(duì)面兩個(gè)形式，假設(shè)溫差達(dá)到20C,軸承之間距離為2m，軸承外圈平均工作點(diǎn)直徑0.9m，零部件的膨脹系數(shù)為12*E-6，那么面對(duì)面安裝時(shí)軸向游隙的變化為0.984mm，背對(duì)背安裝時(shí)軸向游隙的變化為0.024mm，兩種不同布置形式對(duì)溫差的敏感性差別極大。對(duì)此，也許會(huì)有人不解——只是換了個(gè)布置形式為什么差別有這么大？實(shí)際上，軸的膨脹有兩個(gè)方向，一個(gè)是徑向，一個(gè)是軸向，徑向的膨脹會(huì)導(dǎo)致游隙的減小，但軸向的膨脹在背對(duì)背布置會(huì)增大游隙，最終游隙的變化大小取決于軸承直徑，錐角以及軸承間距離這些因素的綜合影響，在設(shè)計(jì)階段如果預(yù)先把溫度的影響考慮進(jìn)來，那么熱脹冷縮對(duì)游隙的影響幾乎可以忽略不計(jì)。其實(shí)這種設(shè)計(jì)方案在國外已經(jīng)比較普遍，采用這種設(shè)計(jì)的最大機(jī)型是10MW風(fēng)電機(jī)組，實(shí)際安裝的最大機(jī)型已達(dá)到7MW。而國內(nèi)也有一些廠家已經(jīng)采用這種方案，已經(jīng)裝機(jī)的最大機(jī)型是5.5MW風(fēng)電機(jī)組，批量化生產(chǎn)的有2MW和2.5MW等機(jī)型。由于在5MW以上機(jī)型中采用這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)比較明顯，目前國內(nèi)其他大部分風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)商也都在嘗試這種新型設(shè)計(jì)方案。針對(duì)3種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我們對(duì)其進(jìn)行了簡單的定性比較，如表1所示。綜上，我們針對(duì)適用于海上風(fēng)電機(jī)組的幾種軸承設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較分析，并對(duì)其進(jìn)行了精煉的歸納總結(jié)，可供風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)人員在具體軸承選型時(shí)進(jìn)行參