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風力發電機的軸承解決方案
〖 2013-03-12 | 點擊 6558 〗

随着新能源應用的發展,作為新能源中開發較早的風能,在電網中占據了越來越大的比重。同時,越來越多的制造商開發了各種不同的風力發電機主機,為了增強其産品在市場上的競争實力,從傳動鍊設計的改進,到各種零部件不同功能的考慮,都成為風力發電機主機設計改進的不同考慮因素。

作為風力發電機的主要零部件,軸承的選用一直是主機生産廠商最關心的問題,不論是軸承本身的設計,還是軸承配置的選擇,都決定着風力發電機主機的運行性能及使用壽命。

由于風力發電機運行工況複雜,主機維修成本較高,保證其運行的可靠性,即風力發電機的使用壽命,一直都是困擾主機制造商的重要問題。其中軸承的應用對主機效率的影響極為重要。因此,基于風力發電機的複雜性,SKF專門為其并開發了一種特殊的軸承,即“Nautilus”軸承——一種具有特殊的大接觸角的雙列圓錐滾子軸承(圖1)。

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圖1 SKF公司研發的Nautilus軸承

風力發電機主機軸承配置

傳統的風力發電機軸承配置為雙軸承支撐。根據風力發電機的工作原理,傳動鍊通常采用如下設計:主軸、齒輪箱(增速箱)和發電機。在主軸上,采取雙軸承的配置是比較傳統且比較常用的形式,采用的軸承類型根據設計要求的不同而有所不同,但通常較為傳統的軸承配置為球面滾子軸承配置或圓錐滾子軸承配置。

雙軸承配置的好處在于主軸軸承承受了大部分複雜的風力載荷,除扭矩外,基本上沒有其他載荷會傳遞到傳動鍊的齒輪箱裡,給齒輪箱的設計帶來了極大便利。但這種配置也有其自身的缺點,比如傳動鍊較長,除主軸長度外,還要考慮主軸與齒輪箱連接的聯軸器的長度。因此,在小功率的風力發電機中,這種配置比較常見。在大功率的風力發電機中,過長的傳動鍊則意味着更大的體積以及更高的制造成本。

現最新的主軸軸承配置解決方案為單軸承支撐。随着風力發電機的發展,大功率風力發電機成為市場發展的趨勢,較高的能量密度也成為各主機制造商争相追趕的目标,給軸承設計帶來了極大挑戰。

在大功率風力發電機裡,要保證有足夠的載荷能力承受較大的風力載荷。因此,主軸,包括軸承的尺寸勢必要增大,而這必定會造成主機整體重量的增加,随之而來的則是主機相關部件,包括塔架等零部件制造成本的增加。那麼是否有能夠在提高風力發電機功率的同時還能減輕重量并降低整個風力發電機的制造成本呢?這成為主機廠商和零部件廠商所面臨的日益緊迫的問題,因為成本的下降,意味着産品競争能力的提高。基于以上種種目的,SKF專門為大功率風力發電機開發了大接觸角的圓錐滾子軸承(圖2)。

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Nautilus軸承的突出特性

軸承為背對背配置的圓錐滾子軸承,擁有較大的接觸角(45)。其不僅讓單軸承的主軸配置成為可能,同時大大縮短了傳統設計中的傳動鍊長度,使緊湊型的風力發電機設計成為可能。當然,特殊的設計同樣保證了軸承或者說傳動系統的所有功能。

1.較大的接觸角

傳統的配對(或者雙列)圓錐滾子軸承,接觸角一般隻有20左右,在保證其較大的徑向承載能力以外,軸承的軸向承載能力以及承受傾覆力矩的能力都有一定的限制。因此,在一根主軸上要保證設計能夠滿足應用的要求,必須要有另外一個軸承作為第二個支點承受另外的徑向力,而且兩個軸承的配置,才能滿足整個軸在受到傾覆力矩時,不會發生變形。

而Nautilus軸承突破了傳統接觸角的設計,将每個單列軸承的接觸角放大到45。與傳統的雙軸承配置相比較,Nautilus軸承兩個單列軸承接觸點的連線間的距離遠遠高于一般圓錐滾子軸承,這兩個接觸點連線的交點可以作為整個軸系中的兩個焦點,成為支撐軸系運行的作用點。

2.分段式的工程塑料保持架

除較大的接觸角外,該軸承另一個顯著的特點就是采用了分段式工程塑料保持架。對于軸承的内部部件來說,滾動體是重要的承載部件,而保持架除保持滾動的運行狀态外,還有分隔滾動體避免其相互間産生摩擦的功能。保持架不是一個受力元件,不能承受任何形式的外力。因此,其往往采用較輕的材料來生産,同時,保持架材料要滿足另一個要求,即足夠的強度。由于保持架在軸承運行中的旋轉所需要的動力是由滾動體所提供的,因此,保持架的材料需要一定的強度來保證其正常的運行。

對于SKF Nautilus軸承來說,為了保證接觸角連線足以承受系統中的受力,軸承的尺寸往往都很大,目前市場上應用較多的是直徑為2~2.5 m的軸承産品。因此,降低軸承本身重量成為其設計中亟待突破的技術難題。作為承載部件的内外圈和滾動體,為要保證軸承的承載能力,在選材上不能有絲毫馬虎。SKF Nautilus軸承采用的工程塑料,不僅能保證足夠的強度,而且重量較輕,保證了軸承的旋轉性能,同時降低了軸承内部的摩擦。

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分段式設計是SKF Nautilus軸承另一大特色(圖3)。在該軸承中四五個滾動體共用一個保持架組件,而各保持架組件之間沒有任何其他鍊接。如果在該軸承中使用傳統的一體式保持架,由于尺寸過大,保持架本身的重量就會使其發生變形,在軸承運行過程中,這種變形會導緻滾動體與保持架的額外接觸,産生額外摩擦。這不僅會增加軸承的運行溫度,而且摩擦對保持架和滾動體材料的磨損也會導緻保持架甚至滾動體的變形,最終影響軸承的承載能力甚至使用壽命。

分段式保持架,每個組件的個體都很小,即使很多組件放在一起,也不會産生變形。同時,由于每個組件隻有四到五個滾動體,因此,保持架所産生的摩擦也會被降低到最小範圍内。

3.應用特點

Nautilus軸承現已被廣泛應用在大功率風力發電機中,取代了雙軸承設計,縮短了傳動鍊的尺寸。那麼這種應用到底能帶來什麼好處,在應用中又會産生哪些問題呢?

傳統風力發電機主軸的設計,其軸承的受力分工一般是固定端的軸承承受所有的軸向載荷和部分徑向載荷,而另一個軸承作為浮動端承受部分的徑向載荷。風場風力載荷的大小決定了所需軸承的尺寸,而軸承尺寸則決定了兩軸承間的距離,也決定了整個傳動鍊的長度。

單軸承(Nautilus)設計是在保證同樣軸承受力條件下,由一個軸承承受所有的軸向和徑向載荷,縮小了整個傳動鍊的尺寸。單軸承設計中除需考慮内部預緊力外,對于軸承的應用來講,與雙軸承沒有任何區别。而且單軸承特殊的保持架設計,使其在脂潤滑和油潤滑條件下都具有非常好的運行性能。

在主軸上隻有一個軸承,卻要實現兩個軸承的作用,那麼,這個軸承的剛度就成為在軸承設計中必須考慮的關鍵因素。Nautilus軸承的内圈為兩個分離的部件,通過對風力發電機應用的校核,在生産中将軸承的内部遊隙設計到理想範圍,在軸承安裝後,就能達到最優化的預緊力,簡化軸承的安裝過程,同時滿足軸承正常運行的需要。

圓錐滾子軸承的設計

在早期的市場上,為了滿足單軸承的設計要求,通常采用的軸承為三列圓柱滾子軸承。該軸承的設計類似于回轉支承,一列滾動體(類似于圓柱滾子軸承)承受所有的徑向力,另外兩列滾動體(類似于滾子推力軸承)承受系統中的雙向軸向力。該軸承似乎可以滿足單軸承配置的一些功能,但通過軸承運行的分析發現作為推力軸承功能的兩列滾動體在軸承做整圈旋轉時,滾動體的兩個端面不能達到同樣的線速度,這就意味着在軸承運行過程中存在大量的滑動摩擦。而作為滾動軸承,滑動摩擦是要極力避免的,因為它不僅會帶來更多的軸承發熱,同時滑動摩擦的潤滑在軸承潤滑中也是非常棘手的一個問題。由于設計上的一些問題,該軸承現在已不能滿足日益走向大功率化的風力發電機的需求。

不同設計保持架的比較

除SKF Nautilus軸承的保持架設計外,市場上還有幾種不同的保持架設計。現分别比較一下幾種保持架的優缺點。

圖 4為金屬一體的穿銷式保持架。顧名思義,該軸承的滾動體為通孔式設計,在滾動體中間有一根銷子分别連接在保持架側圈的兩端。在設計上,這種軸承的滾動體尺寸要比相同尺寸的其他軸承大得多,因為不僅要滿足足夠的承載能力,還要在滾動體内部開一個通孔以便穿銷式保持架的安裝。另外,滑動部件的潤滑是一個很重要的問題,這在上文中已經提及。該軸承滾動體内孔與保持架穿銷之間全部都是滑動摩擦,不僅潤滑問題不好解決,它所帶來的軸承發熱也是必須要關注的問題。

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另一種典型設計是沒有保持架的滿滾子軸承設計。當然,從主軸軸承較低的轉速來看,滿滾子軸承所帶來的旋轉能力的下降不足以成為該軸承應用的阻礙。但是,滾動體之間的摩擦則是一個不可忽視的關鍵。

軸承中之所以要設計保持架,一個重要的功能就是将相鄰的兩個滾動體分開,在軸承運行時避免軸承滾動體内部的摩擦,降低摩擦及噪聲。因此,滿滾子軸承雖然具有很高的承載能力,但是在主軸軸承上,由于滾動體内部的摩擦其仍然不是理想的選擇。

另外,上文中提及的另一種保持架設計,即與傳統軸承相似的一體式保持架。在SKF Nautilus軸承中沒有選擇一體式保持架,主要是由于其尺寸過大,自身重量會引起保持架的變形,帶來更多的滾動體與保持架之間的摩擦。此外,作為産生能源的設備,風力發電機設計中的一個重要問題就是提高能量密度,最大化的降低其零部件的能量損失。從此角度出發,一體式保持架也有着局限性。

風力發電機,因其特殊的應用工況,對零部件的選擇至關重要。據研究報告顯示,到2012年,風力發電的裝機容量将由2007年的90000 MW上升至290000MW。風力發電機制造商及運營商,都越來越傾向于高可靠性的風力發電機主機,以達到經濟效益與生态效益的平衡。

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