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风力发电机的轴承解决方案
〖 2013-03-12 | 点击 7603 〗

随着新能源应用的发展,作为新能源中开发较早的风能,在电网中占据了越来越大的比重。同时,越来越多的制造商开发了各种不同的风力发电机主机,为了增强其产品在市场上的竞争实力,从传动链设计的改进,到各种零部件不同功能的考虑,都成为风力发电机主机设计改进的不同考虑因素。

作为风力发电机的主要零部件,轴承的选用一直是主机生产厂商最关心的问题,不论是轴承本身的设计,还是轴承配置的选择,都决定着风力发电机主机的运行性能及使用寿命。

由于风力发电机运行工况复杂,主机维修成本较高,保证其运行的可靠性,即风力发电机的使用寿命,一直都是困扰主机制造商的重要问题。其中轴承的应用对主机效率的影响极为重要。因此,基于风力发电机的复杂性,SKF专门为其并开发了一种特殊的轴承,即“Nautilus”轴承——一种具有特殊的大接触角的双列圆锥滚子轴承(图1)。

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图1 SKF公司研发的Nautilus轴承

风力发电机主机轴承配置

传统的风力发电机轴承配置为双轴承支撑。根据风力发电机的工作原理,传动链通常采用如下设计:主轴、齿轮箱(增速箱)和发电机。在主轴上,采取双轴承的配置是比较传统且比较常用的形式,采用的轴承类型根据设计要求的不同而有所不同,但通常较为传统的轴承配置为球面滚子轴承配置或圆锥滚子轴承配置。

双轴承配置的好处在于主轴轴承承受了大部分复杂的风力载荷,除扭矩外,基本上没有其他载荷会传递到传动链的齿轮箱里,给齿轮箱的设计带来了极大便利。但这种配置也有其自身的缺点,比如传动链较长,除主轴长度外,还要考虑主轴与齿轮箱连接的联轴器的长度。因此,在小功率的风力发电机中,这种配置比较常见。在大功率的风力发电机中,过长的传动链则意味着更大的体积以及更高的制造成本。

现最新的主轴轴承配置解决方案为单轴承支撑。随着风力发电机的发展,大功率风力发电机成为市场发展的趋势,较高的能量密度也成为各主机制造商争相追赶的目标,给轴承设计带来了极大挑战。

在大功率风力发电机里,要保证有足够的载荷能力承受较大的风力载荷。因此,主轴,包括轴承的尺寸势必要增大,而这必定会造成主机整体重量的增加,随之而来的则是主机相关部件,包括塔架等零部件制造成本的增加。那么是否有能够在提高风力发电机功率的同时还能减轻重量并降低整个风力发电机的制造成本呢?这成为主机厂商和零部件厂商所面临的日益紧迫的问题,因为成本的下降,意味着产品竞争能力的提高。基于以上种种目的,SKF专门为大功率风力发电机开发了大接触角的圆锥滚子轴承(图2)。

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Nautilus轴承的突出特性

轴承为背对背配置的圆锥滚子轴承,拥有较大的接触角(45)。其不仅让单轴承的主轴配置成为可能,同时大大缩短了传统设计中的传动链长度,使紧凑型的风力发电机设计成为可能。当然,特殊的设计同样保证了轴承或者说传动系统的所有功能。

1.较大的接触角

传统的配对(或者双列)圆锥滚子轴承,接触角一般只有20左右,在保证其较大的径向承载能力以外,轴承的轴向承载能力以及承受倾覆力矩的能力都有一定的限制。因此,在一根主轴上要保证设计能够满足应用的要求,必须要有另外一个轴承作为第二个支点承受另外的径向力,而且两个轴承的配置,才能满足整个轴在受到倾覆力矩时,不会发生变形。

而Nautilus轴承突破了传统接触角的设计,将每个单列轴承的接触角放大到45。与传统的双轴承配置相比较,Nautilus轴承两个单列轴承接触点的连线间的距离远远高于一般圆锥滚子轴承,这两个接触点连线的交点可以作为整个轴系中的两个焦点,成为支撑轴系运行的作用点。

2.分段式的工程塑料保持架

除较大的接触角外,该轴承另一个显著的特点就是采用了分段式工程塑料保持架。对于轴承的内部部件来说,滚动体是重要的承载部件,而保持架除保持滚动的运行状态外,还有分隔滚动体避免其相互间产生摩擦的功能。保持架不是一个受力元件,不能承受任何形式的外力。因此,其往往采用较轻的材料来生产,同时,保持架材料要满足另一个要求,即足够的强度。由于保持架在轴承运行中的旋转所需要的动力是由滚动体所提供的,因此,保持架的材料需要一定的强度来保证其正常的运行。

对于SKF Nautilus轴承来说,为了保证接触角连线足以承受系统中的受力,轴承的尺寸往往都很大,目前市场上应用较多的是直径为2~2.5 m的轴承产品。因此,降低轴承本身重量成为其设计中亟待突破的技术难题。作为承载部件的内外圈和滚动体,为要保证轴承的承载能力,在选材上不能有丝毫马虎。SKF Nautilus轴承采用的工程塑料,不仅能保证足够的强度,而且重量较轻,保证了轴承的旋转性能,同时降低了轴承内部的摩擦。

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分段式设计是SKF Nautilus轴承另一大特色(图3)。在该轴承中四五个滚动体共用一个保持架组件,而各保持架组件之间没有任何其他链接。如果在该轴承中使用传统的一体式保持架,由于尺寸过大,保持架本身的重量就会使其发生变形,在轴承运行过程中,这种变形会导致滚动体与保持架的额外接触,产生额外摩擦。这不仅会增加轴承的运行温度,而且摩擦对保持架和滚动体材料的磨损也会导致保持架甚至滚动体的变形,最终影响轴承的承载能力甚至使用寿命。

分段式保持架,每个组件的个体都很小,即使很多组件放在一起,也不会产生变形。同时,由于每个组件只有四到五个滚动体,因此,保持架所产生的摩擦也会被降低到最小范围内。

3.应用特点

Nautilus轴承现已被广泛应用在大功率风力发电机中,取代了双轴承设计,缩短了传动链的尺寸。那么这种应用到底能带来什么好处,在应用中又会产生哪些问题呢?

传统风力发电机主轴的设计,其轴承的受力分工一般是固定端的轴承承受所有的轴向载荷和部分径向载荷,而另一个轴承作为浮动端承受部分的径向载荷。风场风力载荷的大小决定了所需轴承的尺寸,而轴承尺寸则决定了两轴承间的距离,也决定了整个传动链的长度。

单轴承(Nautilus)设计是在保证同样轴承受力条件下,由一个轴承承受所有的轴向和径向载荷,缩小了整个传动链的尺寸。单轴承设计中除需考虑内部预紧力外,对于轴承的应用来讲,与双轴承没有任何区别。而且单轴承特殊的保持架设计,使其在脂润滑和油润滑条件下都具有非常好的运行性能。

在主轴上只有一个轴承,却要实现两个轴承的作用,那么,这个轴承的刚度就成为在轴承设计中必须考虑的关键因素。Nautilus轴承的内圈为两个分离的部件,通过对风力发电机应用的校核,在生产中将轴承的内部游隙设计到理想范围,在轴承安装后,就能达到最优化的预紧力,简化轴承的安装过程,同时满足轴承正常运行的需要。

圆锥滚子轴承的设计

在早期的市场上,为了满足单轴承的设计要求,通常采用的轴承为三列圆柱滚子轴承。该轴承的设计类似于回转支承,一列滚动体(类似于圆柱滚子轴承)承受所有的径向力,另外两列滚动体(类似于滚子推力轴承)承受系统中的双向轴向力。该轴承似乎可以满足单轴承配置的一些功能,但通过轴承运行的分析发现作为推力轴承功能的两列滚动体在轴承做整圈旋转时,滚动体的两个端面不能达到同样的线速度,这就意味着在轴承运行过程中存在大量的滑动摩擦。而作为滚动轴承,滑动摩擦是要极力避免的,因为它不仅会带来更多的轴承发热,同时滑动摩擦的润滑在轴承润滑中也是非常棘手的一个问题。由于设计上的一些问题,该轴承现在已不能满足日益走向大功率化的风力发电机的需求。

不同设计保持架的比较

除SKF Nautilus轴承的保持架设计外,市场上还有几种不同的保持架设计。现分别比较一下几种保持架的优缺点。

图 4为金属一体的穿销式保持架。顾名思义,该轴承的滚动体为通孔式设计,在滚动体中间有一根销子分别连接在保持架侧圈的两端。在设计上,这种轴承的滚动体尺寸要比相同尺寸的其他轴承大得多,因为不仅要满足足够的承载能力,还要在滚动体内部开一个通孔以便穿销式保持架的安装。另外,滑动部件的润滑是一个很重要的问题,这在上文中已经提及。该轴承滚动体内孔与保持架穿销之间全部都是滑动摩擦,不仅润滑问题不好解决,它所带来的轴承发热也是必须要关注的问题。

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另一种典型设计是没有保持架的满滚子轴承设计。当然,从主轴轴承较低的转速来看,满滚子轴承所带来的旋转能力的下降不足以成为该轴承应用的阻碍。但是,滚动体之间的摩擦则是一个不可忽视的关键。

轴承中之所以要设计保持架,一个重要的功能就是将相邻的两个滚动体分开,在轴承运行时避免轴承滚动体内部的摩擦,降低摩擦及噪声。因此,满滚子轴承虽然具有很高的承载能力,但是在主轴轴承上,由于滚动体内部的摩擦其仍然不是理想的选择。

另外,上文中提及的另一种保持架设计,即与传统轴承相似的一体式保持架。在SKF Nautilus轴承中没有选择一体式保持架,主要是由于其尺寸过大,自身重量会引起保持架的变形,带来更多的滚动体与保持架之间的摩擦。此外,作为产生能源的设备,风力发电机设计中的一个重要问题就是提高能量密度,最大化的降低其零部件的能量损失。从此角度出发,一体式保持架也有着局限性。

风力发电机,因其特殊的应用工况,对零部件的选择至关重要。据研究报告显示,到2012年,风力发电的装机容量将由2007年的90000 MW上升至290000MW。风力发电机制造商及运营商,都越来越倾向于高可靠性的风力发电机主机,以达到经济效益与生态效益的平衡。

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