風(fēng)力渦輪機主軸軸承及SKF風(fēng)機主軸軸承設計簡(jiǎn)介
2024-03-06 10:43:33
近年來(lái)，全球風(fēng)能市場(chǎng)快速增長(cháng)，實(shí)現了產(chǎn)能增長(cháng)和成本降低，超出了許多行業(yè)人士的預期，該行業(yè)擴張的一個(gè)關(guān)鍵因素是開(kāi)發(fā)出了更大、更強的渦輪機設計。
此外，使用離岸發(fā)電站也有助于該行業(yè)快速提高產(chǎn)能，因為離岸發(fā)電站具有一致的風(fēng)力條件，可以安裝大型渦輪機陣列，截至2017年底，歐洲的海上風(fēng)能容量接近16千兆瓦，該地區水域有4000多臺并網(wǎng)渦輪機運行，目前運行的最大渦輪機的容量為8.8MW，首批9.5MW機組于2018年夏季開(kāi)工建設，12MW機組進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段。
這些巨大的機器，總高度可達230米，轉子直徑超過(guò)160米，帶來(lái)了許多重大的工程挑戰，一個(gè)關(guān)鍵因素是主軸軸承布置，這些軸承位于渦輪機塔架頂部的機艙內，必須支撐轉子的重量以及風(fēng)產(chǎn)生的額外負載，同時(shí)允許其自由旋轉并將扭矩傳遞給發(fā)電機。
風(fēng)力渦輪機主軸軸承在困難的條件下運行，它們以大約10rpm的相對較低的速度旋轉，并經(jīng)歷由渦輪機上的氣流波動(dòng)和其控制系統進(jìn)行的調整所產(chǎn)生的連續可變負載，在海上應用中，渦輪機軸承也可能暴露在腐蝕性海水中。在最大的渦輪機中，這些軸承的內孔超過(guò)2米，與更換軸承相關(guān)的高成本和技術(shù)難度意味著(zhù)運營(yíng)商希望軸承能持續使用，能在渦輪機的整個(gè)25年生命周期內不用更換。
渦輪機主軸軸承沒(méi)有單一的理想配置，渦輪機機械動(dòng)力傳輸的設計取決于多個(gè)因素，包括機艙內的可用空間、齒輪箱的配置和每個(gè)機組的特定運行狀態(tài)。一些渦輪機設計采用直接驅動(dòng)方式，例如，發(fā)電機安裝在主軸周?chē)?，沒(méi)有中間傳動(dòng)裝置，其他渦輪機，尤其是最大的渦輪機，在機艙內使用相對較長(cháng)的軸，以在風(fēng)荷載偏轉時(shí)保持葉尖遠離塔架。
渦輪機制造商在為不同的渦輪機選擇軸承時(shí)也采用了不同的設計理念，一些渦輪機比其他渦輪機更靈活，并且可以在不經(jīng)歷軸偏轉的寄生負載的情況下適應錯位，可以通過(guò)使用兩套調心滾子軸承（SRB）（一套定位軸承和另一套非定位軸承），或SRB和CARB軸承組合（因為CARB軸承可以適應軸向偏轉和錯位）來(lái)實(shí)現。在SRB設計中，滾子在軸承內有一定的自由度來(lái)固定位置，適應偏轉和錯位，同時(shí)確保載荷均勻分布在滾子表面。
其他制造商通常使用更“剛性”的設置，例如兩個(gè)交叉定位的TRB，這種設置能夠很好地應對大型渦輪機所經(jīng)歷的非常高的軸向載荷，但由于軸承必須在設定的預緊下運行，因此需要高水平的裝配精度才能正確運行。
盡管行業(yè)內對不同軸承布置的相對優(yōu)點(diǎn)存在相當大的爭論，但分析、測試和實(shí)際經(jīng)驗表明，目前采用的所有配置都可以可靠運行，例如，法國特魯瓦理工大學(xué)的研究人員在《國際可再生能源研究雜志》上報道稱(chēng)，所用軸承的類(lèi)型和位置都不是影響風(fēng)力渦輪機軸承磨損率的因素。
因此，與許多工程問(wèn)題一樣，軸承類(lèi)型和布置并不是解決風(fēng)力渦輪機可靠性挑戰的靈丹妙藥，相反，制造商需要確保，無(wú)論采用何種配置，軸承的設計、尺寸和制造都能適應他們將要經(jīng)歷的操作條件，與高性能工程的其他領(lǐng)域一樣，重要的是細節，例如，確保系統中的所有軸承都設計為協(xié)同工作，具有適當的幾何形狀和間隙。
當軸承因陣風(fēng)或內部振動(dòng)而暴露在瞬態(tài)過(guò)載條件下時(shí)，優(yōu)化的滾子輪廓可降低峰值應力，高純度材料和制造過(guò)程中精心控制的熱處理可提高承載能力和使用壽命。
制造商還需要從整個(gè)系統的角度來(lái)看待問(wèn)題，為了減少重量和空間要求，越來(lái)越希望將不同的傳動(dòng)系部件集成在渦輪機內，例如，一些設計將一個(gè)主轉子軸承與齒輪箱集成在一起，如果這樣做，就必須將轉子軸承及其周?chē)Y構與隨后的齒輪級解耦，以確保軸承的變形不會(huì )影響齒輪箱的性能和可靠性。
憑借多年的現場(chǎng)經(jīng)驗和與許多世界領(lǐng)先的風(fēng)力渦輪機制造商的良好合作記錄，SKF繼續走在風(fēng)力渦輪機軸承設計和制造的前沿，隨著(zhù)行業(yè)的發(fā)展不斷帶來(lái)新的挑戰，SKF正在開(kāi)發(fā)新的能力來(lái)應對這些挑戰。例如，位于巴伐利亞州的SKF Sven Wingquist測試中心是世界上第一個(gè)不僅可以測試單個(gè)風(fēng)能軸承（外徑高達6米），而且可以在實(shí)際負載條件下測試整個(gè)軸承組件（包括相鄰的客戶(hù)組件）的測試臺。