風(fēng)力渦輪機(jī)主軸軸承及SKF風(fēng)機(jī)主軸軸承設(shè)計(jì)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(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能增長(zhǎng)和成本降低，超出了許多行業(yè)人士的預(yù)期，該行業(yè)擴(kuò)張的一個(gè)關(guān)鍵因素是開(kāi)發(fā)出了更大、更強(qiáng)的渦輪機(jī)設(shè)計(jì)。
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?yàn)殡x岸發(fā)電站具有一致的風(fēng)力條件，可以安裝大型渦輪機(jī)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(qū)水域有4000多臺(tái)并網(wǎng)渦輪機(jī)運(yùn)行，目前運(yùn)行的最大渦輪機(jī)的容量為8.8MW，首批9.5MW機(jī)組于2018年夏季開(kāi)工建設(shè)，12MW機(jī)組進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段。
這些巨大的機(jī)器，總高度可達(dá)230米，轉(zhuǎn)子直徑超過(guò)160米，帶來(lái)了許多重大的工程挑戰(zhàn)，一個(gè)關(guān)鍵因素是主軸軸承布置，這些軸承位于渦輪機(jī)塔架頂部的機(jī)艙內(nèi)，必須支撐轉(zhuǎn)子的重量以及風(fēng)產(chǎn)生的額外負(fù)載，同時(shí)允許其自由旋轉(zhuǎn)并將扭矩傳遞給發(fā)電機(jī)。
風(fēng)力渦輪機(jī)主軸軸承在困難的條件下運(yùn)行，它們以大約10rpm的相對(duì)較低的速度旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)歷由渦輪機(jī)上的氣流波動(dòng)和其控制系統(tǒng)進(jìn)行的調(diào)整所產(chǎn)生的連續(xù)可變負(fù)載，在海上應(yīng)用中，渦輪機(jī)軸承也可能暴露在腐蝕性海水中。在最大的渦輪機(jī)中，這些軸承的內(nèi)孔超過(guò)2米，與更換軸承相關(guān)的高成本和技術(shù)難度意味著運(yùn)營(yíng)商希望軸承能持續(xù)使用，能在渦輪機(jī)的整個(gè)25年生命周期內(nèi)不用更換。
渦輪機(jī)主軸軸承沒(méi)有單一的理想配置，渦輪機(jī)機(jī)械動(dòng)力傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)取決于多個(gè)因素，包括機(jī)艙內(nèi)的可用空間、齒輪箱的配置和每個(gè)機(jī)組的特定運(yùn)行狀態(tài)。一些渦輪機(jī)設(shè)計(jì)采用直接驅(qū)動(dòng)方式，例如，發(fā)電機(jī)安裝在主軸周圍，沒(méi)有中間傳動(dòng)裝置，其他渦輪機(jī)，尤其是最大的渦輪機(jī)，在機(jī)艙內(nèi)使用相對(duì)較長(zhǎng)的軸，以在風(fēng)荷載偏轉(zhuǎn)時(shí)保持葉尖遠(yuǎn)離塔架。
渦輪機(jī)制造商在為不同的渦輪機(jī)選擇軸承時(shí)也采用了不同的設(shè)計(jì)理念，一些渦輪機(jī)比其他渦輪機(jī)更靈活，并且可以在不經(jīng)歷軸偏轉(zhuǎn)的寄生負(fù)載的情況下適應(yīng)錯(cuò)位，可以通過(guò)使用兩套調(diào)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?yàn)镃ARB軸承可以適應(yīng)軸向偏轉(zhuǎn)和錯(cuò)位）來(lái)實(shí)現(xiàn)。在SRB設(shè)計(jì)中，滾子在軸承內(nèi)有一定的自由度來(lái)固定位置，適應(yīng)偏轉(zhuǎn)和錯(cuò)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(shè)置，例如兩個(gè)交叉定位的TRB，這種設(shè)置能夠很好地應(yīng)對(duì)大型渦輪機(jī)所經(jīng)歷的非常高的軸向載荷，但由于軸承必須在設(shè)定的預(yù)緊下運(yùn)行，因此需要高水平的裝配精度才能正確運(yùn)行。
盡管行業(yè)內(nèi)對(duì)不同軸承布置的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)存在相當(dāng)大的爭(zhēng)論，但分析、測(cè)試和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，目前采用的所有配置都可以可靠運(yùn)行，例如，法國(guó)特魯瓦理工大學(xué)的研究人員在《國(guó)際可再生能源研究雜志》上報(bào)道稱，所用軸承的類型和位置都不是影響風(fēng)力渦輪機(jī)軸承磨損率的因素。
因此，與許多工程問(wèn)題一樣，軸承類型和布置并不是解決風(fēng)力渦輪機(jī)可靠性挑戰(zhàn)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(shè)計(jì)、尺寸和制造都能適應(yīng)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(xì)節(jié)，例如，確保系統(tǒng)中的所有軸承都設(shè)計(jì)為協(xié)同工作，具有適當(dāng)?shù)膸缀涡螤詈烷g隙。
當(dāng)軸承因陣風(fēng)或內(nèi)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(yīng)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(tǒng)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(jī)內(nèi)，例如，一些設(shè)計(jì)將一個(gè)主轉(zhuǎn)子軸承與齒輪箱集成在一起，如果這樣做，就必須將轉(zhuǎn)子軸承及其周圍結(jié)構(gòu)與隨后的齒輪級(jí)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(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和與許多世界領(lǐng)先的風(fēng)力渦輪機(jī)制造商的良好合作記錄，SKF繼續(xù)走在風(fēng)力渦輪機(jī)軸承設(shè)計(jì)和制造的前沿，隨著行業(yè)的發(fā)展不斷帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，SKF正在開(kāi)發(fā)新的能力來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。例如，位于巴伐利亞州的SKF Sven Wingquist測(cè)試中心是世界上第一個(gè)不僅可以測(cè)試單個(gè)風(fēng)能軸承（外徑高達(dá)6米），而且可以在實(shí)際負(fù)載條件下測(cè)試整個(gè)軸承組件（包括相鄰的客戶組件）的測(cè)試臺(tái)。