風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承八木壯一風(fēng)力發(fā)電作為清潔型能源倍受關(guān)注，并迅速普及，NTN進(jìn)行軸承的詳細(xì)技術(shù)分析并開發(fā)各種新產(chǎn)品，努力提高風(fēng)機(jī)軸承的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。本文就風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和所用軸承的特點(diǎn)及選用時應(yīng)注意的方面加以解說。2002年，在世界范圍內(nèi)發(fā)電量大約為31000MW，比上一年增加27%。在過去的幾年里，作為對環(huán)境沒有污染的最清潔的能源，無二氧化碳排放的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，贏得了廣泛的認(rèn)可。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向就是提高可靠性和經(jīng)濟(jì)效益同時降低經(jīng)營成本。就這種應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)而言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)上最重要的組件之一軸承，需要優(yōu)化可靠性和經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計(jì)。本文介紹風(fēng)機(jī)軸承的特殊性能和優(yōu)化風(fēng)機(jī)軸承的設(shè)計(jì)方法。1、 前言全

2、世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量，2002年底約達(dá)到31000MW，比上一年度增加了27%。風(fēng)力發(fā)電作為沒有二氧化碳排放且對環(huán)境影響最小的清潔型能源，近年來在全球迅速普及。在風(fēng)力發(fā)電方面，提高設(shè)備的可靠性和降低發(fā)電成本提高其經(jīng)濟(jì)性是主要課題。支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組件軸承，充分考慮使用環(huán)境，需要高可靠性和高經(jīng)濟(jì)性并存的最佳設(shè)計(jì)。文章介紹軸承的最佳設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)用軸承。2、 風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和軸承圖1表示12MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)艙。在轉(zhuǎn)子主軸、齒輪箱（增速機(jī)）、發(fā)電機(jī)、偏航齒輪箱（減速機(jī)）、還有偏航旋轉(zhuǎn)座、葉片節(jié)矩旋轉(zhuǎn)座、液壓泵等許多部位都使用軸承。3、 軸承的使用條件轉(zhuǎn)子主軸軸承，支撐葉片和轉(zhuǎn)子，且把旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到增速機(jī)

3、。由于風(fēng)經(jīng)常變化，所以作用于主軸軸承的負(fù)荷和轉(zhuǎn)數(shù)變化很大。在起動風(fēng)速（為了發(fā)電必需的最小風(fēng)速）以下時，轉(zhuǎn)子主軸處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，低速輕負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，而在起動風(fēng)速以上的發(fā)電狀態(tài)下，額定轉(zhuǎn)數(shù)上升，負(fù)荷也達(dá)到平均值。特別是突然刮風(fēng)時，通過葉片、轉(zhuǎn)子，主軸軸承要承載很大的負(fù)荷。主軸軸承所承載的負(fù)荷和力矩 1如圖2所示。和主軸軸承一樣齒輪箱軸承也要承載這樣的負(fù)荷力矩和轉(zhuǎn)數(shù)的變動。在從輕負(fù)荷到突然刮風(fēng)時的重負(fù)荷幅度較寬的負(fù)荷區(qū)域里運(yùn)轉(zhuǎn)，是風(fēng)機(jī)軸承的一大特點(diǎn)。圖3表示的是700KW級風(fēng)機(jī)在23m/s25m/s之間1分鐘內(nèi)的負(fù)荷和力矩變化的例子。轉(zhuǎn)子主軸軸承，經(jīng)常承受變動的負(fù)荷，同時反復(fù)不規(guī)律地起動、加速、減速、停止

4、。對除轉(zhuǎn)子主軸軸承之外的軸承，使用部位，特別是對最小負(fù)荷、平均負(fù)荷、最大負(fù)荷的各種條件，軸承類型、軸承游隙、軸承的滾子個數(shù)、凸度加工、保持架等軸承的最佳技術(shù)條件的研究是非常重要的。4、 轉(zhuǎn)子主軸軸承用增速機(jī)加速葉片旋轉(zhuǎn)以達(dá)到感應(yīng)發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)，這種形式的發(fā)電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)和適用軸承如表1所示。另外，無增速機(jī)的同類發(fā)電機(jī)的主軸結(jié)構(gòu)如表2所示。設(shè)計(jì)時考慮最大負(fù)荷負(fù)重時軸箱的必要強(qiáng)度和平均負(fù)荷負(fù)重時軸箱的變位進(jìn)行軸承壽命的研究，選擇滿足簡化的軸箱設(shè)計(jì)和實(shí)用上充分計(jì)算壽命的主軸軸承。另外，考慮軸箱和外圈滾道面的變形，計(jì)算各滾動體負(fù)荷并計(jì)算旋轉(zhuǎn)套圈和固定套圈各自的壽命。1 QR= Z1Qs= ZJ=1ZZ

5、(QRJ)wi1/wi J=1(QsJ)we1/weQR ,Qs ：旋轉(zhuǎn)套圈、固定套圈的平均負(fù)荷Z ：滾動體個數(shù)we, wi ：常量LR=(Cn/QR)P ：旋轉(zhuǎn)套圈的壽命LS =(Cn/QS)P ：固定套圈的壽命L= (LR-e+ LS-e)-1/e：軸承壽命Cn ：對于接觸點(diǎn)的額定動負(fù)荷P ：球軸承 3滾軸承 10/3e ：球軸承 10/9滾軸承 9/8就軸承類型而言，自動調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承是主流，但大多使用在非直線性上有利的自動調(diào)心滾子軸承。主軸的非直線性一般需要考慮±0.5°。NTN的B型自動調(diào)心滾子軸承，由于是用中間擋邊引導(dǎo)滾子的設(shè)計(jì)，所以在從最小負(fù)荷到最

6、大負(fù)荷較寬的負(fù)荷區(qū)域，沒有歪斜，可以在穩(wěn)定的扭矩和低發(fā)熱情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4表示NTN自動調(diào)心滾子軸承的B型和C型的結(jié)構(gòu)。另外，在轉(zhuǎn)子主軸軸承上，葉片振動和齒輪箱振動增加，就有發(fā)生摩擦腐蝕的危險(xiǎn)，因此，軸承的選定和游隙以及配合的最佳化和選擇合適的潤滑油是很重要的。 照片1是加振試驗(yàn)后的軸承外觀的例子。轉(zhuǎn)子主軸軸承外圈和軸箱的變形分析例如圖5所示。根據(jù)軸箱的應(yīng)力分析，考慮強(qiáng)度 2確認(rèn)和軸箱以及軸承的變形量、軸承游隙，計(jì)算軸承壽命，試圖優(yōu)化軸承和軸箱。1.5MW風(fēng)機(jī)的軸承和軸箱徑向的最大變形量為0.07mm?？紤]到這個變形量和軸承游隙的軸承壽命計(jì)算結(jié)果和把軸箱作為鋼體的壽命差在5%以內(nèi)，這個值在實(shí)用上

7、是沒有問題的。這個壽命差大，壽命就縮短，這時，必須變更軸箱設(shè)計(jì)，提高剛性。5、 齒輪箱用行星軸承齒輪箱由輸入軸、行星、低速軸、中間軸、高速軸組成。增速機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。在輸入軸、低速軸上使用的滿裝圓柱滾子軸承的外觀如照片2所示。另外，行星齒輪結(jié)構(gòu)的模型如圖7所示。行星軸承上使用自動調(diào)心滾子軸承、滿裝圓柱滾子軸承。在行星軸承的分析模型中，以軸承的負(fù)荷作為滾動體負(fù)荷，固定內(nèi)齒輪端和恒星齒輪端的各個齒輪咬合點(diǎn)，考慮外圈變形，計(jì)算軸承壽命。圖8表示的是1.5MW齒輪箱用的行星軸承的變形分析結(jié)果的例子。行星軸承采用2套雙列圓柱滾子軸承的滾動體4列，最大變形量為0.21mm。根據(jù)分析結(jié)果，考慮套圈彈性

8、形變的計(jì)算壽命，在各列之間產(chǎn)生了最大58%的差，我們認(rèn)為托架端列與其他列端相比荷重負(fù)荷比例高，計(jì)算壽命短。軸承的排列如圖9所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示。齒輪箱用的軸承的最大接觸面壓力，在自動調(diào)心滾子軸承的情況下用點(diǎn)接觸進(jìn)行計(jì)算，圓柱滾子軸承就用線接觸求得。而且應(yīng)用考慮非直線性的計(jì)算有規(guī)范的傾向。Pmax=KlcKmPline(圓柱滾子軸承)Klc：凸面修正系數(shù)Km：非直線性系數(shù)Pline：最大線接觸表面壓力自動調(diào)心滾子軸承的最大接觸面壓力超過規(guī)定值時，需要加大軸承尺寸。這時計(jì)算壽命延長，也可以降低最大接觸面壓力，相反，在輕負(fù)荷時滾動體很難在滾道面上滾動，滑動增加，會發(fā)生滾道面表面損傷的危險(xiǎn)。因此，

9、NTN推薦最小負(fù)荷在基本額定靜負(fù)荷的4%以上。在潤滑面上，需要有為了起動時不使油面上部的行星軸承潤滑不足的方法。綜上所述，行星齒輪的課題可以歸納為以下3點(diǎn)。 齒輪和軸承外圈彈性形變的影響 由托架扭曲等引起的行星軸承的非直線性的影響 潤滑油不足的影響選定充分考慮這些特點(diǎn)的最佳的軸承規(guī)格。作為行星齒輪，在這些使用條件下，在高負(fù)荷容量且輕負(fù)荷情況下，NTN試圖達(dá)到滑動和粘著性很強(qiáng)的擋邊設(shè)計(jì)和軸向游隙的最佳化。另外，通過特殊熱處理達(dá)到長壽命化。特別是，引入如圖10及圖11所示的專用試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)一步推進(jìn)下一代行星軸承的開發(fā)。6、 發(fā)電機(jī)用絕緣軸承發(fā)電機(jī)上使用的軸承，為防止因軸承內(nèi)部導(dǎo)電引起的電火花現(xiàn)象（電

10、蝕），提高其可靠性是必不可少的。NTN開發(fā)了通過采用特殊陶瓷和改良金屬噴鍍法，確保絕緣能力和可靠性的單層式新產(chǎn)品。絕緣電阻值100M以上，具有絕緣破壞電壓2KV以上的絕緣性能，滿足了風(fēng)力發(fā)電機(jī) 3要求的絕緣性能。絕緣軸承的外觀如照片3所示。7、 偏航齒輪箱用軸承由于偏航齒輪箱要求小型且大扭矩傳動，所以軸承也追求小型設(shè)計(jì)且高負(fù)荷容量。因此，滾道圈多使用薄壁角接觸球軸承和圓錐滾子軸承。如果是負(fù)載較大軸向負(fù)荷的角接觸球軸承，就要提高內(nèi)圈以及外圈滾道溝槽擋邊的高度，作為增大容許軸向負(fù)荷的特殊設(shè)計(jì)。圖12表示偏航齒輪箱用的特殊產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的橫斷面。該型號與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品相比，確保約9倍的高容許軸向負(fù)荷。為了圓錐滾子軸承長壽命化，采用經(jīng)碳氮共滲處理的ETA軸承。ETA軸承，由于特殊的熱處理，表層部分殘留奧氏體和炭化物的分散恰當(dāng)，熱穩(wěn)定性好，對潤滑油中的異物有很高的耐剝皮強(qiáng)度，是一種長壽命軸承，試驗(yàn)條件如表4所示，壽命試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。通過這個方法，NTN達(dá)到了小型、可靠性高的軸承技術(shù)要求。8、