文章出處：知識中心 網責任編輯： 洛陽軸承 閱讀量： 發表時間：2020-09-24 08:12:36
風電軸承技術趨勢
2005年后市場需求增加，風力發電建設加速。自2009年以來，風力發電建設減慢，但隨著全球環保受到高度重視，風力發電作為一種可再生能源(不產生CO2)，風力發電機組裝機量可能持續增加(圖1)。
1、風力發電技術趨勢
近年來為了提高發電效率和降低發電成本，風力發電機組尺寸逐漸增大且安裝場所由陸地向近海轉移。目前，發電能力最大的量產近海風力發電機組(容量為8 MW)由MHI Vestas 生產，并已宣布開發容量為9.5MW的二代產品。同時，GE公司在2018年3月宣布開發12MW的近海風力發電機組。制造更大的風力發電機組并將其安裝于近海的勢頭正在加速。
存在2類風力發電機組：一類帶增速箱，另一類無增速箱(圖2)。目前排名前十的大容量風力發電機組(表1)包含這2類。消去增速箱將減少可能損壞的機械零件的數量，進而提高可靠性，但風力發電機組將變得較大且更復雜，以致于更昂貴且更重。量產MHI Vestas風力發電機組(8MW)和新一代9.5 MW均包含一個增速箱，未來的大型近海風力發電機組也將采用這種設計。
2、風電軸承
常見的包含一個增速箱的風力發電機組動力傳動系統部件構成和應用于傳動系統的典型軸承如圖3所示。在主軸、增速箱、發電機中使用了不同類型和尺寸的軸承。主軸上需要1或2套外徑為1~2 m的軸承，這取決于支承結構。許多外徑為0.2 ~2.0 m的軸承用于支承增速箱的齒輪軸。發電機需要外徑為0.4 ~0.6 m的軸承支承轉子軸。
隨著風力發電機組尺寸增大，需要更大的軸承且要求軸承具有更高的承載能力。接下來介紹NSK為應對，上述需要所開發的軸承。
3.1 主軸軸承
支承槳葉的主軸軸承承受從槳葉傳遞到增速箱的較大的徑向和軸向載荷，因此其應具有高剛度。
風力發電機組的一種典型主軸結構是由單套軸承支承的三點支承結構(圖2)，該結構采用調心滾子軸承作為主軸軸承。
隨著風力發電機組越來越大，作用于軸承上的載荷也變大。大型風力發電機組采用2套軸承支承主軸(圖2)。該結構采用單列或雙列圓錐滾子軸承、單列圓柱滾子軸承和調心滾子軸承。
主軸轉速較低(8 ~ 15 r/min)，因此脂潤滑軸承的潤滑狀態較差。更重要的是，調心滾子軸承會發生差動滑動，導致軸承磨損及損傷(圖4)。NSK采用DLC涂層有效減少這種磨損，該方法正在評估。
3.2 增速箱軸承
增速箱是使主軸的極低轉速變為發電機端的較高轉速。高的加速比需要較多齒輪。齒輪軸需要10 ~20套軸承支承。
4MW級的主軸轉速約為11r/min,然而4極發電機轉速則為1 500~1 800 r/min，加速比超過130。另一方面，由于噪聲問題,槳葉邊緣速度被約束，隨著風力發電機組增大(槳葉變長)，主軸轉速則進一步降低。此時，若將主軸轉速加速到4極發電機轉速，加速比達150以上。因此，系統采用多于4極的發電機和低加速比(約50)(中速類型)的增速箱。
1個行星齒輪和2個斜齒輪增速箱適用于2.5 MW，對于更高加速比則采用2個行星齒輪和1個斜齒輪增速箱，一些低主軸轉速的中速類型增速箱則采用2或3個行星齒輪，如圖5所示。
隨著風力發電機組尺寸增大，進風側輸入扭矩增大，作用于軸承的載荷增加。行星齒輪用一套軸承支承行星架軸，一套軸承支承行星齒輪軸。因扭矩增加，驅動軸變厚，使行星架軸承變大，承載能力增大，但隨著行星齒輪向緊湊化和輕量化發展，行星齒輪軸承承載能力必須提高。因而，在更多的情況下去掉了外圈，行星齒輪軸承安裝孔帶有外圈滾道且軸承承載能力因采用更大滾子直徑而增大(圖6)。
風力發電機組增速箱軸承通常由于顯微組織變化引起的剝落而早期損傷。部分剝落截面的顯微組織經腐蝕后呈白色，這種剝落通常稱為白色組織剝落或白蝕裂紋(圖7)。白色組織剝落可通過充氫試樣的滾動接觸疲勞試驗再現。因此，風力發電機組增速箱軸承的白色組織剝落由氫引起。白色組織剝落認為需經4個階段(圖8)：
由于受潤滑劑的添加劑及滑動、振動、電流的影響，潤滑劑分解，產生的氫滲入軸承鋼中；
循環應力作用導致鋼中形成白色組織；
白色組織邊緣產生裂紋；
裂紋擴展導致剝落。
可在軸承表面用黑色氧化物涂層。氫通過潤滑劑分解并與新鮮金屬表面發生化學反應而產生。黑色氧化物涂層抑制新鮮金屬表面形成，阻止氫產生。黑色氧化物涂層的磨損導致軸承壽命減少。因此，軸承服役環境需要充足的油膜。
研究發現改進鋼合金成分可抑制白色組，織剝落，進而延長壽命。添加足夠的合金元素可延遲顯微組織變化。碳氮共滲熱處理也有助于延長與白色組織剝落相關的軸承壽命。近表面殘余壓應力可延遲裂紋擴展，增加殘余奧氏體含量可延緩高剪切應力位置的氫聚集。
通過優化合金元素含量及特殊熱處理，NSK已開發了抑制白色組織剝落鋼( AWS -TFTM)。AWS- TFTM達到預期壽命，其抑制白色組織剝落壽命為標準SUJ2鋼的7倍(圖9)。NSK抗表面起源剝落特級鋼STFTM也可有效抑制白色組織剝落，其預期壽命為標準SUJ2鋼的4倍。
3.3 發電機軸承
發電機軸承通常采用深溝球軸承和圓柱滾子軸承。發電機軸承內、外圈間經常產生電位差，從而引起電蝕(電火花局部熔化)(圖10)。
應對電蝕的措施是，不僅發電機外緣絕緣處理，標準軸承也被同樣尺寸的絕緣軸承替代。絕緣軸承要么是裝配陶瓷球的深溝球軸承，要么是軸承內徑面或外徑面通過陶瓷熱噴涂處理(圖11)。
4、分析與設計
增大風力發電機組尺寸需要軸承具有更高的承載能力。另外，因費用增加(包含建設費用)，增速箱的重量和剛度也減小。因此，軸承設計需考慮整個增速箱的變形。為了提高軸承承載能力，FEM分析用來優化保持架形狀(圖12)。對整個增速箱(包括軸承座和行星架)進行FEM分析，這作為一種探究增速箱變形的影響的方法。不僅如此，這類分析也用來評估軸承中各滾子的承載，估算預期壽命以及檢查軸承技術參數(圖13)。
5、結束語
因為近海風況更好，所以風力發電機組安裝場所從陸地轉移到近海。另外，在中、低風況下，近海風力發電機組尺寸和安裝面積增大。因此，市場需要更大的軸承且其具有高承載能力和高可靠性。
（來源：《Motion & Control》）
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