風力渦輪機主軸軸承及SKF風機主軸軸承設計簡介
2024-03-06 10:43:33
近年來，全球風能市場快速增長，實現了產能增長和成本降低，超出了許多行業人士的預期，該行業擴張的一個關鍵因素是開發出了更大、更強的渦輪機設計。
此外，使用離岸發電站也有助于該行業快速提高產能，因為離岸發電站具有一致的風力條件，可以安裝大型渦輪機陣列，截至2017年底，歐洲的海上風能容量接近16千兆瓦，該地區水域有4000多臺并網渦輪機運行，目前運行的最大渦輪機的容量為8.8MW，首批9.5MW機組于2018年夏季開工建設，12MW機組進入開發階段。
這些巨大的機器，總高度可達230米，轉子直徑超過160米，帶來了許多重大的工程挑戰，一個關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產生的額外負載，同時允許其自由旋轉并將扭矩傳遞給發電機。
風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，并經歷由渦輪機上的氣流波動和其控制系統進行的調整所產生的連續可變負載，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2米，與更換軸承相關的高成本和技術難度意味著運營商希望軸承能持續使用，能在渦輪機的整個25年生命周期內不用更換。
渦輪機主軸軸承沒有單一的理想配置，渦輪機機械動力傳輸的設計取決于多個因素，包括機艙內的可用空間、齒輪箱的配置和每個機組的特定運行狀態。一些渦輪機設計采用直接驅動方式，例如，發電機安裝在主軸周圍，沒有中間傳動裝置，其他渦輪機，尤其是最大的渦輪機，在機艙內使用相對較長的軸，以在風荷載偏轉時保持葉尖遠離塔架。
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，并且可以在不經歷軸偏轉的寄生負載的情況下適應錯位，可以通過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）來實現。在SRB設計中，滾子在軸承內有一定的自由度來固定位置，適應偏轉和錯位，同時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，例如兩個交叉定位的TRB，這種設置能夠很好地應對大型渦輪機所經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。
盡管行業內對不同軸承布置的相對優點存在相當大的爭論，但分析、測試和實際經驗表明，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的研究人員在《國際可再生能源研究雜志》上報道稱，所用軸承的類型和位置都不是影響風力渦輪機軸承磨損率的因素。
因此，與許多工程問題一樣，軸承類型和布置并不是解決風力渦輪機可靠性挑戰的靈丹妙藥，相反，制造商需要確保，無論采用何種配置，軸承的設計、尺寸和制造都能適應他們將要經歷的操作條件，與高性能工程的其他領域一樣，重要的是細節，例如，確保系統中的所有軸承都設計為協同工作，具有適當的幾何形狀和間隙。
當軸承因陣風或內部振動而暴露在瞬態過載條件下時，優化的滾子輪廓可降低峰值應力，高純度材料和制造過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系統的角度來看待問題，為了減少重量和空間要求，越來越希望將不同的傳動系部件集成在渦輪機內，例如，一些設計將一個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圍結構與隨后的齒輪級解耦，以確保軸承的變形不會影響齒輪箱的性能和可靠性。
憑借多年的現場經驗和與許多世界領先的風力渦輪機制造商的良好合作記錄，SKF繼續走在風力渦輪機軸承設計和制造的前沿，隨著行業的發展不斷帶來新的挑戰，SKF正在開發新的能力來應對這些挑戰。例如，位于巴伐利亞州的SKF Sven Wingquist測試中心是世界上第一個不僅可以測試單個風能軸承（外徑高達6米），而且可以在實際負載條件下測試整個軸承組件（包括相鄰的客戶組件）的測試臺。