風(fēng)力渦輪機(jī)主軸軸承及SKF風(fēng)機(jī)主軸軸承設(shè)計簡介
2024-03-06 10:43:33
近年來，全球風(fēng)能市場快速增長，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能增長和成本降低，超出了許多行業(yè)人士的預(yù)期，該行業(yè)擴(kuò)張的一個關(guān)鍵因素是開發(fā)出了更大、更強(qiáng)的渦輪機(jī)設(shè)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?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年夏季開工建設(shè)，12MW機(jī)組進(jìn)入開發(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160米，帶來了許多重大的工程挑戰(zhàn)，一個關(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的相對較低的速度旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)歷由渦輪機(jī)上的氣流波動和其控制系統(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)營商希望軸承能持續(xù)使用，能在渦輪機(jī)的整個25年生命周期內(nèi)不用更換。
渦輪機(jī)主軸軸承沒有單一的理想配置，渦輪機(jī)機(jī)械動力傳輸?shù)脑O(shè)計取決于多個因素，包括機(jī)艙內(nèi)的可用空間、齒輪箱的配置和每個機(jī)組的特定運(yùn)行狀態(tài)。一些渦輪機(jī)設(shè)計采用直接驅(qū)動方式，例如，發(fā)電機(jī)安裝在主軸周圍，沒有中間傳動裝置，其他渦輪機(jī)，尤其是最大的渦輪機(jī)，在機(jī)艙內(nèi)使用相對較長的軸，以在風(fēng)荷載偏轉(zhuǎn)時保持葉尖遠(yuǎn)離塔架。
渦輪機(jī)制造商在為不同的渦輪機(jī)選擇軸承時也采用了不同的設(shè)計理念，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)錯位，可以通過使用兩套調(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)和錯位）來實(shí)現(xiàn)。在SRB設(shè)計中，滾子在軸承內(nèi)有一定的自由度來固定位置，適應(yīng)偏轉(zhuǎn)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(shè)置，例如兩個交叉定位的TRB，這種設(shè)置能夠很好地應(yīng)對大型渦輪機(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)對不同軸承布置的相對優(yōu)點(diǎn)存在相當(dāng)大的爭論，但分析、測試和實(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，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，無論采用何種配置，軸承的設(shè)計、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)部振動而暴露在瞬態(tài)過載條件下時，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(tǒng)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(jī)內(nèi)，例如，一些設(shè)計將一個主轉(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(xiàn)場經(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)計和制造的前沿，隨著行業(yè)的發(fā)展不斷帶來新的挑戰(zhàn)，SKF正在開發(fā)新的能力來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。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(fēng)能軸承（外徑高達(dá)6米），而且可以在實(shí)際負(fù)載條件下測試整個軸承組件（包括相鄰的客戶組件）的測試臺。