NSK風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子軸和齒輪箱用滾動軸承簡介
2023-07-04 10:47:00
NSK英國公司工程經(jīng)理斯博士表示，為風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子軸和齒輪箱設(shè)計和選擇合適的滾動軸承，對于確保風(fēng)力發(fā)電機較長的使用壽命和最大限度地降低維護成本至關(guān)重要。
25年來，NSK軸承一直設(shè)計和生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機軸承，專業(yè)工程師與風(fēng)力渦輪機的設(shè)計師、制造商和運營商密切合作，確保選擇最佳軸承布置，以滿足苛刻的運行要求，具體的軸承選擇由舍弗勒集團內(nèi)部開發(fā)的復(fù)雜軟件進行的詳細計算提供支持。
風(fēng)力渦輪機由一個連接在機艙上的轉(zhuǎn)子組成，機艙位于塔架頂部，機艙內(nèi)有主轉(zhuǎn)子、齒輪箱、發(fā)電機、控制器和制動器，一個蓋子保護機艙內(nèi)的部件，整個機艙以最佳方式與風(fēng)對齊，以防止極端負載并實現(xiàn)經(jīng)濟高效的運行。
風(fēng)力渦輪機的設(shè)計壽命約為20年，因此，延長軸承額定壽命的計算值應(yīng)在120000至170000小時之間，由于其位置，在陸地上的山丘和斜坡上，或在海上幾公里處，塔架高度大，因此風(fēng)力渦輪機的維護間隔長也是至關(guān)重要的。
在風(fēng)力渦輪機中，轉(zhuǎn)子軸至關(guān)重要，因為這是所有感應(yīng)風(fēng)力（徑向和軸向）和力矩直接作用的地方，因此，滾動軸承承受高的動態(tài)載荷和運行條件，除了包括極端轉(zhuǎn)速和負載在內(nèi)的正常運行條件外，軸承還必須應(yīng)對啟動和關(guān)閉時的高瞬態(tài)負載、低負載下的空轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)，在這些情況下可能會發(fā)生滾道的微動和鹽水化。
另一個挑戰(zhàn)是組裝和安裝主轉(zhuǎn)子軸承，這些軸承重達數(shù)百公斤，外徑超過一米，通常需要特殊的工具，以及均勻加熱軸承的方法（通常使用感應(yīng)加熱器），典型的定位（浮動）軸承布置是球面、圓柱或圓錐滾子軸承。
最重要的是齒輪箱的設(shè)計，其中2MNm（3.2MW風(fēng)力渦輪機）的典型輸入扭矩給軸承布置帶來了巨大挑戰(zhàn)，這些高輸入轉(zhuǎn)矩在具有極端峰值負載和最小負載、突然負載反轉(zhuǎn)和波動操作溫度的軸承上施加高動態(tài)力，因此，NSK開發(fā)了復(fù)雜的軟件來模擬軸承的運行條件，包括變速箱殼體的變形（會給軸承施加額外的載荷）。這里使用的軸承可能包括圓錐滾子軸承、帶保持架的圓柱滾子軸承、滿裝圓柱滾子軸承，調(diào)心滾子軸承和深溝球軸承。
在風(fēng)力渦輪機機艙中運行的發(fā)電機比其在地面上的對應(yīng)發(fā)電機承受明顯更大的振動載荷，這也會給軸承和潤滑劑帶來更大的壓力，在發(fā)電機軸承的設(shè)計中，轉(zhuǎn)速、尺寸和設(shè)計起著重要作用，還必須特別注意潤滑劑和防止可能的電流通過的保護措施。
發(fā)電機的軸承裝置通常包括兩個深溝球軸承或一個深溝球、一個圓柱滾子軸承，風(fēng)力發(fā)電機中的電流通過可能會以熔坑和假鹽水的形式對軸承滾道造成嚴重損壞，導(dǎo)致過早故障和昂貴的維修，在許多情況下，安裝絕緣軸承就足夠了，絕緣軸承可采用涂層滾動元件軸承套圈或陶瓷滾動元件混合軸承，帶有陶瓷滾動元件的混合軸承可延長潤滑脂的使用壽命。
除了高度發(fā)達的設(shè)計和精確的制造方法外，軸承的可靠性和使用壽命在很大程度上受到潤滑的影響，選擇正確的潤滑脂、油的性能、添加劑的影響、與污染物有關(guān)的清潔度以及遵守規(guī)定的潤滑間隔，有助于確定系統(tǒng)的整體可靠性。
通常，風(fēng)力渦輪機軸承都配有與著名潤滑油制造商合作開發(fā)的特殊潤滑脂，并在獲得批準之前經(jīng)過一系列全面的測試。
為了幫助設(shè)計過程，NSK開發(fā)了復(fù)雜的軟件，用于對所有軸承類型、復(fù)雜的軸系統(tǒng)甚至完整的齒輪箱進行建模和計算，為了確定計算的軸承壽命，應(yīng)考慮支撐反作用力、軸承內(nèi)部載荷分布和接觸應(yīng)力以及潤滑膜的細節(jié)，為了進行更詳細的分析，可以使用有限元分析（FEA）來確定相鄰結(jié)構(gòu)（即軸和殼體對軸承壽命的影響）。
隨著7.5MW和10MW風(fēng)力渦輪機的開發(fā)，對軸承的需求可能會增加，軸承必須應(yīng)對極端的負載、速度和溫度，同時運行可靠，維護最少，對潤滑油（無論是機油還是潤滑脂）的需求也將更大，以提高軸承的長期運行性能，并延長維護周期。
為了降低維護成本，對在惡劣條件下運行的風(fēng)力渦輪機滾動軸承進行永久監(jiān)測變得越來越必要，狀態(tài)監(jiān)測可用于在早期檢測軸承缺陷，防止災(zāi)難性故障、高更換成本和較低的效率，可以有計劃地進行維護，避免昂貴的間接損壞。還有交付周期的問題，通過狀態(tài)監(jiān)測，可以在操作員方便的時間計劃維護，并可以提前訂購零件，從而最大限度地減少停機時間。