风力涡轮机主轴轴承及SKF风机主轴轴承设计简介
2024-03-06 10:43:33
近年来，全球风能市场快速增长，实现了产能增长和成本降低，超出了许多行业人士的预期，该行业扩张的一个关键因素是开发出了更大、更强的涡轮机设计。
此外，使用离岸发电站也有助于该行业快速提高产能，因为离岸发电站具有一致的风力条件，可以安装大型涡轮机阵列，截至2017年底，欧洲的海上风能容量接近16千兆瓦，该地区水域有4000多台并网涡轮机运行，目前运行的最大涡轮机的容量为8.8MW，首批9.5MW机组于2018年夏季开工建设，12MW机组进入开发阶段。
这些巨大的机器，总高度可达230米，转子直径超过160米，带来了许多重大的工程挑战，一个关键因素是主轴轴承布置，这些轴承位于涡轮机塔架顶部的机舱内，必须支撑转子的重量以及风产生的额外负载，同时允许其自由旋转并将扭矩传递给发电机。
风力涡轮机主轴轴承在困难的条件下运行，它们以大约10rpm的相对较低的速度旋转，并经历由涡轮机上的气流波动和其控制系统进行的调整所产生的连续可变负载，在海上应用中，涡轮机轴承也可能暴露在腐蚀性海水中。在最大的涡轮机中，这些轴承的内孔超过2米，与更换轴承相关的高成本和技术难度意味着运营商希望轴承能持续使用，能在涡轮机的整个25年生命周期内不用更换。
涡轮机主轴轴承没有单一的理想配置，涡轮机机械动力传输的设计取决于多个因素，包括机舱内的可用空间、齿轮箱的配置和每个机组的特定运行状态。一些涡轮机设计采用直接驱动方式，例如，发电机安装在主轴周围，没有中间传动装置，其他涡轮机，尤其是最大的涡轮机，在机舱内使用相对较长的轴，以在风荷载偏转时保持叶尖远离塔架。
涡轮机制造商在为不同的涡轮机选择轴承时也采用了不同的设计理念，一些涡轮机比其他涡轮机更灵活，并且可以在不经历轴偏转的寄生负载的情况下适应错位，可以通过使用两套调心滚子轴承（SRB）（一套定位轴承和另一套非定位轴承），或SRB和CARB轴承组合（因为CARB轴承可以适应轴向偏转和错位）来实现。在SRB设计中，滚子在轴承内有一定的自由度来固定位置，适应偏转和错位，同时确保载荷均匀分布在滚子表面。
其他制造商通常使用更“刚性”的设置，例如两个交叉定位的TRB，这种设置能够很好地应对大型涡轮机所经历的非常高的轴向载荷，但由于轴承必须在设定的预紧下运行，因此需要高水平的装配精度才能正确运行。
尽管行业内对不同轴承布置的相对优点存在相当大的争论，但分析、测试和实际经验表明，目前采用的所有配置都可以可靠运行，例如，法国特鲁瓦理工大学的研究人员在《国际可再生能源研究杂志》上报道称，所用轴承的类型和位置都不是影响风力涡轮机轴承磨损率的因素。
因此，与许多工程问题一样，轴承类型和布置并不是解决风力涡轮机可靠性挑战的灵丹妙药，相反，制造商需要确保，无论采用何种配置，轴承的设计、尺寸和制造都能适应他们将要经历的操作条件，与高性能工程的其他领域一样，重要的是细节，例如，确保系统中的所有轴承都设计为协同工作，具有适当的几何形状和间隙。
当轴承因阵风或内部振动而暴露在瞬态过载条件下时，优化的滚子轮廓可降低峰值应力，高纯度材料和制造过程中精心控制的热处理可提高承载能力和使用寿命。
制造商还需要从整个系统的角度来看待问题，为了减少重量和空间要求，越来越希望将不同的传动系部件集成在涡轮机内，例如，一些设计将一个主转子轴承与齿轮箱集成在一起，如果这样做，就必须将转子轴承及其周围结构与随后的齿轮级解耦，以确保轴承的变形不会影响齿轮箱的性能和可靠性。
凭借多年的现场经验和与许多世界领先的风力涡轮机制造商的良好合作记录，SKF继续走在风力涡轮机轴承设计和制造的前沿，随着行业的发展不断带来新的挑战，SKF正在开发新的能力来应对这些挑战。例如，位于巴伐利亚州的SKF Sven Wingquist测试中心是世界上第一个不仅可以测试单个风能轴承（外径高达6米），而且可以在实际负载条件下测试整个轴承组件（包括相邻的客户组件）的测试台。