NSK风力涡轮机转子轴和齿轮箱用滚动轴承简介

2023-07-04 10:47:00

NSK英国公司工程经理斯博士表示,为风力涡轮机转子轴和齿轮箱设计和选择合适的滚动轴承,对于确保风力发电机较长的使用寿命和最大限度地降低维护成本至关重要。


25年来,NSK轴承一直设计和生产风力涡轮机轴承,专业工程师与风力涡轮机的设计师、制造商和运营商密切合作,确保选择最佳轴承布置,以满足苛刻的运行要求,具体的轴承选择由舍弗勒集团内部开发的复杂软件进行的详细计算提供支持。

风力涡轮机由一个连接在机舱上的转子组成,机舱位于塔架顶部,机舱内有主转子、齿轮箱、发电机、控制器和制动器,一个盖子保护机舱内的部件,整个机舱以最佳方式与风对齐,以防止极端负载并实现经济高效的运行。

风力涡轮机的设计寿命约为20年,因此,延长轴承额定寿命的计算值应在120000至170000小时之间,由于其位置,在陆地上的山丘和斜坡上,或在海上几公里处,塔架高度大,因此风力涡轮机的维护间隔长也是至关重要的。

在风力涡轮机中,转子轴至关重要,因为这是所有感应风力(径向和轴向)和力矩直接作用的地方,因此,滚动轴承承受高的动态载荷和运行条件,除了包括极端转速和负载在内的正常运行条件外,轴承还必须应对启动和关闭时的高瞬态负载、低负载下的空转和不旋转,在这些情况下可能会发生滚道的微动和盐水化。

另一个挑战是组装和安装主转子轴承,这些轴承重达数百公斤,外径超过一米,通常需要特殊的工具,以及均匀加热轴承的方法(通常使用感应加热器),典型的定位(浮动)轴承布置是球面、圆柱或圆锥滚子轴承。

最重要的是齿轮箱的设计,其中2MNm(3.2MW风力涡轮机)的典型输入扭矩给轴承布置带来了巨大挑战,这些高输入转矩在具有极端峰值负载和最小负载、突然负载反转和波动操作温度的轴承上施加高动态力,因此,NSK开发了复杂的软件来模拟轴承的运行条件,包括变速箱壳体的变形(会给轴承施加额外的载荷)。这里使用的轴承可能包括圆锥滚子轴承、带保持架的圆柱滚子轴承、满装圆柱滚子轴承,调心滚子轴承和深沟球轴承。

在风力涡轮机机舱中运行的发电机比其在地面上的对应发电机承受明显更大的振动载荷,这也会给轴承和润滑剂带来更大的压力,在发电机轴承的设计中,转速、尺寸和设计起着重要作用,还必须特别注意润滑剂和防止可能的电流通过的保护措施。

发电机的轴承装置通常包括两个深沟球轴承或一个深沟球、一个圆柱滚子轴承,风力发电机中的电流通过可能会以熔坑和假盐水的形式对轴承滚道造成严重损坏,导致过早故障和昂贵的维修,在许多情况下,安装绝缘轴承就足够了,绝缘轴承可采用涂层滚动元件轴承套圈或陶瓷滚动元件混合轴承,带有陶瓷滚动元件的混合轴承可延长润滑脂的使用寿命。

除了高度发达的设计和精确的制造方法外,轴承的可靠性和使用寿命在很大程度上受到润滑的影响,选择正确的润滑脂、油的性能、添加剂的影响、与污染物有关的清洁度以及遵守规定的润滑间隔,有助于确定系统的整体可靠性。

通常,风力涡轮机轴承都配有与著名润滑油制造商合作开发的特殊润滑脂,并在获得批准之前经过一系列全面的测试。

为了帮助设计过程,NSK开发了复杂的软件,用于对所有轴承类型、复杂的轴系统甚至完整的齿轮箱进行建模和计算,为了确定计算的轴承寿命,应考虑支撑反作用力、轴承内部载荷分布和接触应力以及润滑膜的细节,为了进行更详细的分析,可以使用有限元分析(FEA)来确定相邻结构(即轴和壳体对轴承寿命的影响)。

随着7.5MW和10MW风力涡轮机的开发,对轴承的需求可能会增加,轴承必须应对极端的负载、速度和温度,同时运行可靠,维护最少,对润滑油(无论是机油还是润滑脂)的需求也将更大,以提高轴承的长期运行性能,并延长维护周期。

为了降低维护成本,对在恶劣条件下运行的风力涡轮机滚动轴承进行永久监测变得越来越必要,状态监测可用于在早期检测轴承缺陷,防止灾难性故障、高更换成本和较低的效率,可以有计划地进行维护,避免昂贵的间接损坏。还有交付周期的问题,通过状态监测,可以在操作员方便的时间计划维护,并可以提前订购零件,从而最大限度地减少停机时间。