NSK風(fēng)力渦輪機軸承的當前趨勢和開(kāi)發(fā)項目
2023-03-01 11:52:45
對使用壽命和可靠性的更高期望伴隨著(zhù)成本的壓力，這是風(fēng)能行業(yè)軸承目前出現的情況，通過(guò)示例，本文解釋了世界領(lǐng)先的供應商NSK如何在這種情況下開(kāi)發(fā)新一代軸承。
乍一看，風(fēng)能行業(yè)的商業(yè)消息似乎自相矛盾，去年，世界各地安裝了總發(fā)電量為40 GW的渦輪機，預計未來(lái)該行業(yè)將保持增長(cháng)，然而事實(shí)上，隨著(zhù)海上技術(shù)的出現，一個(gè)全新的市場(chǎng)正在誕生，與此同時(shí)，領(lǐng)先的風(fēng)力渦輪機制造商和專(zhuān)門(mén)從事風(fēng)力發(fā)電的供應商正在面臨成本削減壓力，同時(shí)，專(zhuān)家們還希望看到供應商之間的進(jìn)一步整合。
一、影響該行業(yè)的巨大成本壓力
對這種明顯矛盾的解釋是，盡管該行業(yè)正在增長(cháng)（預計會(huì )有更強勁的增長(cháng)），這意味著(zhù)風(fēng)力發(fā)電現在有大量的過(guò)剩產(chǎn)能，其結果是對價(jià)格造成了相當大的壓力，這也影響到了供應商。作為世界領(lǐng)先的風(fēng)力渦輪機軸承制造商之一，NSK的研發(fā)團隊必須繼續努力，以滿(mǎn)足行業(yè)對軸承在高動(dòng)態(tài)應力的惡劣運行條件下使用壽命的極高期望，然而，與此同時(shí)，研發(fā)團隊必須在早期階段考慮與任何新開(kāi)發(fā)或改進(jìn)相關(guān)的成本，并進(jìn)行明確的成本效益分析。
二、創(chuàng )新的最大潛力在哪里？
當然，風(fēng)力發(fā)電公司也歡迎在不損害軸承可靠性的情況下降低成本的創(chuàng )新，這一點(diǎn)尤為重要，因為專(zhuān)家們一致認為，未來(lái)渦輪機制造商之間的全球競爭將變得更加激烈。
考慮到所有這些，供應商必須密切關(guān)注哪些領(lǐng)域具有開(kāi)發(fā)新一代軸承的最大市場(chǎng)潛力，NSK已將輸出功率為2至4 MW的多兆瓦渦輪機確定為此類(lèi)區域之一，該公司在這一領(lǐng)域的地位已經(jīng)很好，最近幾個(gè)月，領(lǐng)先的制造商推出了配備N(xiāo)SK軸承的新渦輪機。
三、額定載荷較高的圓柱滾子軸承
NSK已經(jīng)為3 MW級渦輪機的行星輪優(yōu)化了圓柱滾子軸承，同時(shí)在該領(lǐng)域開(kāi)展了兩個(gè)開(kāi)發(fā)項目，第一個(gè)項目旨在改進(jìn)內部設計，在不改變軸承直徑或滾子數量的情況下，團隊優(yōu)化了微觀(guān)幾何結構的設計和生產(chǎn)工程，同時(shí)保持了宏觀(guān)幾何結構不變，從而使動(dòng)態(tài)額定載荷提高了15%，這導致計算使用壽命延長(cháng)70%，除了適用于行星輪之外，這些軸承也是風(fēng)力渦輪機齒輪箱側其他應用的理想選擇。
第二個(gè)項目致力于從根本上重新設計軸承的內部設計，滾子的數量增加了，這意味著(zhù)保持架的橫截面減小了，然而，它仍然承受相同的載荷，項目團隊通過(guò)優(yōu)化保持架的幾何結構而不降低其剛性來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，進(jìn)行了有限元分析和大量試驗臺試驗，以支持優(yōu)化工作，除了更高的動(dòng)態(tài)額定載荷外，這些軸承還具有更高的靜態(tài)額定載荷。
客戶(hù)很快就能在上述兩個(gè)選項中進(jìn)行選擇，然而，應注意的是，NSK始終修改其軸承，以適應特定的應用場(chǎng)景或渦輪機類(lèi)型。
四、圓錐滾子軸承的新型保持架設計
NSK的圓錐滾子軸承通常用于風(fēng)力渦輪機齒輪箱輸入級的行星齒輪架和轉子軸，它們也可以在所謂的集成轉子軸承中找到，該軸承將齒輪裝置和輪轂推到一起。
過(guò)去，NSK為這些軸承使用由壓制的厚金屬板制成的保持架，然而，不斷增長(cháng)的軸承直徑迫使該公司尋找替代解決方案，因此開(kāi)發(fā)了直徑為1000mm或更大的焊接保持架，保持架符合最高技術(shù)規范，但生產(chǎn)非常復雜，需要先進(jìn)的焊接技術(shù)，出于這個(gè)原因，NSK目前正在測試一種塑料節段保持架，這種保持架生產(chǎn)成本較低，也可以制造出高水平的重復性。
五、改進(jìn)的滾道表面設計
軸承的滾道承受很大的應力，尤其是在快速移動(dòng)的軸上，例如，如果打開(kāi)渦輪機以全速空轉，可能會(huì )發(fā)生滑動(dòng)，從而損壞軸承表面，這種滑移損壞是業(yè)內已知的問(wèn)題，但盡管進(jìn)行了深入研究，其原因尚未查明，盡管NSK生產(chǎn)了大量軸承，但該公司的部件遭受此問(wèn)題的情況相對罕見(jiàn)，NSK將此歸因于其特殊的表面處理和保持架位置，盡管如此，該公司的研發(fā)部門(mén)仍在繼續致力于進(jìn)一步優(yōu)化表面設計。
六、帶有陶瓷球的發(fā)電機軸承
發(fā)電機軸承必須滿(mǎn)足一系列具有挑戰性的應用相關(guān)要求，并且不導電，其目的是防止電力通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)系，并將相關(guān)損害降至最低，例如當電流峰值或循環(huán)電流（電腐蝕）發(fā)生時(shí)，NSK提供帶有陶瓷涂層外圈的電絕緣軸承，以滿(mǎn)足這些要求。
之前使用的軸承具有永久陶瓷涂層，該涂層通過(guò)等離子噴涂應用于鋼表面，作為替代方案，該公司還提供外徑達340 mm的軸承，作為帶有陶瓷球的混合軸承，它們具有卓越的性能特點(diǎn)，如耐熱性、更長(cháng)的使用壽命、輕質(zhì)設計和有限的熱膨脹，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的設計使這些軸承使用壽命長(cháng)，非?？煽?，NSK的滾珠生產(chǎn)工藝得益于該公司為機床制造高性能混合軸承的經(jīng)驗。
七、材料工程的進(jìn)展
耐久性試驗表明，軸承用碳鉻合金鋼的滾動(dòng)疲勞壽命受到非金屬夾雜物的顯著(zhù)影響，為此，NSK與一家鋼鐵生產(chǎn)商Z鋼合作開(kāi)發(fā)了一種新材料，該材料含有的非金屬夾雜物（如硫和氧化物）要少得多，運行條件下的試驗表明，由Z鋼制成的軸承的使用壽命比由常規真空脫氣鋼制成的壽命長(cháng)1.8倍。
八、使用壽命延長(cháng)十倍
許多風(fēng)力渦輪機軸承，如圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調心滾子軸承、深溝球軸承和角接觸球軸承都使用NSK（Super TF）開(kāi)發(fā)的超韌鋼材料，由于采用了不同的鋼合金和熱處理，以?xún)?yōu)化材料的馬氏體和殘余奧氏體含量，Super-TF軸承的使用壽命比傳統軸承鋼制成的部件長(cháng)十倍。
九、損傷原因研究
當行業(yè)試圖澄清特定類(lèi)型的損害發(fā)生的原因時(shí)，深入的材料開(kāi)發(fā)工作也會(huì )得到回報，這種損壞通常只影響NSK軸承，白色結構剝落是一個(gè)此類(lèi)問(wèn)題，其原因尚未完全確定，損傷分布本身是眾所周知的，因為大約20年前在汽車(chē)行業(yè)的發(fā)電機軸承中觀(guān)察到了類(lèi)似的損傷，在風(fēng)力發(fā)電的背景下，電流通過(guò)也可能是原因，但迄今為止，研究人員無(wú)法證明這一點(diǎn)。一場(chǎng)關(guān)于這一主題的專(zhuān)家會(huì )議產(chǎn)生了大量的見(jiàn)解，但并沒(méi)有對原因做出清晰的描述，NSK正致力于再現損傷機理，以便更好地了解高性能軸承的工作過(guò)程。
十、故障模擬試驗臺
NSK有許多最先進(jìn)的試驗臺用于此類(lèi)研究，能夠模擬作用在風(fēng)力渦輪機軸承上的動(dòng)態(tài)載荷，測試臺用于計算新一代軸承的參數，模擬故障并生成損傷曲線(xiàn)，目前，開(kāi)發(fā)人員正在模擬啟動(dòng)和制動(dòng)條件下測試2 MW渦輪機齒輪箱快速側的圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承。這些測試的目的是開(kāi)發(fā)更詳細的設計和改進(jìn)的材料，開(kāi)發(fā)工作也在進(jìn)行，以降低成本，鑒于風(fēng)能行業(yè)的高成本壓力，每當NSK以更低的價(jià)格成功提供相同的軸承時(shí)，客戶(hù)都會(huì )非常滿(mǎn)意。