NSK風(fēng)力渦輪機轉子軸和齒輪箱用滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)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)力渦輪機轉子軸和齒輪箱設計和選擇合適的滾動(dòng)軸承，對于確保風(fēng)力發(fā)電機較長(cháng)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(lái)，NSK軸承一直設計和生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機軸承，專(zhuān)業(yè)工程師與風(fēng)力渦輪機的設計師、制造商和運營(yíng)商密切合作，確保選擇最佳軸承布置，以滿(mǎn)足苛刻的運行要求，具體的軸承選擇由舍弗勒集團內部開(kāi)發(fā)的復雜軟件進(jìn)行的詳細計算提供支持。
風(fēng)力渦輪機由一個(gè)連接在機艙上的轉子組成，機艙位于塔架頂部，機艙內有主轉子、齒輪箱、發(fā)電機、控制器和制動(dòng)器，一個(gè)蓋子保護機艙內的部件，整個(gè)機艙以最佳方式與風(fēng)對齊，以防止極端負載并實(shí)現經(jīng)濟高效的運行。
風(fēng)力渦輪機的設計壽命約為20年，因此，延長(cháng)軸承額定壽命的計算值應在120000至170000小時(shí)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(cháng)也是至關(guān)重要的。
在風(fēng)力渦輪機中，轉子軸至關(guān)重要，因為這是所有感應風(fēng)力（徑向和軸向）和力矩直接作用的地方，因此，滾動(dòng)軸承承受高的動(dòng)態(tài)載荷和運行條件，除了包括極端轉速和負載在內的正常運行條件外，軸承還必須應對啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)的高瞬態(tài)負載、低負載下的空轉和不旋轉，在這些情況下可能會(huì )發(fā)生滾道的微動(dòng)和鹽水化。
另一個(gè)挑戰是組裝和安裝主轉子軸承，這些軸承重達數百公斤，外徑超過(guò)一米，通常需要特殊的工具，以及均勻加熱軸承的方法（通常使用感應加熱器），典型的定位（浮動(dòng)）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(lái)了巨大挑戰，這些高輸入轉矩在具有極端峰值負載和最小負載、突然負載反轉和波動(dòng)操作溫度的軸承上施加高動(dòng)態(tài)力，因此，NSK開(kāi)發(fā)了復雜的軟件來(lái)模擬軸承的運行條件，包括變速箱殼體的變形（會(huì )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(mǎn)裝圓柱滾子軸承，調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發(fā)電機承受明顯更大的振動(dòng)載荷，這也會(huì )給軸承和潤滑劑帶來(lái)更大的壓力，在發(fā)電機軸承的設計中，轉速、尺寸和設計起著(zhù)重要作用，還必須特別注意潤滑劑和防止可能的電流通過(guò)的保護措施。
發(fā)電機的軸承裝置通常包括兩個(gè)深溝球軸承或一個(gè)深溝球、一個(gè)圓柱滾子軸承，風(fēng)力發(fā)電機中的電流通過(guò)可能會(huì )以熔坑和假鹽水的形式對軸承滾道造成嚴重損壞，導致過(guò)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(dòng)元件軸承套圈或陶瓷滾動(dòng)元件混合軸承，帶有陶瓷滾動(dòng)元件的混合軸承可延長(cháng)潤滑脂的使用壽命。
除了高度發(fā)達的設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定的潤滑間隔，有助于確定系統的整體可靠性。
通常，風(fēng)力渦輪機軸承都配有與著(zhù)名潤滑油制造商合作開(kāi)發(fā)的特殊潤滑脂，并在獲得批準之前經(jīng)過(guò)一系列全面的測試。
為了幫助設計過(guò)程，NSK開(kāi)發(fā)了復雜的軟件，用于對所有軸承類(lèi)型、復雜的軸系統甚至完整的齒輪箱進(jìn)行建模和計算，為了確定計算的軸承壽命，應考慮支撐反作用力、軸承內部載荷分布和接觸應力以及潤滑膜的細節，為了進(jìn)行更詳細的分析，可以使用有限元分析（FEA）來(lái)確定相鄰結構（即軸和殼體對軸承壽命的影響）。
隨著(zhù)7.5MW和10MW風(fēng)力渦輪機的開(kāi)發(fā)，對軸承的需求可能會(huì )增加，軸承必須應對極端的負載、速度和溫度，同時(shí)運行可靠，維護最少，對潤滑油（無(wú)論是機油還是潤滑脂）的需求也將更大，以提高軸承的長(cháng)期運行性能，并延長(cháng)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(dòng)軸承進(jìn)行永久監測變得越來(lái)越必要，狀態(tài)監測可用于在早期檢測軸承缺陷，防止災難性故障、高更換成本和較低的效率，可以有計劃地進(jìn)行維護，避免昂貴的間接損壞。還有交付周期的問(wèn)題，通過(guò)狀態(tài)監測，可以在操作員方便的時(shí)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(shí)間。