NSK風(fēng)力渦輪機(jī)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(jī)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(jī)較長的使用壽命和最大限度地降低維護(hù)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(jī)軸承，專業(yè)工程師與風(fēng)力渦輪機(jī)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(tuán)內(nèi)部開發(fā)的復(fù)雜軟件進(jìn)行的詳細(xì)計算提供支持。
風(fēng)力渦輪機(jī)由一個連接在機(jī)艙上的轉(zhuǎn)子組成，機(jī)艙位于塔架頂部，機(jī)艙內(nèi)有主轉(zhuǎn)子、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制器和制動器，一個蓋子保護(hù)機(jī)艙內(nèi)的部件，整個機(jī)艙以最佳方式與風(fēng)對齊，以防止極端負(fù)載并實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的運行。
風(fēng)力渦輪機(jī)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(jī)的維護(hù)間隔長也是至關(guān)重要的。
在風(fēng)力渦輪機(jī)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(fù)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(fù)載、低負(fù)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(dá)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(jī)）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(fù)載和最小負(fù)載、突然負(fù)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(jī)機(jī)艙中運行的發(fā)電機(jī)比其在地面上的對應(yīng)發(fā)電機(jī)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(jī)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(hù)措施。
發(fā)電機(jī)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(jī)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(yán)重?fù)p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(dá)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(jī)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(zhǔn)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(jìn)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(xì)節(jié)，為了進(jìn)行更詳細(xì)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(jī)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(fù)載、速度和溫度，同時運行可靠，維護(hù)最少，對潤滑油（無論是機(jī)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(hù)周期。
為了降低維護(hù)成本，對在惡劣條件下運行的風(fēng)力渦輪機(jī)滾動軸承進(jìn)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(jìn)行維護(hù)，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(hù)，并可以提前訂購零件，從而最大限度地減少停機(jī)時間。