NSK風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸和齒輪箱用滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)介
2023-07-04 10:47:00
NSK英國(guó)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(jì)和選擇合適的滾動(dòng)軸承，對(duì)于確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)較長(zhǎng)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(lái)，NSK軸承一直設(shè)計(jì)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(jì)師、制造商和運(yùn)營(yíng)商密切合作，確保選擇最佳軸承布置，以滿足苛刻的運(yùn)行要求，具體的軸承選擇由舍弗勒集團(tuán)內(nèi)部開(kāi)發(fā)的復(fù)雜軟件進(jìn)行的詳細(xì)計(jì)算提供支持。
風(fēng)力渦輪機(jī)由一個(gè)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(dòng)器，一個(gè)蓋子保護(hù)機(jī)艙內(nèi)的部件，整個(gè)機(jī)艙以最佳方式與風(fēng)對(duì)齊，以防止極端負(fù)載并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行。
風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)壽命約為20年，因此，延長(zhǎng)軸承額定壽命的計(jì)算值應(yīng)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(jī)的維護(hù)間隔長(zhǎng)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?yàn)檫@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(dòng)軸承承受高的動(dòng)態(tài)載荷和運(yùn)行條件，除了包括極端轉(zhuǎn)速和負(fù)載在內(nèi)的正常運(yùn)行條件外，軸承還必須應(yīng)對(duì)啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)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(huì)發(fā)生滾道的微動(dòng)和鹽水化。
另一個(gè)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(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(yīng)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(shè)計(jì)，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(lái)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(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(fù)雜的軟件來(lái)模擬軸承的運(yùn)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(yùn)行的發(fā)電機(jī)比其在地面上的對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)承受明顯更大的振動(dòng)載荷，這也會(huì)給軸承和潤(rùn)滑劑帶來(lái)更大的壓力，在發(fā)電機(jī)軸承的設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)速、尺寸和設(shè)計(jì)起著重要作用，還必須特別注意潤(rùn)滑劑和防止可能的電流通過(guò)的保護(hù)措施。
發(fā)電機(jī)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(jī)中的電流通過(guò)可能會(huì)以熔坑和假鹽水的形式對(duì)軸承滾道造成嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)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(zhǎng)潤(rùn)滑脂的使用壽命。
除了高度發(fā)達(dá)的設(shè)計(jì)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(rùn)滑的影響，選擇正確的潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油制造商合作開(kāi)發(fā)的特殊潤(rùn)滑脂，并在獲得批準(zhǔn)之前經(jīng)過(guò)一系列全面的測(cè)試。
為了幫助設(shè)計(jì)過(guò)程，NSK開(kāi)發(fā)了復(fù)雜的軟件，用于對(duì)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(jì)算，為了確定計(jì)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(rùn)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(lái)確定相鄰結(jié)構(gòu)（即軸和殼體對(duì)軸承壽命的影響）。
隨著7.5MW和10MW風(fēng)力渦輪機(jī)的開(kāi)發(fā)，對(duì)軸承的需求可能會(huì)增加，軸承必須應(yīng)對(duì)極端的負(fù)載、速度和溫度，同時(shí)運(yùn)行可靠，維護(hù)最少，對(duì)潤(rùn)滑油（無(wú)論是機(jī)油還是潤(rùn)滑脂）的需求也將更大，以提高軸承的長(zhǎng)期運(yùn)行性能，并延長(zhǎng)維護(hù)周期。
為了降低維護(hù)成本，對(duì)在惡劣條件下運(yùn)行的風(fēng)力渦輪機(jī)滾動(dòng)軸承進(jìn)行永久監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越必要，狀態(tài)監(jiān)測(cè)可用于在早期檢測(cè)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(jì)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(wèn)題，通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以在操作員方便的時(shí)間計(jì)劃維護(hù)，并可以提前訂購(gòu)零件，從而最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。