风电轴承技术趋势

风电轴承技术趋势

2005年后市场需求增加，风力发电建设加速。自2009年以来，风力发电建设减慢，但随着全球环保受到高度重视，风力发电作为一种可再生能源(不产生CO₂)，风力发电机组装机量可能持续增加(图1)。

1、风力发电技术趋势

近年来为了提高发电效率和降低发电成本，风力发电机组尺寸逐渐增大且安装场所由陆地向近海转移。目前，发电能力最大的量产近海风力发电机组(容量为8 MW)由MHI Vestas 生产，并已宣布开发容量为9.5MW的二代产品。同时，GE公司在2018年3月宣布开发12MW的近海风力发电机组。制造更大的风力发电机组并将其安装于近海的势头正在加速。

存在2类风力发电机组：一类带增速箱，另一类无增速箱(图2)。目前排名前十的大容量风力发电机组(表1)包含这2类。消去增速箱将减少可能损坏的机械零件的数量，进而提高可靠性，但风力发电机组将变得较大且更复杂，以致于更昂贵且更重。量产MHI Vestas风力发电机组(8MW)和新一代9.5 MW均包含一个增速箱，未来的大型近海风力发电机组也将采用这种设计。

2、风电轴承

常见的包含一个增速箱的风力发电机组动力传动系统部件构成和应用于传动系统的典型轴承如图3所示。在主轴、增速箱、发电机中使用了不同类型和尺寸的轴承。主轴上需要1或2套外径为1~2 m的轴承，这取决于支承结构。许多外径为0.2 ~2.0 m的轴承用于支承增速箱的齿轮轴。发电机需要外径为0.4 ~0.6 m的轴承支承转子轴。

随着风力发电机组尺寸增大，需要更大的轴承且要求轴承具有更高的承载能力。接下来介绍NSK为应对，上述需要所开发的轴承。

3.1 主轴轴承

支承桨叶的主轴轴承承受从桨叶传递到增速箱的较大的径向和轴向载荷，因此其应具有高刚度。

风力发电机组的一种典型主轴结构是由单套轴承支承的三点支承结构(图2)，该结构采用调心滚子轴承作为主轴轴承。

随着风力发电机组越来越大，作用于轴承上的载荷也变大。大型风力发电机组采用2套轴承支承主轴(图2)。该结构采用单列或双列圆锥滚子轴承、单列圆柱滚子轴承和调心滚子轴承。

主轴转速较低(8 ~ 15 r/min)，因此脂润滑轴承的润滑状态较差。更重要的是，调心滚子轴承会发生差动滑动，导致轴承磨损及损伤(图4)。NSK采用DLC涂层有效减少这种磨损，该方法正在评估。

3.2 增速箱轴承

增速箱是使主轴的极低转速变为发电机端的较高转速。高的加速比需要较多齿轮。齿轮轴需要10 ~20套轴承支承。

4MW级的主轴转速约为11r/min,然而4极发电机转速则为1 500~1 800 r/min，加速比超过130。另一方面，由于噪声问题,桨叶边缘速度被约束，随着风力发电机组增大(桨叶变长)，主轴转速则进一步降低。此时，若将主轴转速加速到4极发电机转速，加速比达150以上。因此，系统采用多于4极的发电机和低加速比(约50)(中速类型)的增速箱。

1个行星齿轮和2个斜齿轮增速箱适用于2.5 MW，对于更高加速比则采用2个行星齿轮和1个斜齿轮增速箱，一些低主轴转速的中速类型增速箱则采用2或3个行星齿轮，如图5所示。

随着风力发电机组尺寸增大，进风侧输入扭矩增大，作用于轴承的载荷增加。行星齿轮用一套轴承支承行星架轴，一套轴承支承行星齿轮轴。因扭矩增加，驱动轴变厚，使行星架轴承变大，承载能力增大，但随着行星齿轮向紧凑化和轻量化发展，行星齿轮轴承承载能力必须提高。因而，在更多的情况下去掉了外圈，行星齿轮轴承安装孔带有外圈滚道且轴承承载能力因采用更大滚子直径而增大(图6)。

风力发电机组增速箱轴承通常由于显微组织变化引起的剥落而早期损伤。部分剥落截面的显微组织经腐蚀后呈白色，这种剥落通常称为白色组织剥落或白蚀裂纹(图7)。白色组织剥落可通过充氢试样的滚动接触疲劳试验再现。因此，风力发电机组增速箱轴承的白色组织剥落由氢引起。白色组织剥落认为需经4个阶段(图8)：

由于受润滑剂的添加剂及滑动、振动、电流的影响，润滑剂分解，产生的氢渗入轴承钢中；
循环应力作用导致钢中形成白色组织；
白色组织边缘产生裂纹；
裂纹扩展导致剥落。

可在轴承表面用黑色氧化物涂层。氢通过润滑剂分解并与新鲜金属表面发生化学反应而产生。黑色氧化物涂层抑制新鲜金属表面形成，阻止氢产生。黑色氧化物涂层的磨损导致轴承寿命减少。因此，轴承服役环境需要充足的油膜。

研究发现改进钢合金成分可抑制白色组，织剥落，进而延长寿命。添加足够的合金元素可延迟显微组织变化。碳氮共渗热处理也有助于延长与白色组织剥落相关的轴承寿命。近表面残余压应力可延迟裂纹扩展，增加残余奥氏体含量可延缓高剪切应力位置的氢聚集。

通过优化合金元素含量及特殊热处理，NSK已开发了抑制白色组织剥落钢( AWS -TFTM)。AWS- TFTM达到预期寿命，其抑制白色组织剥落寿命为标准SUJ2钢的7倍(图9)。NSK抗表面起源剥落特级钢STFTM也可有效抑制白色组织剥落，其预期寿命为标准SUJ2钢的4倍。

3.3 发电机轴承

发电机轴承通常采用深沟球轴承和圆柱滚子轴承。发电机轴承内、外圈间经常产生电位差，从而引起电蚀(电火花局部熔化)(图10)。

应对电蚀的措施是，不仅发电机外缘绝缘处理，标准轴承也被同样尺寸的绝缘轴承替代。绝缘轴承要么是装配陶瓷球的深沟球轴承，要么是轴承内径面或外径面通过陶瓷热喷涂处理(图11)。

4、分析与设计

增大风力发电机组尺寸需要轴承具有更高的承载能力。另外，因费用增加(包含建设费用)，增速箱的重量和刚度也减小。因此，轴承设计需考虑整个增速箱的变形。为了提高轴承承载能力，FEM分析用来优化保持架形状(图12)。对整个增速箱(包括轴承座和行星架)进行FEM分析，这作为一种探究增速箱变形的影响的方法。不仅如此，这类分析也用来评估轴承中各滚子的承载，估算预期寿命以及检查轴承技术参数(图13)。

5、结束语

因为近海风况更好，所以风力发电机组安装场所从陆地转移到近海。另外，在中、低风况下，近海风力发电机组尺寸和安装面积增大。因此，市场需要更大的轴承且其具有高承载能力和高可靠性。

（来源：《Motion & Control》）

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