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論我國重大技術(shù)裝備軸承的自主安全可控(6)——風力發(fā)電機組軸承

6 風力發(fā)電機組軸承

6.1 我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

2006年起,我國風電產(chǎn)業(yè)“井噴式”發(fā)展,截至2020年,全國(除港澳臺地區(qū)外)累計裝機超15x104臺,累計裝機容量超2.9 x10kW。因政策和消納能力的影響,我國風電產(chǎn)業(yè)在此期間二次起落,目前又進入了高速發(fā)展階段(表9)。


從產(chǎn)業(yè)布局上看:我國風電產(chǎn)業(yè)從集中式開發(fā)向分散式開發(fā)發(fā)展;從“三北”(西北、華北、東北)向中部、東部、南部發(fā)展;向“二?!?海上、海外)發(fā)展。


從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看:平均單機容量逐年增大,已由2010年的1 000 kW以下增大到2017年的2100 kW,2020年的2 668 kW,目前還在繼續(xù)增大;主流機型為陸上2.5~3.0 MW,海上4~5 MW;雙饋型和直驅(qū)型并存,直驅(qū)型的占比逐步增大。

表9 2008—2018年全國風電新增和累計裝機容量

Tab.9 New and accumulated installed capacity of wind turbines in China from 2008 to 2018

2020年因政策因素導致的搶裝潮過后,風電軸承的需求不會下降很多,而是趨于平穩(wěn),主要是由于海上風機的需求逐步增加,而且前期風場已達20年的壽命期限,需要更新?lián)Q代。按照國家確定的2030年碳達峰、2060年碳中和的“30·60 雙碳目標”,要求2030年非化石能源在總能源中占比達到25%,光伏和風電要新增裝機容量不小于10x10kW,平均每年新增裝機容量約1×10kW,其中風電平均每年新增裝機容量約0.5×109 kW,是以往正常年份平均值的1倍以上。


6.2 風電機組軸承類型

風電機組軸承主要包括偏航軸承、變槳軸承、主軸軸承、增速器軸承、發(fā)電機軸承(圖15)。其中,偏航軸承、變槳軸承和2.5 MW以下主軸軸承已國產(chǎn)化。各種功率的增速器軸承、發(fā)電機軸承,2.5 MW以上主軸軸承則主要靠進口,亟待自主化。

圖15 風電機組軸承示意圖

Fig.15 Diagram of wind turbine bearings

6.2.1 偏航、變槳軸承

如圖16所示,偏航軸承安裝于塔筒頂端、機倉底部,承載風機主傳動系統(tǒng)的全部重量,用于準確適時地調(diào)整風機迎風方向。變槳軸承將槳葉與輪轂結(jié)合在一起,根據(jù)風向調(diào)整槳葉迎風角度使其達最佳狀態(tài)。偏航、變槳軸承要有足夠的強度和承受軸向力、徑向力、傾覆力矩聯(lián)合作用的能力,要求運行平穩(wěn),啟動力矩小,潤滑、防腐及密封性能好。

圖16 風電機組偏航、變槳軸承結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.16 Structure diagram of yaw and blade bearings for wind turbine

偏航、變槳軸承為特大型轉(zhuǎn)盤軸承,外徑約0.5~4.5 m,重0.5~6.0 t。偏航軸承的結(jié)構(gòu)形式主要有單列四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式、外齒式)和雙列四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式、外齒式)2種;變槳軸承多采用雙列同徑四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式)。


近年來,隨著風電機組單機容量的不斷增大,暴露出包括軸承在內(nèi)的變槳系統(tǒng)剛性和承載能力不足的問題。需要以提高剛性和承載能力為要義,改進變槳系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計,其中,變槳軸承已證實的一項有效措施就是以滾子軸承取代球軸承。目前,國外取代率已達30%,國內(nèi)取代率約15%,需加大取代的力度。

6.2.2 主軸軸承

風電機組的主軸起著支承輪轂及葉片,傳遞扭矩到增速器的作用,主軸軸承(圖17)是風電機組主傳動鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,不僅要承受風力載荷,還要承受主軸、增速器的重力載荷,工況復(fù)雜。根據(jù)風電機組的單機功率、整體結(jié)構(gòu)、工況、制造成本、安裝工藝等因素,主軸軸承需采用不同配置:

圖17 風電機組主軸軸承結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.17 Structure diagram of spindle bearings for wind turbine

1)三點式支承,采用一個調(diào)心滾子軸承,與增速器兩邊的彈性支承形成三點式支承,應(yīng)用于低兆瓦級風電機組。


2)二點式支承,有調(diào)心滾子軸承+調(diào)心滾子軸承,單列圓錐滾子軸承+單列圓錐滾子軸承,圓柱滾子軸承+雙列圓錐滾子軸承,GARB軸承+調(diào)心滾子軸承4種配置,應(yīng)用于中等兆瓦級風電機組。


3)單點式支承,大多采用大錐角雙列圓錐滾子軸承,亦有采用三排圓柱滾子軸承,應(yīng)用于大兆瓦風電機組。


近年來,大兆瓦風電機組主軸軸承事故頻發(fā),初步分析原因是風電機組主軸系統(tǒng)和選用的主軸軸承均存在剛性和承載能力不足的問題,風能和軸承業(yè)界正密切配合,努力解決此問題。


在甘肅2個風電場和湖南某風電場使用的230臺2 MW電勵磁風電機組,主軸系統(tǒng)裝用某跨國軸承公司生產(chǎn)的雙列圓錐滾子軸承,軸承保持架斷裂導致軸承抱死的事故頻發(fā),更換該公司多方改進的軸承175臺次均未解決問題,換裝某國產(chǎn)加強型三排圓柱滾子軸承后,風電機組才得以正常運行。


6.2.3 增速器軸承

由于風電機組主軸的轉(zhuǎn)速較低,需要增速器進行增速以達到發(fā)電所需轉(zhuǎn)速。如圖18所示,增速器通常采用三級變速齒輪傳動,輸入端為一級行星輪傳動,中間軸及輸出軸采用二級平行軸傳動。風電機組增速器是大傳動比的齒輪箱,由于承受的扭矩和轉(zhuǎn)速波動范圍大,傳輸負載易突變,箱體重量與安裝空間有限制,安裝平臺存在柔性變形等因素,其與傳統(tǒng)重載工業(yè)齒輪箱的應(yīng)用環(huán)境相去甚遠。

圖18 風電機組增速器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.18 Structure diagram of wind turbine gearbox

增速器配套軸承的類型見表10,各軸承的結(jié)構(gòu)如圖19所示。風電機組增速器的故障80%起源于有缺陷的軸承,因此,對增速器及其配套軸承的可靠性研究已成為風能業(yè)界的難點、重點,軸承企業(yè)也應(yīng)密切關(guān)注并跟進一些前沿技術(shù)。目前,風能業(yè)界正在進行懸浮類軸承應(yīng)用于增速器的探索研究,軸承企業(yè)應(yīng)積極支持和參與。

表10 風電機組增速器配套軸承的類型

Tab.10 Types of wind turbine gearbox bearings

圖19 風電機組增速器軸承結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.19 Structure diagram of wind turbine gearbox bearings

6.2.4 發(fā)電機軸承

如圖20所示,風電機組發(fā)電機軸承的組配形式較多,最常用的是深溝球軸承與圓柱滾子軸承的組配形式,圓柱滾子軸承用于承受較大的徑向載荷,深溝球軸承則承受一定的軸向載荷。

圖20 發(fā)電機軸承結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.20 Structure diagram of generator bearings

6.3 關(guān)鍵技術(shù)

在我國風電產(chǎn)業(yè)“井噴式”發(fā)展時,我國軸承產(chǎn)業(yè)倉促上陣,沒有經(jīng)過充分研發(fā)和工程化,2.5 MW以下風電機組的偏航、變槳軸承和主軸軸承就進入了產(chǎn)業(yè)化和大批量供貨,留下很多隱患。現(xiàn)在必須進行研發(fā)、工程化補課,重點關(guān)注以下關(guān)鍵技術(shù):


1)在大量數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上構(gòu)建風電機組軸承載荷譜;


2)建立軸承產(chǎn)品數(shù)字化模型,進行數(shù)字化仿真分析和設(shè)計;


3)對于國外和國產(chǎn)的主軸軸承、變槳軸承早期故障頻發(fā)問題,在充分失效分析的基礎(chǔ)上進行這2類軸承的重新選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計;


4)探索增速器應(yīng)用懸浮類軸承的技術(shù)可行性;


5)對42CrMo材料進行合金成分優(yōu)化(如增加Ni),提高42CrMo軸承套圈熱處理的淬硬性和淬透性;


6)研發(fā)應(yīng)用表面強化處理技術(shù),防止打滑損傷軸承滾動面;


7)研發(fā)應(yīng)用淬硬性、淬透性達到技術(shù)要求的3個滾道同時進行淬火的無軟帶表面熱處理技術(shù)和裝備;


8)解決齒輪淬火齒根產(chǎn)生裂紋的問題;


9)對激光相變硬化技術(shù)應(yīng)用于風電機組軸承熱處理的可行性進行深入研究;


10)研究2.5 MW以上風電機組主軸軸承用42CrMo(優(yōu)化合金成分,無軟帶表面淬火)取代滲碳鋼制造的技術(shù)可行性;


11)著力推進產(chǎn)品智能化(研發(fā)遠程自動監(jiān)測運行狀態(tài)的傳感器軸承,進而研發(fā)遠程自動監(jiān)測、自動調(diào)控運行狀態(tài)的智能軸承)和制造過程智能化(循數(shù)字化→網(wǎng)絡(luò)化→智能化的路徑)。


6.4 市場分析

按每年新增裝機容量0.5×10kW,平均單機容量3 MW計算,每年新增風電機組約17 000臺、每臺風電機組包含4套偏航、變槳軸承,1套主軸軸承,20套增速器軸承,2套發(fā)電機軸承,則每年需配套風電機組軸承425 000套。按每臺風電機組軸承120萬元的價格計算,則每年風電機組軸承銷售額為200多億元。


6.5 自主化

目前,偏航、變槳軸承和2.5 MW及以下風電機組主軸軸承已國產(chǎn)化,2.5 MW以上風電機組主軸軸承的研發(fā)也已取得積極進展且有多項創(chuàng)新,需進一步大力推進。各種功率的增速器和發(fā)電機軸承的研發(fā)則剛剛起步,仍需要很大努力才能取得突破性進展。

(參考文獻略)

來源:《軸承》2022年1期(節(jié)選)


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