解讀大功率海上風電機組軸承解決方案

陸建國

（鐵姆肯（中國）投資有限公司，上海 200030）

0 引言

繼陸地風場被大規(guī)模開發(fā)后，越來越多的人開始把目光轉(zhuǎn)向海上風電這塊更廣闊的領地。但是，由于風電機組的功率和應用環(huán)境的不同以及相對來說更加昂貴的維修費用，海上風電機組的技術要求以及設計標準在一定程度上要高于陸地風電機組。軸承作為風電機組主傳動鏈中最核心的零部件之一，其在設計、選型、應用分析和安裝維護等方面對于風電機組整個壽命周期內(nèi)的運行效率和可靠性有著極其重大的影響。隨著風電機組功率設計的大型化（如5MW—10MW風電機組），海上風電機組軸承選型時如何平衡可靠性和運行經(jīng)濟性往往是困擾設計人員的問題之一。本文針對這種情況，對目前常見的幾種軸承設計方案進行了綜合比較，并著重分析了目前國內(nèi)設計人員對單列圓錐雙軸承方案存在的一些誤解和顧慮。

對于2MW以上的風電機組尤其是直驅(qū)型風電機組，傳統(tǒng)的調(diào)心滾子軸承設計方案已經(jīng)比較少見，而主流的剛性軸承設計方案主要有3種形式，分別是：

方案a 圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承雙軸承方案；

方案b 超大雙列圓錐滾子軸承單軸承方案；

方案c 單列圓錐滾子軸承雙軸承方案。

實際上，這三種方案各有優(yōu)缺點，以筆者和國內(nèi)許多設計人員交流的情況來看，目前國內(nèi)設計人員對于前兩種設計的應用特點已經(jīng)比較了解，但對第三種方案卻缺乏足夠的認識。以下將對3種方案逐一解讀。

1 方案a——圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承雙軸承方案

這種方案被廣泛地應用于兆瓦級風電機組的主軸支撐結(jié)構(gòu)中，國外某知名設計公司已經(jīng)成功把這種設計方式應用于5MW的機型之中，也有風電機組制造商采用此方案用于6.5MW的直驅(qū)風電機組之中。值得一提的是，這種設計方案的布置形式有兩種選擇：一是圓錐滾子軸承布置于上風向位置，圓柱滾子軸承布置于下風向位置；二是圓錐滾子軸承布置于下風向位置，圓柱滾子軸承布置于上風向位置。這兩種不同的布置形式都有風電機組制造商在采用，在實際應用中各有優(yōu)劣。但無論哪一種布置形式，一般圓錐滾子軸承都作為固定端支撐而承受軸向力，而圓柱滾子軸承則作為浮動端而吸收軸向熱膨脹[1]。圓錐滾子軸承被布置于上風向時，由于其不僅要承受很大的徑向力而且還要承受軸向力，軸承所需的承載能力要遠遠大于下風向的圓柱滾子軸承。因此，軸承的成本相對會比較高。但是，圓錐滾子軸承可以采用負游隙使主軸系統(tǒng)的整體剛性得到提高?？傮w來看這種方案最大的優(yōu)點是穩(wěn)定性比較好，溫差的變化對于軸承游隙影響比較小，只要在設計時把溫差影響考慮進去就沒有問題了。不過，在選擇軸承游隙時要盡可能地保證兩列軸承都有足夠理想的承載區(qū)域。該方案中圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的載荷支撐點理論上都位于軸承的中心位置，如圖1所示。因此，采用該方案后，同等條件下主軸應該比其他兩種方案要長。在3MW以下風電機組中該問題也許并不突出，但如果風電機組設計功率繼續(xù)上升，軸及軸承座的加工難度及成本會隨之加大。

2 方案b——超大雙列圓錐滾子軸承單軸承方案

這種方案最大的特點就是主軸非常短，為了提高抗傾覆力矩的能力，軸承徑向直徑很大而且采用的錐角也非常大，一般接近于45錐度，以此來提高軸承的兩個實際支承點的跨距，增加剛性支撐能力[2]。這種方案在直驅(qū)型、雙饋型風電機組和混驅(qū)型風電機組中都比較常見，原因在于整個軸系傳動鏈的設計非常緊湊，如圖2所示。一般情況下，軸承的游隙值采用負游隙，以實現(xiàn)性能的優(yōu)化。在一些設計中軸承內(nèi)外圈也直接依靠螺栓連接而省去了主軸以及軸承座。如果采用這樣的設計，必須要對螺栓的夾緊力對軸承游隙的影響進行深入的分析計算。

從實踐的經(jīng)驗來看，這種軸承設計非常適合超緊湊型風電機組理念，因為可以有效地控制機艙重量。目前國內(nèi)2MW，2.5MW，3MW和5MW都有機型批量化地采用這種設計方案，其風場運行情況也是穩(wěn)定可靠的。

3 方案c——單列圓錐滾子軸承雙軸承方案

前兩種方案國內(nèi)設計人員已經(jīng)比較熟悉，但對于單列圓錐滾子軸承雙軸承方案，國內(nèi)許多設計人員還是相對比較陌生的，而實際上這種方案在國外早已是非常成熟，并有商業(yè)化風電機組批量運行經(jīng)驗。

圖1 圓錐滾子軸承搭配圓柱滾子軸承雙軸承方案布置圖

圖2 超大雙列圓錐滾子軸承單軸承方案布置圖

這種方案又分為長距離跨式布置形式以及懸臂梁布置形式。以往功率較小的風電機組可以采用跨式布置形式，其優(yōu)點是軸承受力較小，成本相對較低，但功率較大時隨著葉片以及輪轂尺寸的變大，主軸也不得不隨著變長。因此，主軸的加工開始變得困難。比較來看，跨式布置形式在國外有不少應用，但國內(nèi)卻比較少見。與之相對應的是采用懸臂梁布置形式時上風向軸承尺寸較大，成本較高，但主軸設計的限制比較少，加工相對也要簡單一些。

通常齒輪箱里兩個單列圓錐滾子軸承采用面對面的布置形式[3]，但風電主軸上卻采用背對背安裝，主要是為了提高軸承的實際支承距離從而降低軸承支反力或者說提高系統(tǒng)承受傾覆力矩的能力，因此采用該種方案時主軸的長度可以比雙列圓錐加圓柱的方案要短一些。如果從成本角度來看，整個軸系（含軸承）的綜合成本要比第一種方案低。從軸承內(nèi)部設計的角度來看，一般適合采用錐角略大的設計以進一步提高跨距，尤其是在下風向軸承承載能力足夠的情況下。另外，下風端軸承受力較小，所以可以采用較小的軸承以降低成本。當然如果是軸承座連接輪轂轉(zhuǎn)動，下風向軸承由于承受了軸向力，因此要具體情況具體分析，如圖3所示。

正如很多設計人員擔心的那樣，這種設計在調(diào)整游隙時具有一定的難度，主要原因是單列圓錐滾子軸承采用了背對背的布置而且內(nèi)外圈都是緊配合。但從實踐來看，只要掌握了一定的技巧或者說方法之后是完全可以克服的。我們和主軸設計人員交流時一般會提供兩種游隙調(diào)整方法，一種是通過現(xiàn)場測量和計算，另一種是采用一個標準內(nèi)圈模塊。這兩種方案在國外以及國內(nèi)都有應用。圖4是標準模塊的安裝方法。

實際上，由于游隙是現(xiàn)場測量調(diào)整，實際的裝機游隙能夠控制在一個非常小的范圍之內(nèi)。第一種方案圓錐滾子軸承安裝后游隙范圍一般在0.2mm — 0.4mm，而這種方案則可以控制在0.1mm之內(nèi)，使預緊力控制更為精確。而且從實踐來看，這種方案軸承的壽命曲線相對比較平緩，所以所允許的游隙誤差和安裝誤差也比較大，如圖5所示。

圖3 外圈旋轉(zhuǎn)的單列圓錐滾子軸承雙軸承布置方案

圖4 采用標準模塊的安裝方法

圖5 軸承系統(tǒng)壽命和安裝后游隙的關系

表1 3種軸承方案比較

很多設計人員還有另外一個顧慮，那就是熱脹冷縮。由于風電機組所處的環(huán)境溫度變化比較大，所以他們擔心在比較極端的溫度下軸承的游隙變化太大，從而導致軸承發(fā)生提前損壞。事實上，這種擔心是沒有必要的。首先必須要把溫度變化和溫差區(qū)分，其次要正確認識圓錐軸承布置形式對溫度敏感性的問題。影響軸承游隙的是內(nèi)外圈的溫差而不是整體環(huán)境的溫度變化，環(huán)境溫度從常溫上升到50℃時，不僅僅只有軸會膨脹，其他的部件也會。在膨脹系數(shù)差別不大的前提下，游隙的變化不會有很多人想象的那么大。還有更重要的一點就是單列圓錐滾子軸承布置形式分為背對背布置以及面對面布置，這兩種布置形式適用于不同的應用，在風電機組主軸上為了提高抗傾覆力矩的能力，一般采用背對背的布置形式。這兩種布置形式軸承的運行游隙對溫差敏感性是完全不同的。假定在一個應用中，有兩個錐角為23°的單列圓錐滾子軸承被布置成背對背以及面對面兩個形式，假設溫差達到20℃，軸承之間距離為2m，軸承外圈平均工作點直徑0.9m，零部件的膨脹系數(shù)為12*E-6，那么面對面安裝時軸向游隙的變化為0.984mm，背對背安裝時軸向游隙的變化為0.024mm，兩種不同布置形式對溫差的敏感性差別極大。對此，也許會有人不解——只是換了個布置形式為什么差別有這么大？實際上，軸的膨脹有兩個方向，一個是徑向，一個是軸向，徑向的膨脹會導致游隙的減小，但軸向的膨脹在背對背布置會增大游隙，最終游隙的變化大小取決于軸承直徑，錐角以及軸承間距離這些因素的綜合影響，在設計階段如果預先把溫度的影響考慮進來，那么熱脹冷縮對游隙的影響幾乎可以忽略不計。

其實這種設計方案在國外已經(jīng)比較普遍，采用這種設計的最大機型是10MW風電機組，實際安裝的最大機型已達到7MW。而國內(nèi)也有一些廠家已經(jīng)采用這種方案，已經(jīng)裝機的最大機型是5.5MW風電機組，批量化生產(chǎn)的有2MW和2.5MW等機型。由于在5MW以上機型中采用這種設計方案的優(yōu)勢比較明顯，目前國內(nèi)其他大部分風電機組生產(chǎn)商也都在嘗試這種新型設計方案。

針對3種方案各自的優(yōu)缺點，我們對其進行了簡單的定性比較，如表1所示。

4 結(jié)論

綜上，我們針對適用于海上風電機組的幾種軸承設計方案進行了比較分析，并對其進行了精煉的歸納總結(jié)，可供風電機組設計人員在具體軸承選型時進行參考、指導分析。

[1] Laurentiu Lonescu,Thierry Pontius.一端軸承浮動，另一端軸承固定的風電機組主軸[J].電氣制造, 2010(3).

[2] 劉溯.優(yōu)化大功率風電機組傳動鏈設計和可靠性的軸承解決方案[J]. 風能產(chǎn)業(yè),2011(8).

[3] Frank Schwingshandl,Max Bodmer,Gerald Fox. 模塊化風電機組機械動力傳動裝置的先進解決方案[J]. 電氣制造, 2010(3).