淺談水套冷風(fēng)力發(fā)電機軸承損傷

孫方圓

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上?！?00240)

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淺談水套冷風(fēng)力發(fā)電機軸承損傷

孫方圓

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海200240)

摘要：隨著繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)臺數(shù)越來越多，運行時間越來越久，發(fā)電機各種故障逐漸顯現(xiàn)出來，其中軸承故障較為突出。本文以水套結(jié)構(gòu)冷卻的繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機為背景，針對常見且后果嚴(yán)重的軸承“跑內(nèi)圈”故障，分析軸承損傷的原因并提出解決方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;軸承;解決故障

0引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，短短幾年間我國風(fēng)力發(fā)電已初具規(guī)模。目前，市場上風(fēng)力發(fā)電機組有繞線雙饋型、直驅(qū)型和半直驅(qū)型。繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機目前在風(fēng)電市場上占有主導(dǎo)地位。隨著繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)臺數(shù)越來越多，運行時間越來越久，發(fā)電機各種故障逐漸顯現(xiàn)出來。繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機冷卻方式有很多種，空空冷、空水冷以及水套冷等等，不同冷卻方式易產(chǎn)生的故障不同。其中，水套冷冷卻方式的冷卻效果較好，換熱效率較高，冷卻水沿著機座表面流動，能夠充分熱交換，帶走定子表面熱量。但是水套冷卻的發(fā)電機有個缺點，冷卻水無法經(jīng)過軸承表面，軸承完全通過自然冷卻進行換熱，極易出現(xiàn)軸承溫升失控，最終導(dǎo)致軸承故障產(chǎn)生。在現(xiàn)有并網(wǎng)運行的水套冷風(fēng)力發(fā)電機中，軸承故障尤為最嚴(yán)重。對已出現(xiàn)的軸承事故進行調(diào)研分析，軸承損傷較多表現(xiàn)為“跑內(nèi)圈”。目前的風(fēng)力發(fā)電機市場上，軸承都是標(biāo)準(zhǔn)件，軸上的安裝尺寸是與軸承標(biāo)準(zhǔn)件相配的。當(dāng)出現(xiàn)“跑內(nèi)圈”事故時，軸承內(nèi)圈磨損嚴(yán)重，多數(shù)發(fā)電機的軸的軸承檔也磨損嚴(yán)重，即使更換軸承也無法安裝，解決辦法只能是更換發(fā)電機。按現(xiàn)在市場上的價格來看，更換一臺發(fā)電機的費用是十分高昂的，從吊車進入風(fēng)場到將發(fā)電機吊到地面，平均價格在30萬/臺左右，如果再計算上發(fā)電機的來回運費，這筆費用不容小覷。因此，如何避免軸承事故發(fā)生，不僅影響風(fēng)電機組的平穩(wěn)運行，同時也為制造廠家節(jié)約了一筆可觀成本。

圖1　軸承內(nèi)圈圖片

1分析原因

出現(xiàn)這種情況根本原因是由于軸承溫升異常造成的。軸承溫升急劇上升時，由于軸承內(nèi)部自身急劇上升的溫度不會馬上傳導(dǎo)到軸上，所以軸承內(nèi)圈比軸膨脹更多，旋轉(zhuǎn)時軸承內(nèi)圈與軸產(chǎn)生相對運動，開始磨損。軸承溫度上升時，傳感器會發(fā)生異常警報，警報后轉(zhuǎn)數(shù)降低，相對運動暫時停止。而再次運轉(zhuǎn)時，溫升異常，相對運動再次發(fā)生。其反復(fù)過程會導(dǎo)致軸、軸承逐漸磨損，在伴隨著其他破壞機組正常運行的因素作用下，造成了跑內(nèi)圈的事故。對發(fā)生事故的機組進行數(shù)據(jù)采集、分析，軸承溫升異常的原因歸結(jié)為以下幾點：

1) 油脂潤滑

? 油脂過量

油脂的作用是潤滑，但導(dǎo)熱性較差。油脂過量(圖2)時，軸承內(nèi)部熱量不能得到有效及時傳遞，導(dǎo)致內(nèi)部熱量急劇增加，表現(xiàn)為軸承溫升急劇上升。提取兩臺電機進行溫升試驗，電機轉(zhuǎn)速、冷卻系統(tǒng)、試驗條件等近似相同的條件下，得出試驗報告數(shù)據(jù)如下：

圖2　軸承室內(nèi)過多的油脂

電機油脂前軸承溫度后軸承溫度甲發(fā)電機正常74.5℃62.3℃乙發(fā)電機過量50g78℃65℃

通過對比兩臺電機的試驗報告可以看出，油脂過量時，軸承的溫度高；油脂正常時，軸承的溫度低。

? 潤滑不良

風(fēng)力發(fā)電機位于高空運行，軸承補油主要依靠自動注油泵進行注油。從油泵到軸承注油口之間通過注油管連接。油脂有一定的粘稠度，注油過程中，很容易堵在管路中不能順利注入到軸承室內(nèi)，造成軸承補油不良情況發(fā)生。發(fā)電機出廠時，軸承室內(nèi)油脂一般在整個軸承室容量的1/3左右，自動注油的油脂通過較長的管路達到軸承室時，粘在管路內(nèi)壁或者軸承室內(nèi)空隙處，這樣軸承內(nèi)部廢油脂不能得到有效排除，新油脂不能及時替換廢舊油脂。發(fā)電機運行時，大量廢舊油脂集中在滾珠與滾道之間，這些油脂已失去潤滑作用，導(dǎo)致滾珠與滾道之間摩擦產(chǎn)生大量熱量，這些額外熱量通過廢舊油脂得不到有效傳遞，導(dǎo)致事故發(fā)生，表現(xiàn)為軸承溫升急劇上升。

因此，發(fā)電機制造廠應(yīng)制定軸承每次注油量，避免注油過多或者過少，維護人員按照制造廠規(guī)定注油量設(shè)置注油泵，并嚴(yán)格按照規(guī)定時間進行手動注油維護。發(fā)電機制造廠在軸承室內(nèi)結(jié)構(gòu)(圖3)時，選擇排油良好的結(jié)構(gòu)，保證排油順暢性。

圖3　軸承結(jié)構(gòu)圖

2) 振動因素

軸承是一件精密部件，振動將嚴(yán)重破壞滾珠和滾道之間的配合。電機振動時，滾珠與滾道產(chǎn)生異常磨損。當(dāng)出現(xiàn)軸承溫升急劇上升并伴隨發(fā)電機振動同時產(chǎn)生時，軸承內(nèi)圈和軸產(chǎn)生相對運動，互相磨損，表現(xiàn)為跑內(nèi)圈事故。振動主要有兩個方面因素產(chǎn)生：

? 機組異常振動引起的

風(fēng)力發(fā)電機在機艙內(nèi)安裝后與機艙內(nèi)其他傳動部件組成機組，機組異常振動產(chǎn)生原因主要是整個機組部件不匹配和主要部件之間安裝精度不良兩種原因造成的。

風(fēng)力發(fā)電機機組在前期設(shè)計時，機械設(shè)計師會對整個機組進行模擬，分析共振因素，包括每個部件重心位置的考究，部件之間的連接方式等等。在這個前提下，由于機組部件不匹配引起振動的可能性，非常渺小。而且，如果是這個原因，一定會有機組大面積停運事故發(fā)生，而實際機組大面積停運現(xiàn)象并沒有出現(xiàn)，因此，可以暫時排除整個機組部件不匹配因素。

風(fēng)力發(fā)電機在整個風(fēng)電機組是最重要的部件之一，發(fā)電機通常通過聯(lián)軸器與變速箱連接在一起。造成風(fēng)力發(fā)電機振動通常是聯(lián)軸器的安裝精度不夠造成。聯(lián)軸器和發(fā)電機軸的對中是發(fā)電機安裝的重要考核點，它的優(yōu)劣對發(fā)電機振動有較大影響，且不易察覺和監(jiān)控。一旦出現(xiàn)對中不良，即聯(lián)軸器主軸和發(fā)電機主軸不在一條直線上，在機組運行時，聯(lián)軸器會對發(fā)電機產(chǎn)生與發(fā)電機主軸呈一定角度的力，在這個力的作用下，發(fā)電機將不能平穩(wěn)運行，以發(fā)電機軸承端為起始點，根據(jù)杠桿原理，到發(fā)電機尾部，力作用的效果越來越明顯，表現(xiàn)為發(fā)電機振動幅度越來越大。

因此，風(fēng)電設(shè)備主機廠應(yīng)制定對中參數(shù)的考核標(biāo)準(zhǔn)。安裝發(fā)電機時，應(yīng)制定措施，確保對中精度得到保證，例如：對中參數(shù)要記錄下來，并做重點檢查，對中合格方可進入下一道工序。

? 發(fā)電機自身振動引起的

發(fā)電機振動試驗是發(fā)電機出廠試驗項目之一，電機振幅嚴(yán)格控制在技術(shù)要求數(shù)值下方。通過振動試驗的發(fā)電機才能夠出廠，因此發(fā)電機本體振動超標(biāo)鮮少發(fā)生。但在機艙內(nèi)安裝時，發(fā)電機是安裝在彈性支撐上的，發(fā)電機與彈性支撐不匹配時，即系統(tǒng)存在一定的共振頻率，且此頻率在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時，發(fā)電機易出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象。對存在共振頻率的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)提取、核算、分析(結(jié)果如圖4)，發(fā)現(xiàn)在1 000～1 200 r/min時，系統(tǒng)振動快速上升?？梢?，發(fā)電機與彈性支撐的匹配性尤為重要。

圖4　發(fā)電機兩端軸承在負(fù)載工況下振動隨轉(zhuǎn)速的變化

因此，發(fā)電機制造廠嚴(yán)格按照主機廠技術(shù)要求，考核發(fā)電機振動，出現(xiàn)振動超標(biāo)的發(fā)電機不得出廠。發(fā)電機與彈性支撐之間是否匹配與發(fā)電機的重量、重心位置等等有關(guān)，因此發(fā)電機制造廠應(yīng)提供準(zhǔn)確的發(fā)電機參數(shù)，主機廠應(yīng)對發(fā)電機與彈性支撐進行詳細(xì)計算，確保發(fā)電機與彈性支撐的匹配。

3) 軸承內(nèi)圈與軸配合不足

當(dāng)軸承溫升異常時，如果軸和軸承內(nèi)圈配合不足，會導(dǎo)致軸承內(nèi)圈與軸之間產(chǎn)生相對位移，最終軸承內(nèi)圈、軸磨損，表現(xiàn)為跑內(nèi)圈。

圖5　事故現(xiàn)場軸承和軸的磨損情況

軸承內(nèi)圈與軸配合通常采用基孔制，外圈與軸承套的配合采用基軸制，這樣的做法是為了讓軸承與軸、軸承套之間可以更好的配合。發(fā)電機運行時，隨著軸承溫度上升，根據(jù)熱脹冷縮原理，軸承和軸都會隨著溫度上升而膨脹。由于軸承與軸采用的材料不同，熱膨脹系數(shù)不同，膨脹量也不同。如果過盈量過小，將產(chǎn)生軸承內(nèi)圈和軸之間的相對位移，導(dǎo)致軸承和軸相互磨損(圖5)。而通常風(fēng)力發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)速是隨著風(fēng)速不斷變化的，輸出的功率也隨著變化。不同功率運行下軸承的溫度也不同，因此在軸承和軸的配合公差選擇時，既要適合低功率輸出工況，又要適合額定功率輸出工況。

因此，選擇適當(dāng)?shù)妮S承與軸的配合公差尤為重要，設(shè)計時需考慮溫度變化對金屬膨脹率的影響。

4) 軸承油隙大小的影響

軸承游隙是軸承的重要特性，是指軸承內(nèi)圈、軸承外圈與滾動體之間的間隙量，即滾動體在徑向或軸向可移動的距離。發(fā)電機運行過程中，游隙過小可能引起軸承內(nèi)部摩擦過大，產(chǎn)生熱量，軸承溫度上升；游隙較大時，可降低摩擦力，減小軸承的溫度，但同時軸承的噪音加大，嚴(yán)重者會影響軸承的振動。

因此，選擇適當(dāng)?shù)挠拖秾S承的溫升、噪音、振動有著至關(guān)重要的影響。制造廠在進行軸承設(shè)計時，需嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪x擇適當(dāng)?shù)妮S承油隙，以降低軸承油隙對軸承平穩(wěn)運行的影響。

2結(jié)語

軸承是發(fā)電機重要部件之一，一旦出現(xiàn)事故將直接導(dǎo)致停機，嚴(yán)重的需要更換發(fā)電機。同時，軸承也是發(fā)電機上最脆弱的零件之一，一旦出現(xiàn)異常情況，極易磨損，嚴(yán)重的導(dǎo)致軸承損壞。因此，應(yīng)重視軸承的安全運行，提高警惕，排除隱患，確保風(fēng)電機組的平穩(wěn)運行。筆者對軸承故障進行了淺顯分析，希望對軸承的故障排除起到一定的作用。