風電滑動軸承設計與性能檢測技術發展現狀

Jason_Cheng3hi 2023-07-07 發布于江蘇

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《軸承》2023年第6期

引文格式：陳奇，張凱，朱杰，等.風電滑動軸承設計與性能檢測技術發展現狀[J].軸承，2023（6）：14-20.

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風電滑動軸承設計與性能檢測技術

發展現狀

陳奇1,張凱1,朱杰1,2,張亞賓1,2,馮凱1

(1.湖南大學高端智能裝備關鍵部件湖南省重點實驗室,長沙 410006;2.湖南崇德科技股份有限公司,湖南湘潭 411101)

摘要：風電是我國清潔能源的重要發展方向,風電機組大型化是降低風力發電成本的重要舉措,隨著風電機組朝著大型化方向發展,傳統風電機組用滾動軸承的故障率與加工成本隨軸承尺寸的增大而顯著增加,已成為制約風電機組大型化的“卡脖子”問題。滑動軸承具有穩定性高、對材料缺陷和外界雜質包容性好、加工成本低等特點,有望克服傳統風電機組中滾動軸承的缺點,已成為大型風電機組軸承的發展趨勢。針對風電軸承“以滑代滾”過程中風電滑動軸承的設計與性能檢測技術發展現狀,介紹了風電主軸軸承、齒輪箱軸承面臨的轉速低,載荷大,外界干擾復雜,啟停頻繁等技術難點;詳細分析了風電滑動軸承常見結構形式、潤滑性能分析與結構優化設計方法,以及通過檢測、監測膜厚、溫度、油液磨粒、磨損、振動等方法評估滑動軸承性能及潤滑狀態的研究現狀;最后對風電滑動軸承的研究方向進行了展望,以期對風電滑動軸承的研制提供參考。

關鍵詞：滑動軸承;風電軸承;風力發電機組;轉速;載荷;潤滑;檢測

能源短缺是制約我國經濟可持續發展的瓶頸,利用可再生能源,改善能源結構,減少對化石能源的依賴,已成為我國中長期能源發展戰略。風能作為一種清潔可再生能源,與其他能源相比具有分布廣泛、蘊藏豐富、無污染等優點,是我國清潔能源的重要發展方向。隨著我國提出“30·60”碳達峰、碳中和目標,預計“十四五”期間風電將新增250 GW,年均新增裝機量不低于50 GW,風電軸承市場規模接近百億元[1]。

行業數據顯示,風輪直徑每增加10%,整機發電量將提高8%以上,因此,發展大功率機型是降低風力發電成本的重要措施之一。2021年2月10日,維斯塔斯(Vestas)宣布推出V236-15 MW滾動軸承支承海上風電機組,成為全球單機容量最大的風電機組,單機容量15 MW,風輪直徑236 m。國內的風電巨頭金風科技也開始研制滾動軸承支承16 MW風電機組,目前正處于試驗階段,推向市場指日可待。

軸承作為風電機組的“關節”,是保障風電機組穩定可靠運行的關鍵。在風電機組中使用的軸承大致可以分為3類:偏航軸承、變槳軸承和傳動鏈軸承,其中傳動鏈軸承包括了主軸軸承、齒輪箱軸承和發電機軸承。目前,風電機組的這些部位均使用滾動軸承作為支承。隨著風電機組功率接近20 MW,傳統風電機組傳動鏈所用滾動軸承,特別是主軸軸承的設計和加工制造難度顯著增加。與滾動軸承相比,滑動軸承具有穩定性高、對材料缺陷和外界雜質包容性好、加工成本低、可分塊更換等特點,是實現大型風電機組傳動鏈跨越式發展的有效途徑。在風電主軸中使用滑動軸承代替滾動軸承可以明顯降低軸承的加工成本與加工難度,且由于分塊更換可實現塔上更換,其維修成本也大幅降低;在風電齒輪箱中使用滑動軸承代替滾動軸承則可使齒輪箱更加緊湊,有利于安裝更多行星輪,有效提高齒輪箱的扭矩密度。

正因為滑動軸承優良的運行性能、較低的軸承加工成本和維護成本,促使國內外知名風機廠商AREVA Multibrid?,Vestas,Siemens,Repower,金風科技等紛紛研究采用滑動軸承作為主軸、齒輪箱用軸承的優選方案。目前,在大型風電機組的主軸和齒輪箱中,使用滑動軸承代替滾動軸承已經逐漸成為了行業的發展趨勢。

1 風電滑動軸承的主要挑戰

由于風電機組的運行工況復雜多變(如承受較大的沖擊載荷),要求長壽命(至少20 a)、高可靠性,使得風電軸承具有很高的技術難度。與常規滑動軸承相比,應用于風電機組主軸和齒輪箱的滑動軸承面臨的主要挑戰包括:

1)轉速低。在常規發電工況下,10 MW級風電機組主軸滑動軸承的線速度通常低于0.20 m/s,齒輪箱滑動軸承的線速度通常為0.25～0.50 m/s。

2)載荷大。大型風電機組傳動鏈所受風載與機組自身重量巨大(10 MW級風電機組自身質量超過500 t),導致軸承所受載荷非常大。10 MW級風電主軸滑動軸承所受的平均壓力通常大于15 MPa,齒輪箱滑動軸承所受的平均壓力通常大于10 MPa,工作區域局部壓力可達到30～40 MPa。

3)外界干擾復雜。風電機組通常運行在3 000多種載荷工況下,滑動軸承除了承受自身較大的載荷外,還受機組復雜結構變形和時變彎矩的影響。

4)啟停頻繁。風電機組每年啟停約2 000次,20 a使用壽命內需要啟停接近40 000次。

上述挑戰使風電滑動軸承的應用存在以下問題:1)在運行時不易形成有效的潤滑油膜,經常處于混合潤滑與邊界潤滑狀態;2)頻繁啟停和多變工況會使滑動軸承受到較大的沖擊載荷,軸承磨損嚴重,進而降低軸承使用壽命;3)主軸滑動軸承還受傾覆力矩和偏航風載作用,端部邊緣的局部應力及局部變形較大,局部磨損嚴重;4)由于斜齒輪嚙合角的影響,齒輪箱滑動軸承會受到附加彎矩的作用,使軸瓦發生橢圓變形,銷軸發生香蕉變形,在邊緣出現應力集中,造成局部嚴重磨損。風電機組齒輪箱滑動軸承與常規滑動軸承的工況對比見表1。

表1 風電機組齒輪箱滑動軸承與常規滑動軸承工況對比

Tab.1Comparison of working conditions between wind turbine gearbox sliding bearings and conventional sliding bearings

2 風電滑動軸承研究現狀

風電滑動軸承是國內外學者與制造廠商為解決大功率風電機組用滾動軸承故障率高、加工成本高的缺點而提出的一種替代解決方案,并于2009年首次安裝在德國的第1個海上風電項目“Alpha Ventus”中。經過10余年的發展,風電滑動軸承相關的設計理論、設計方法和加工檢測技術等都取得了諸多進展。針對風電滑動軸承面臨的挑戰,國內外學者以軸承潤滑與磨損演變理論為基礎,采取了一系列措施提高滑動軸承的性能和壽命,如優化滑動軸承結構,研制高性能軸瓦自潤滑材料,開發高性能軸承加工制造技術,設計風電滑動軸承潤滑系統,開發膜厚、溫度和油液磨粒等軸承關鍵潤滑參數檢測技術等,其中結構優化和關鍵潤滑參數檢測技術最為重要,限于篇幅,僅介紹這兩項技術的國內外研究現狀。

2.1 風電滑動軸承常見結構

2.1.1 主軸滑動軸承

主軸滑動軸承通常在低速、重載工況下運行,且需要承受風機葉片較大的傾覆力矩,要求軸承具有一定的自適應調節能力和自潤滑性能,主要結構有可傾瓦巴氏合金軸承、塑料瓦軸承、錐面滑動軸承、柔性錐面滑動軸承等。2012年,丹麥科技大學Kim等人經過研究了可傾瓦巴氏合金軸承應用于風力發電機主軸時的性能[2];2019年,德國亞琛風力發電研究中心Azadeh等人試驗研究了可傾瓦巴氏合金軸承應用于風電機組主軸的可行性[3];2019年,德國克勞斯塔爾工業大學Thomas Hagemann等人研究了一種應用于風電主軸的帶前緣溝槽的可傾瓦軸承,與傳統可傾瓦軸承結構相比,該軸承結構具有一定的儲油、泵油功能,能改善其潤滑性能[4];2011年,丹麥科技大學Kim等人提出了一種柔性支承塑料瓦軸承結構,并研究了柔性塑料瓦軸承在風電機組轉子不對中條件下的性能改善效果,發現柔性塑料瓦軸承有助于大幅提高主軸軸承在轉子不對中條件下的運行性能[5];2017年,德國亞琛工業大學Tim等人研究了圓錐滑動軸承作為風電機組主軸軸承的性能[6],2019年,該課題組將圓錐滑動軸承改進設計為柔性錐面滑動軸承以降低邊緣磨損現象[7];2020年,Amadeus等人將柔性錐面滑動軸承進行了幾種不同結構的演化,包括力矩軸承和球面瓦軸承等[8]。

為更好地適應所受的彎矩和轉子不對中工況,風電主軸滑動軸承目前以柔性結構為主。

2.1.2 齒輪箱滑動軸承

常見的齒輪箱滑動軸承結構形式為圓瓦軸承[9],通過齒輪箱銷軸與行星輪形成滑動軸承摩擦副,該結構的特點是滑動軸承與齒輪箱結構一體化,齒輪箱結構緊湊,有利于提高風機傳動效率與功率密度,且能夠降低軸承的加工成本和故障率。為適應齒輪箱的惡劣工況,提高耐磨性,通常在與圓瓦軸承配合的銷軸上加工一層銅合金或鋁合金,并通過圓瓦結構的邊緣修形,軸承結構參數、間隙以及供油孔位置和數量的調整提高齒輪箱滑動軸承的潤滑性能。

另一種齒輪箱滑動軸承結構形式為浮環軸承[9],該軸承具有銷軸與浮環內表面、浮環外表面與軸承座2個相對滑動面,浮環軸承整周分布油孔,使浮環內外表面的潤滑油相互流通,穩定浮環運動狀態。浮環軸承具有良好的承載特性和阻尼特性,但其理論性能計算復雜。

由于浮環軸承結構復雜,技術難度大,目前齒輪箱滑動軸承以圓瓦結構為主,通過在銷軸上加工軟的合金層以及表面修形實現軸承的減摩、抗磨。

2.2 風電滑動軸承潤滑性能分析與結構優化

風電滑動軸承轉速低、載荷大且工況變化頻繁,還受偏航風載和偏心重力等彎扭載荷影響,導致其潤滑性能分析與結構優化設計與常規滑動軸承不同,主要需要考慮以下2個方面:

1)考慮流-固-熱耦合作用。文獻[10]提出了一種基于熱彈變形的風電滑動軸承流-固-熱耦合模型,并通過試驗驗證該模型的有效性,利用該模型設計了浮動襯套式風電機組齒輪箱滑動軸承,并對軸承端面進行修形設計以減小軸承端面壓力,參數計算表明,浮動襯套與軸承的相對間隙越小,性能越好;為驗證文獻[10]理論模型的正確性,文獻[11]搭建試驗臺測量了瞬態的摩擦力矩和油膜溫度等數據,理論模型與試驗結果具有較好的一致性。文獻[12-13]基于平均雷諾方程,考慮表面形貌效應、彈性變形效應、流固導熱效應的影響,建立了風電機組齒輪箱滑動軸承流-固-熱耦合模型,分析了斜齒輪螺旋角、軸承軸向間隙比、軸承端面修形等結構參數對軸承性能的影響,發現斜齒輪螺旋角大于4°時軸承端面邊緣壓力顯著增大;設置合適的軸向間隙比和端面修形參數可以有效減小軸承端部的邊緣壓力,降低軸承溫升。文獻[14]考慮材料傳熱特性與黏溫特性,建立了帶有高分子聚合物柔性襯墊層的風電機組主軸滑動軸承在混合潤滑下的流-固-熱耦合模型,分析了聚合物襯墊剛度、襯墊層厚度對高動態載荷下滑動軸承動態特性的影響,結果表明加入一定厚度的柔性襯墊層可以顯著降低軸承的峰值壓力。

2)考慮累積磨損影響。2010年,丹麥科技大學Thomsen等人針對風電滑動軸承提出了一種基于油膜厚度信息的金屬-塑料瓦軸承磨損預測模型[15];2018年,奧地利虛擬汽車研究中心David研究分析了不同啟停次數下滑動軸承磨損演變過程,并對比分析了實測摩擦力矩與理論摩擦力矩值[16-17];2019年,德國亞琛工業大學Florian建立了一種多尺度滑動軸承磨損預測模型,通過試驗驗證了理論模型的正確性,成功預測了滑動軸承跑合過程的磨損量與軸承輪廓[18];2019年,德國亞琛工業大學Lang基于多體動力學分析方法,綜合考慮風電機組齒輪箱滑動軸承與主軸軸承跑合過程中壓力與表面形貌的變化過程,獲得了風電滑動軸承的優化輪廓[19]。

總之,由于風電滑動軸承運行轉速低、承載大、受到復雜的彎矩作用,導致風電滑動軸承設計和潤滑性能分析時需要重點考慮結構的變形,建立綜合考慮流體動壓、結構彈性變形、界面熱傳導的流-固-熱耦合作用模型;同時,考慮到風電滑動軸承頻繁啟停等情況,軸承設計和潤滑性能分析過程中還需建立考慮累積磨損影響的磨損預測模型。

2.3 風電滑動軸承檢測技術現狀

為驗證風電滑動軸承潤滑模型的準確性并評估風電滑動軸承的運行狀態,需要研究風電滑動軸承潤滑狀態監測與關鍵潤滑參數精準測試技術。目前,主要通過檢測、監測膜厚、溫度、油液磨粒、磨損、振動等方法和手段綜合評估滑動軸承的性能及潤滑狀態。

1)膜厚。油膜厚度是表征軸承等摩擦學元件潤滑狀態的關鍵性能指標,建立適合工業應用的膜厚及其分布的檢測方法一直是摩擦學和流體潤滑領域研究的熱點和難點。不同學者基于電、磁、聲、光特性提出了許多流體膜厚測量方法(表2),其中,超聲法是目前最具工業應用前景的方法,國外謝菲爾德大學Dwyer-Joyce 團隊自2004年以來對膜厚超聲檢測技術的有效性進行了系統的研究[20-23],國內湖南大學也對膜厚超聲檢測技術進行了深入研究,開發了采用厚度極薄的超聲波壓電元件作為超聲波傳感器測量膜厚的方法,并在多個應用場合中進行了驗證[24-28]。

表2 不同膜厚測量方法的特點

Tab.2Characteristics of different film thickness measurement methods

2)溫度。溫度是驗證風電滑動軸承潤滑模型準確性與健康狀態監測的常用方式,溫度測量簡單、準確。正常工況下軸承溫升約為20～30 ℃,但溫度為慢變信號,無法提前預判軸承故障或檢測軸承的早期故障。文獻[29]通過試驗測試了不同工況下軸承的溫度分布,分析了軸向偏載對滑動軸承性能的影響;文獻[7]通過溫度傳感器測量了不同工況下主軸滑動軸承的溫升,對比驗證了計算結果的準確性。

3)油液磨粒。當風電機組主軸及齒輪箱軸承發生損壞時會產生磨損磨粒,通過統計單位體積潤滑油中磨粒的數量或分析油液中磨粒的特征,可以評估風電滑動軸承的磨損狀態。目前油液磨粒監測方法主要分為離線油液磨粒監測和在線油液磨粒監測。文獻[30]通過統計油液中累積磨粒的數量來檢測風電機組齒輪箱和軸承的服役狀態。

4)磨損量。在風電滑動軸承跑合過程和頻繁啟停過程中,軸承會發生磨損,軸承表面磨損程度是其剩余壽命預測的重要指標,目前檢測風電滑動軸承磨損量的方法有超聲反射系數法和聲發射法;2015年,英國謝菲爾德大學Henry研究了采用超聲波反射信號實時測量表面磨損量的方法,發現通過超聲波在磨損表面反射信號的變化可以有效實現微米級表面磨損量的精確測量[31]。2020年,德國柏林工業大學Noushin等人研究采用聲發射方法測量齒輪箱滑動軸承的摩擦磨損狀態,研究發現,隨著磨損量的增加,聲發射信號將發生明顯的變化,利用聲發射方法可以精確地提取滑動軸承的磨損量[32]。

5)振動。振動是旋轉機械運行狀態評估與故障診斷最常用的方法,通過系統的振動信號,結合時域、頻域、時頻域處理算法,可以有效識別系統的常見故障,如不平衡、軸彎曲、不對中、松動、齒輪故障、軸承故障、油膜渦動、轉子裂紋等。2013年,英國哈德斯菲爾德大學PARNO博士詳細研究了通過振動信號檢測滑動軸承潤滑油是否包含雜質以及是否存在表面擦傷等早期故障的可行性[33]。

在風電滑動軸承性能檢測技術方法中,溫度、振動、膜厚、磨損量以及油液磨粒都是行之有效的運行狀態監測方法,其中,溫度與振動相對最為常用,膜厚、磨損量以及油液磨粒則對風電滑動軸承的早期故障檢測具有更好的敏感度。

3 展望

在大型風電機組中,滑動軸承代替滾動軸承是未來的發展趨勢,但其實際應用還存在諸多挑戰,未來可以從以下方面對風電滑動軸承進行深入研究:

1)在風電滑動軸承潤滑分析與結構優化設計方面。需要考慮風電滑動軸承結構彈性變形以及界面熱特性的影響,構建支承結構-彈性變形-界面熱傳導全場流-固-熱耦合潤滑分析模型,以精確描述風電滑動軸承在惡劣工況下的潤滑狀態;同時需要考慮累積磨損和系統多體動力學對風電滑動軸承性能的影響。

2)在風電滑動軸承性能檢測方面。目前通常采用一種監測方法,無法深入觀測風電滑動軸承運行狀態的演變過程。未來的研究有必要結合多種有效的監測方法,覆蓋風電滑動軸承全壽命周期,以期建立風電滑動軸承性能演變過程的數據庫,探究風電滑動軸承性能衰變機理并反哺風電滑動軸承的設計。同時,需要協同研究完善風電滑動軸承潤滑方式與潤滑系統設計,例如采用滴油潤滑、軸瓦自潤滑等方式改善風電滑動軸承在惡劣工況下的潤滑性能。

End

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Development Status of Design and Performance Testing Technology forWind Turbine Sliding Bearings

CHEN Qi1,ZHANG Kai1,ZHU Jie1,2,ZHANG Yabin1,2,FENG Kai1

(1.Key Laboratory of High-end Intelligent Equipment Key Components in Hunan Province,Hunan University,Changsha 410006,China;2.Hunan SUND Technological Corporation,Xiangtan 411101,China)

Abstract： Wind power is an important development direction of clean energy in China,and the large-scale development of wind turbines is an important measure to reduce the cost of wind power generation.With the development of wind turbines towards large-scale direction,the fault rate and processing cost of traditional rolling bearings for wind turbines increase significantly with the increase of size of the bearings,becoming a problem of ' stuck neck ' that restricts the large-scale development of wind turbines.The sliding bearings have the characteristics of high stability,good tolerance to material defects and external impurities,low processing cost,which are expected to overcome the shortcomings of traditional rolling bearings for wind turbines,and has become the development trend of large-scale wind turbine bearings.Based on current development status of design and performance testing technology for wind turbine sliding bearings during the process of 'sliding instead of rolling',the technical difficulties faced by main shaft bearings and gearbox bearings for wind turbines are introduced,such as low speed,heavy load,complex external interference,frequent start and stop.A detailed analysis is conducted on common structural forms,lubrication performance analysis and structural optimization design methods of wind turbine sliding bearings,as well as research status of evaluating the performance and lubrication status of the bearings through methods such as detecting and monitoring the film thickness,temperature,oil wear particles,wear and vibration.Finally,the research directions on the bearings are prospected,providing reference for development of the bearings.

Key words： sliding bearing;wind turbine bearing;wind turbine;speed;load;lubrication;testing

中圖分類號：TH133.31;TM315

文獻標志碼：B

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2023.06.002

收稿日期：2022-08-24;修回日期：2023-01-20

基金項目：國家自然科學基金資助項目(52275189);湖南省高新技術產業科技創新引領計劃資助項目(2020GK2069);湖南省青年科技人才資助項目(2022RC1137)

作者簡介：陳奇(1998—),男,博士,研究方向為風電滑動軸承,E-mail:hnuchenqi@hnu.edu.cn;張凱(1987—),男,博士,副教授,研究方向為高端軸承、超聲檢測、無線傳感網絡,E-mail:Kzhang@hnu.edu.cn。

(編輯：鈔仲凱)