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

6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承

6.1 我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

2006年起，我國風(fēng)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(jī)超15x10⁴臺，累計裝機(jī)容量超2.9 x10⁹kW。因政策和消納能力的影響，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在此期間二次起落，目前又進(jìn)入了高速發(fā)展階段(表9)。

從產(chǎn)業(yè)布局上看：我國風(fēng)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”(海上、海外)發(fā)展。

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看:平均單機(jī)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(jī)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(fēng)電新增和累計裝機(jī)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(dǎo)致的搶裝潮過后，風(fēng)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(fēng)機(jī)的需求逐步增加，而且前期風(fēng)場已達(dá)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(dá)峰、2060年碳中和的“30·60 雙碳目標(biāo)”，要求2030年非化石能源在總能源中占比達(dá)到25%，光伏和風(fēng)電要新增裝機(jī)容量不小于10x10⁹kW，平均每年新增裝機(jī)容量約1×10⁹kW，其中風(fēng)電平均每年新增裝機(jī)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(fēng)電機(jī)組軸承類型

風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)軸承，2.5 MW以上主軸軸承則主要靠進(jìn)口，亟待自主化。

圖15 風(fēng)電機(jī)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(jī)倉底部，承載風(fēng)機(jī)主傳動系統(tǒng)的全部重量，用于準(zhǔn)確適時地調(diào)整風(fēng)機(jī)迎風(fēng)方向。變槳軸承將槳葉與輪轂結(jié)合在一起，根據(jù)風(fēng)向調(diào)整槳葉迎風(fēng)角度使其達(dá)最佳狀態(tài)。偏航、變槳軸承要有足夠的強(qiáng)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(yùn)行平穩(wěn)，啟動力矩小，潤滑、防腐及密封性能好。

圖16 風(fēng)電機(jī)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(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式、外齒式)和雙列四點(diǎn)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(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式)。

近年來，隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)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(jìn)變槳系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其中，變槳軸承已證實(shí)的一項(xiàng)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(dá)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(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組主傳動鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，不僅要承受風(fēng)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(fēng)電機(jī)組的單機(jī)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(fēng)電機(jī)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(diǎn)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(diǎn)式支承，應(yīng)用于低兆瓦級風(fēng)電機(jī)組。

2)二點(diǎn)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(fēng)電機(jī)組。

3)單點(diǎn)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(fēng)電機(jī)組。

近年來，大兆瓦風(fēng)電機(jī)組主軸軸承事故頻發(fā)，初步分析原因是風(fēng)電機(jī)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(fēng)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(fēng)電場和湖南某風(fēng)電場使用的230臺2 MW電勵磁風(fēng)電機(jī)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(dǎo)致軸承抱死的事故頻發(fā)，更換該公司多方改進(jìn)的軸承175臺次均未解決問題，換裝某國產(chǎn)加強(qiáng)型三排圓柱滾子軸承后，風(fēng)電機(jī)組才得以正常運(yùn)行。

6.2.3 增速器軸承

由于風(fēng)電機(jī)組主軸的轉(zhuǎn)速較低，需要增速器進(jìn)行增速以達(dá)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(fēng)電機(jī)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(fù)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(yuǎn)。

圖18 風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)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(fēng)能業(yè)界的難點(diǎn)、重點(diǎn)，軸承企業(yè)也應(yīng)密切關(guān)注并跟進(jìn)一些前沿技術(shù)。目前，風(fēng)能業(yè)界正在進(jìn)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(fēng)電機(jī)組增速器配套軸承的類型

Tab.10 Types of wind turbine gearbox bearings

圖19 風(fēng)電機(jī)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(jī)軸承

如圖20所示，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)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(jī)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(fēng)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(fēng)電機(jī)組的偏航、變槳軸承和主軸軸承就進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化和大批量供貨，留下很多隱患?，F(xiàn)在必須進(jìn)行研發(fā)、工程化補(bǔ)課，重點(diǎn)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(fēng)電機(jī)組軸承載荷譜;

2)建立軸承產(chǎn)品數(shù)字化模型，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(dá)到技術(shù)要求的3個滾道同時進(jìn)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(fēng)電機(jī)組軸承熱處理的可行性進(jìn)行深入研究；

10)研究2.5 MW以上風(fēng)電機(jī)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(jìn)產(chǎn)品智能化(研發(fā)遠(yuǎn)程自動監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)的傳感器軸承，進(jìn)而研發(fā)遠(yuǎn)程自動監(jiān)測、自動調(diào)控運(yùn)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(jī)容量0.5×10⁹kW，平均單機(jī)容量3 MW計算，每年新增風(fēng)電機(jī)組約17 000臺、每臺風(fēng)電機(jī)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(jī)軸承，則每年需配套風(fēng)電機(jī)組軸承425 000套。按每臺風(fēng)電機(jī)組軸承120萬元的價格計算，則每年風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組主軸軸承已國產(chǎn)化，2.5 MW以上風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的研發(fā)也已取得積極進(jìn)展且有多項(xiàng)創(chuàng)新，需進(jìn)一步大力推進(jìn)。各種功率的增速器和發(fā)電機(jī)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(jìn)展。

（參考文獻(xiàn)略）

來源：《軸承》2022年1期（節(jié)選）