张森林 刘红

摘 要：详细的阐述了风电机组主传动链的结构和组成，并详细介绍了大型海上风电机组的类型和主传动链轴承的设计选型情况。采用有限元分析软件对该轴承的强度、疲劳和连接螺栓做进一步的计算分析。并采用轴承的计算软件对轴承的寿命进行校核和计算。结论为主传动链的计算和主轴轴承的设计和选型提供可靠的依据。

关键词：海上大型风电机组；主传动链轴承；静强度；疲劳强度；疲劳寿命

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.16.090

0 引言

目前，在海上大型风电机组的设计中，由于对风电机组的性能要求比陆上机组还要更高，因此对风电机组主传动链的要求就会更高。要求机组的传动链的结构要更稳定、更可靠。在主传动链的设计中，轴承的选型设计是否正确、合理往往决定了整个风电机组设计的成败。因此，在大型海上风电机组的设计中，我们往往都需要先确定整个机组传功链的总体结构，明确主传动系统中主轴承的选型和设计方案后，才能进行详细的设计机组的其他部件。因此，本文主要阐述大型海上风电机组主传动链设计以及主轴轴承的设计选型方法。

1 风电机组主传动链轴承布置方式

风电机组主传动链轴承布置方式有如下几种类型。调心滚子轴承三点式支撑方式；调心滚子轴承四点式支撑方式；双列圆锥轴承+双列圆柱轴承布置方式；双列圆锥轴承+单列圆柱轴承布置方式；单列圆锥轴承+单列圆柱轴承布置方式；单列圆锥轴承+单列圆锥轴承布置方式；单个超大单列圆锥布置方式；单个三排滚子轴承布置方式。

2 海上风电机组主传动链轴承布置方式

鉴于海上风电机组对传动链的要求更好，防腐的要求更高。因此我们在进行海上大型机组设计的时候，一般都采用国外进口的轴承。比如：SKF、TIMKEN、FAG等国际品牌的大型轴承。主传动链轴承的布置方式也要求更加严格，传动链的设计也要更加合理。一般海上的风电机组单机容量都比较大，考虑到经济性和整机的成本，一般海上的机组单机容量都在3MW以上。一般都采用直驱或者半直驱的形式，对于直驱型的大型风电机组，发电机的传动链一般采用超大型的双列圆锥滚子轴承，或者是双列圆锥滚子轴承+单列圆柱滚子轴承的方式。对于半直驱的大型风电机组，主传动链的轴承一般采用双列圆锥+双列圆柱，单列圆锥轴承+单列圆锥轴承，单个超大三排滚子轴承方式。因此，调心滚子轴承的支撑方式就不在适合海上大型机组传动链的结构，海上风电机组主传动链轴承的布置方式有如下几种。

2.1 双列圆锥轴承+双列圆柱轴承布置方式

双列圆锥轴承+双列圆柱轴承布置方式如图1所示。

双列圆锥轴承+双列圆柱轴承布置方式具有如下几个方面的优缺点。

（1）轴向前膨胀，对电机连接影响小；

（2）圆柱轴承承受大部分径向力，圆锥轴承受部分径向力和全部轴向力；

（3）载荷分配更合理，经济性相对较好；

（4）圆柱轴承有游隙，刚性较差；

（5）圆柱受力较大，滚子设计增大，轻载时易打滑；

（6）轴承座必须采用整体的形式。

此种传动链的方式更适合带齿轮箱的双馈机型或者是半直驱的机型。能够合理的分配机组的载荷，使机组的受力更加合理。同时，轴承的成本相对比较低，经济性好。因此，在不考虑传动链长度尺寸的情况下，可以优先考虑该种方案。

2.2 双列圆锥轴承+单列圆柱轴承布置方式

双列圆锥轴承+ 单列圆柱轴承布置方式如图2所示。

双列圆锥轴承+单圆柱轴承布置方式具有如下几个方面的优缺点。

（1）圆锥轴承的预紧刚性好，机组运行相对平稳；

（2）圆柱轴承受载小，可设计较小滚子，不易打滑；

（3）圆锥受大部分径向力和轴向力，尺寸较大，价格较贵；

（4）圆柱浮动端， 热膨胀主轴会带动齿轮箱后移；

（5）必须采用整体轴承座，轴承座尺寸相对较大。

此种传动链的方式适合直驱机型和带齿轮箱的双馈机型。轴承的跨度比较大，轴承座也必须是整体的结构，轴承座的尺寸相对较大，加工的成本较高。圆柱轴承的尺寸较大，成本也相对较高。

2.3 单列圆锥轴承+单列圆锥轴承布置方式

单列圆锥轴承+单列圆锥轴承布置方式和受力情况如图3所示。

單列圆锥轴承+单列圆锥轴承布置方式具有如下几个方面的优缺点。

（1）圆锥预紧刚性好，机组稳定性好；

（2）都采用圆锥轴承，轴承的相对成本低；

（3）安装时候需要进行计算预紧力，安装相对困难。

此种传动链的方式适合带齿轮箱的双馈机型。而且比较适合大型海上机组的样机设计，轴承的设计跨度也相对较大，轴承座必须整体铸造加工，轴承座的尺寸相对较大，加工的成本较高。由于该种结构每台机型都需要单独的计算预计力。因此，对于大型的批量机组不太适用。

2.4 超大双列圆锥轴承布置方式

超大双列圆锥轴承的布置方式如图4所示。

双列圆锥滚子轴承的优点如下：

（1）设计理念非常好，在承受较大径向力的同时，也大大加强了轴承的轴向承载能力，同时也可以承受较大的倾覆力矩。

（2）圆锥滚子做纯滚动运动，不会产生摩擦生热的现象。

双列圆锥滚子轴承的缺点如下：

（1）承载方面轴向力和径向力容易发生干涉；轴承的轴向负荷能力大部分是由接触角α决定的；α角度越大，轴向负荷能力就越高，但同时会降低轴承径向负荷能力；

（2）双列圆锥滚子轴承是一种向心推力轴承，要求轴承的工作游隙接近于零，或有少量的预紧过盈，但是轴承的制造游隙较难控制，且轴承安装也会造成游隙的变化，因此对轴承影响非常大，安装时的轴向预紧量难以精确控制，直接影响轴承寿命；

（3）滚道的锥度加工精度难以达到设计理念；

（4）由于滚子表面与内外滚道之间的接触角不同，因此轴承在工作过程中，沿滚子与挡边的接触线上会存在一个分力，导致滚子基面与挡边产生滑动，且此处的润滑效果较差，从而降低軸承寿命；

（5）保持架结构复杂，加工难度大，费用高。

此种传动链的方式即可适合直驱机型又可适合带齿轮箱的双馈机型。机组的结构设计简单，尺寸链紧凑。但是，轴承的生产和加工的费用很高，轴承比较昂贵。一般都得采用国外进口的大型轴承，生产的周期也很长。比较适合海上较大机组。不需要轴承座，主机架和轴承座可以设计成一体的，安装相对也比较困难，需要计算轴向的预紧量。

2.5 三排滚子轴承布置方式

三排滚子轴承的布置方式如图5所示。

优点：

（1）轴向力由轴向滚子承受，径向力由径向滚子承受，两者互不干涉；

（2）滚道易于加工，加工精度可以达到设计理想值；

（3）如果安装预紧条件不变，轴承设计制造过程可以确定准确的游隙值，安装后可保证轴承正常工作，同时可保证批量生产的一致性；

（4）保持架结构相对简单，加工难度小。

缺点：设计理念相对不是很理想，推力滚子易产生滑动，摩擦生热，使轴承温度过高，润滑失效。

3 海上机组主传动链选型结论

（1）对于双轴承支承系统的方案。

优点：轴承尺寸相对较小，轴承成本相对较低。

缺点：机舱的尺寸较大，机组的重量比较重，成本相对较高。

（2）对于单轴承支承系统的方案。

优点：机组的结构更加紧凑，机舱的尺寸小，机组的体积小，重量轻。具有一定的技术优势。

缺点：轴承的尺寸相对较大，轴承生产和加工存在一定的困难，轴承本身的成本较高。

因此，对于大型海上机组主传动链的设计还要根据实际的情况进行设计，要综合考虑各个因素，无论选择哪种传动链的类型都需要考虑具体的情况而定。考虑到机组的类型、轴承的成本、轴承的安装方式、轴承的使用寿命等因素。

参考文献

[1]Tony Burton著，武鑫译.风能技术[M].北京：科学出版社，2007.

[2]姚兴佳，田德.风力发电机组理论和设计[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]杨校生等译.挪威船级社.风力发电机组理论和设计设计导则[M].北京：机械工业出版社，2011.