风电滑动轴承设计与性能检测技术发展现状

《轴承》2023年 第6期

引文格式：陈奇，张凯，朱杰，等.风电滑动轴承设计与性能检测技术发展现状[J].轴承，2023（6）：14-20.

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风电滑动轴承设计与性能检测技术

发展现状

陈奇1,张凯1,朱杰1,2,张亚宾1,2,冯凯1

(1.湖南大学 高端智能装备关键部件湖南省重点实验室,长沙 410006;2.湖南崇德科技股份有限公司,湖南 湘潭 411101)

摘要：风电是我国清洁能源的重要发展方向,风电机组大型化是降低风力发电成本的重要举措,随着风电机组朝着大型化方向发展,传统风电机组用滚动轴承的故障率与加工成本随轴承尺寸的增大而显著增加,已成为制约风电机组大型化的“卡脖子”问题。滑动轴承具有稳定性高、对材料缺陷和外界杂质包容性好、加工成本低等特点,有望克服传统风电机组中滚动轴承的缺点,已成为大型风电机组轴承的发展趋势。针对风电轴承“以滑代滚”过程中风电滑动轴承的设计与性能检测技术发展现状,介绍了风电主轴轴承、齿轮箱轴承面临的转速低,载荷大,外界干扰复杂,启停频繁等技术难点;详细分析了风电滑动轴承常见结构形式、润滑性能分析与结构优化设计方法,以及通过检测、监测膜厚、温度、油液磨粒、磨损、振动等方法评估滑动轴承性能及润滑状态的研究现状;最后对风电滑动轴承的研究方向进行了展望,以期对风电滑动轴承的研制提供参考。

关键词：滑动轴承;风电轴承;风力发电机组;转速;载荷;润滑;检测

能源短缺是制约我国经济可持续发展的瓶颈,利用可再生能源,改善能源结构,减少对化石能源的依赖,已成为我国中长期能源发展战略。风能作为一种清洁可再生能源,与其他能源相比具有分布广泛、蕴藏丰富、无污染等优点,是我国清洁能源的重要发展方向。随着我国提出“30·60”碳达峰、碳中和目标,预计“十四五”期间风电将新增250 GW,年均新增装机量不低于50 GW,风电轴承市场规模接近百亿元[1]。

行业数据显示,风轮直径每增加10%,整机发电量将提高8%以上,因此,发展大功率机型是降低风力发电成本的重要措施之一。2021年2月10日,维斯塔斯(Vestas)宣布推出V236-15 MW滚动轴承支承海上风电机组,成为全球单机容量最大的风电机组,单机容量15 MW,风轮直径236 m。国内的风电巨头金风科技也开始研制滚动轴承支承16 MW风电机组,目前正处于试验阶段,推向市场指日可待。

轴承作为风电机组的“关节”,是保障风电机组稳定可靠运行的关键。在风电机组中使用的轴承大致可以分为3类:偏航轴承、变桨轴承和传动链轴承,其中传动链轴承包括了主轴轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承。目前,风电机组的这些部位均使用滚动轴承作为支承。随着风电机组功率接近20 MW,传统风电机组传动链所用滚动轴承,特别是主轴轴承的设计和加工制造难度显著增加。与滚动轴承相比,滑动轴承具有稳定性高、对材料缺陷和外界杂质包容性好、加工成本低、可分块更换等特点,是实现大型风电机组传动链跨越式发展的有效途径。在风电主轴中使用滑动轴承代替滚动轴承可以明显降低轴承的加工成本与加工难度,且由于分块更换可实现塔上更换,其维修成本也大幅降低;在风电齿轮箱中使用滑动轴承代替滚动轴承则可使齿轮箱更加紧凑,有利于安装更多行星轮,有效提高齿轮箱的扭矩密度。

正因为滑动轴承优良的运行性能、较低的轴承加工成本和维护成本,促使国内外知名风机厂商AREVA Multibrid®,Vestas,Siemens,Repower,金风科技等纷纷研究采用滑动轴承作为主轴、齿轮箱用轴承的优选方案。目前,在大型风电机组的主轴和齿轮箱中,使用滑动轴承代替滚动轴承已经逐渐成为了行业的发展趋势。

1 风电滑动轴承的主要挑战

由于风电机组的运行工况复杂多变(如承受较大的冲击载荷),要求长寿命(至少20 a)、高可靠性,使得风电轴承具有很高的技术难度。与常规滑动轴承相比,应用于风电机组主轴和齿轮箱的滑动轴承面临的主要挑战包括:

1)转速低。在常规发电工况下,10 MW级风电机组主轴滑动轴承的线速度通常低于0.20 m/s,齿轮箱滑动轴承的线速度通常为0.25～0.50 m/s。

2)载荷大。大型风电机组传动链所受风载与机组自身重量巨大(10 MW级风电机组自身质量超过500 t),导致轴承所受载荷非常大。10 MW级风电主轴滑动轴承所受的平均压力通常大于15 MPa,齿轮箱滑动轴承所受的平均压力通常大于10 MPa,工作区域局部压力可达到30～40 MPa。

3)外界干扰复杂。风电机组通常运行在3 000多种载荷工况下,滑动轴承除了承受自身较大的载荷外,还受机组复杂结构变形和时变弯矩的影响。

4)启停频繁。风电机组每年启停约2 000次,20 a使用寿命内需要启停接近40 000次。

上述挑战使风电滑动轴承的应用存在以下问题:1)在运行时不易形成有效的润滑油膜,经常处于混合润滑与边界润滑状态;2)频繁启停和多变工况会使滑动轴承受到较大的冲击载荷,轴承磨损严重,进而降低轴承使用寿命;3)主轴滑动轴承还受倾覆力矩和偏航风载作用,端部边缘的局部应力及局部变形较大,局部磨损严重;4)由于斜齿轮啮合角的影响,齿轮箱滑动轴承会受到附加弯矩的作用,使轴瓦发生椭圆变形,销轴发生香蕉变形,在边缘出现应力集中,造成局部严重磨损。风电机组齿轮箱滑动轴承与常规滑动轴承的工况对比见表1。

表1 风电机组齿轮箱滑动轴承与常规滑动轴承工况对比

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

2 风电滑动轴承研究现状

风电滑动轴承是国内外学者与制造厂商为解决大功率风电机组用滚动轴承故障率高、加工成本高的缺点而提出的一种替代解决方案,并于2009年首次安装在德国的第1个海上风电项目“Alpha Ventus”中。经过10余年的发展,风电滑动轴承相关的设计理论、设计方法和加工检测技术等都取得了诸多进展。针对风电滑动轴承面临的挑战,国内外学者以轴承润滑与磨损演变理论为基础,采取了一系列措施提高滑动轴承的性能和寿命,如优化滑动轴承结构,研制高性能轴瓦自润滑材料,开发高性能轴承加工制造技术,设计风电滑动轴承润滑系统,开发膜厚、温度和油液磨粒等轴承关键润滑参数检测技术等,其中结构优化和关键润滑参数检测技术最为重要,限于篇幅,仅介绍这两项技术的国内外研究现状。

2.1 风电滑动轴承常见结构

2.1.1 主轴滑动轴承

主轴滑动轴承通常在低速、重载工况下运行,且需要承受风机叶片较大的倾覆力矩,要求轴承具有一定的自适应调节能力和自润滑性能,主要结构有可倾瓦巴氏合金轴承、塑料瓦轴承、锥面滑动轴承、柔性锥面滑动轴承等。2012年,丹麦科技大学Kim等人经过研究了可倾瓦巴氏合金轴承应用于风力发电机主轴时的性能[2];2019年,德国亚琛风力发电研究中心Azadeh等人试验研究了可倾瓦巴氏合金轴承应用于风电机组主轴的可行性[3];2019年,德国克劳斯塔尔工业大学Thomas Hagemann等人研究了一种应用于风电主轴的带前缘沟槽的可倾瓦轴承,与传统可倾瓦轴承结构相比,该轴承结构具有一定的储油、泵油功能,能改善其润滑性能[4];2011年,丹麦科技大学Kim等人提出了一种柔性支承塑料瓦轴承结构,并研究了柔性塑料瓦轴承在风电机组转子不对中条件下的性能改善效果,发现柔性塑料瓦轴承有助于大幅提高主轴轴承在转子不对中条件下的运行性能[5];2017年,德国亚琛工业大学Tim等人研究了圆锥滑动轴承作为风电机组主轴轴承的性能[6],2019年,该课题组将圆锥滑动轴承改进设计为柔性锥面滑动轴承以降低边缘磨损现象[7];2020年,Amadeus等人将柔性锥面滑动轴承进行了几种不同结构的演化,包括力矩轴承和球面瓦轴承等[8]。

为更好地适应所受的弯矩和转子不对中工况,风电主轴滑动轴承目前以柔性结构为主。

2.1.2 齿轮箱滑动轴承

常见的齿轮箱滑动轴承结构形式为圆瓦轴承[9],通过齿轮箱销轴与行星轮形成滑动轴承摩擦副,该结构的特点是滑动轴承与齿轮箱结构一体化,齿轮箱结构紧凑,有利于提高风机传动效率与功率密度,且能够降低轴承的加工成本和故障率。为适应齿轮箱的恶劣工况,提高耐磨性,通常在与圆瓦轴承配合的销轴上加工一层铜合金或铝合金,并通过圆瓦结构的边缘修形,轴承结构参数、间隙以及供油孔位置和数量的调整提高齿轮箱滑动轴承的润滑性能。

另一种齿轮箱滑动轴承结构形式为浮环轴承[9],该轴承具有销轴与浮环内表面、浮环外表面与轴承座2个相对滑动面,浮环轴承整周分布油孔,使浮环内外表面的润滑油相互流通,稳定浮环运动状态。浮环轴承具有良好的承载特性和阻尼特性,但其理论性能计算复杂。

由于浮环轴承结构复杂,技术难度大,目前齿轮箱滑动轴承以圆瓦结构为主,通过在销轴上加工软的合金层以及表面修形实现轴承的减摩、抗磨。

2.2 风电滑动轴承润滑性能分析与结构优化

风电滑动轴承转速低、载荷大且工况变化频繁,还受偏航风载和偏心重力等弯扭载荷影响,导致其润滑性能分析与结构优化设计与常规滑动轴承不同,主要需要考虑以下2个方面:

1)考虑流-固-热耦合作用。文献[10]提出了一种基于热弹变形的风电滑动轴承流-固-热耦合模型,并通过试验验证该模型的有效性,利用该模型设计了浮动衬套式风电机组齿轮箱滑动轴承,并对轴承端面进行修形设计以减小轴承端面压力,参数计算表明,浮动衬套与轴承的相对间隙越小,性能越好;为验证文献[10]理论模型的正确性,文献[11]搭建试验台测量了瞬态的摩擦力矩和油膜温度等数据,理论模型与试验结果具有较好的一致性。文献[12-13]基于平均雷诺方程,考虑表面形貌效应、弹性变形效应、流固导热效应的影响,建立了风电机组齿轮箱滑动轴承流-固-热耦合模型,分析了斜齿轮螺旋角、轴承轴向间隙比、轴承端面修形等结构参数对轴承性能的影响,发现斜齿轮螺旋角大于4°时轴承端面边缘压力显著增大;设置合适的轴向间隙比和端面修形参数可以有效减小轴承端部的边缘压力,降低轴承温升。文献[14]考虑材料传热特性与黏温特性,建立了带有高分子聚合物柔性衬垫层的风电机组主轴滑动轴承在混合润滑下的流-固-热耦合模型,分析了聚合物衬垫刚度、衬垫层厚度对高动态载荷下滑动轴承动态特性的影响,结果表明加入一定厚度的柔性衬垫层可以显著降低轴承的峰值压力。

2)考虑累积磨损影响。2010年,丹麦科技大学Thomsen等人针对风电滑动轴承提出了一种基于油膜厚度信息的金属-塑料瓦轴承磨损预测模型[15];2018年,奥地利虚拟汽车研究中心David研究分析了不同启停次数下滑动轴承磨损演变过程,并对比分析了实测摩擦力矩与理论摩擦力矩值[16-17];2019年,德国亚琛工业大学Florian建立了一种多尺度滑动轴承磨损预测模型,通过试验验证了理论模型的正确性,成功预测了滑动轴承跑合过程的磨损量与轴承轮廓[18];2019年,德国亚琛工业大学Lang基于多体动力学分析方法,综合考虑风电机组齿轮箱滑动轴承与主轴轴承跑合过程中压力与表面形貌的变化过程,获得了风电滑动轴承的优化轮廓[19]。

总之,由于风电滑动轴承运行转速低、承载大、受到复杂的弯矩作用,导致风电滑动轴承设计和润滑性能分析时需要重点考虑结构的变形,建立综合考虑流体动压、结构弹性变形、界面热传导的流-固-热耦合作用模型;同时,考虑到风电滑动轴承频繁启停等情况,轴承设计和润滑性能分析过程中还需建立考虑累积磨损影响的磨损预测模型。

2.3 风电滑动轴承检测技术现状

为验证风电滑动轴承润滑模型的准确性并评估风电滑动轴承的运行状态,需要研究风电滑动轴承润滑状态监测与关键润滑参数精准测试技术。目前,主要通过检测、监测膜厚、温度、油液磨粒、磨损、振动等方法和手段综合评估滑动轴承的性能及润滑状态。

1)膜厚。油膜厚度是表征轴承等摩擦学元件润滑状态的关键性能指标,建立适合工业应用的膜厚及其分布的检测方法一直是摩擦学和流体润滑领域研究的热点和难点。不同学者基于电、磁、声、光特性提出了许多流体膜厚测量方法(表2),其中,超声法是目前最具工业应用前景的方法,国外谢菲尔德大学Dwyer-Joyce 团队自2004年以来对膜厚超声检测技术的有效性进行了系统的研究[20-23],国内湖南大学也对膜厚超声检测技术进行了深入研究,开发了采用厚度极薄的超声波压电元件作为超声波传感器测量膜厚的方法,并在多个应用场合中进行了验证[24-28]。

表2 不同膜厚测量方法的特点

Tab.2Characteristics of different film thickness measurement methods

2)温度。温度是验证风电滑动轴承润滑模型准确性与健康状态监测的常用方式,温度测量简单、准确。正常工况下轴承温升约为20～30 ℃,但温度为慢变信号,无法提前预判轴承故障或检测轴承的早期故障。文献[29]通过试验测试了不同工况下轴承的温度分布,分析了轴向偏载对滑动轴承性能的影响;文献[7]通过温度传感器测量了不同工况下主轴滑动轴承的温升,对比验证了计算结果的准确性。

3)油液磨粒。当风电机组主轴及齿轮箱轴承发生损坏时会产生磨损磨粒,通过统计单位体积润滑油中磨粒的数量或分析油液中磨粒的特征,可以评估风电滑动轴承的磨损状态。目前油液磨粒监测方法主要分为离线油液磨粒监测和在线油液磨粒监测。文献[30]通过统计油液中累积磨粒的数量来检测风电机组齿轮箱和轴承的服役状态。

4)磨损量。在风电滑动轴承跑合过程和频繁启停过程中,轴承会发生磨损,轴承表面磨损程度是其剩余寿命预测的重要指标,目前检测风电滑动轴承磨损量的方法有超声反射系数法和声发射法;2015年,英国谢菲尔德大学Henry研究了采用超声波反射信号实时测量表面磨损量的方法,发现通过超声波在磨损表面反射信号的变化可以有效实现微米级表面磨损量的精确测量[31]。2020年,德国柏林工业大学Noushin等人研究采用声发射方法测量齿轮箱滑动轴承的摩擦磨损状态,研究发现,随着磨损量的增加,声发射信号将发生明显的变化,利用声发射方法可以精确地提取滑动轴承的磨损量[32]。

5)振动。振动是旋转机械运行状态评估与故障诊断最常用的方法,通过系统的振动信号,结合时域、频域、时频域处理算法,可以有效识别系统的常见故障,如不平衡、轴弯曲、不对中、松动、齿轮故障、轴承故障、油膜涡动、转子裂纹等。2013年,英国哈德斯菲尔德大学PARNO博士详细研究了通过振动信号检测滑动轴承润滑油是否包含杂质以及是否存在表面擦伤等早期故障的可行性[33]。

在风电滑动轴承性能检测技术方法中,温度、振动、膜厚、磨损量以及油液磨粒都是行之有效的运行状态监测方法,其中,温度与振动相对最为常用,膜厚、磨损量以及油液磨粒则对风电滑动轴承的早期故障检测具有更好的敏感度。

3 展望

在大型风电机组中,滑动轴承代替滚动轴承是未来的发展趋势,但其实际应用还存在诸多挑战,未来可以从以下方面对风电滑动轴承进行深入研究:

1)在风电滑动轴承润滑分析与结构优化设计方面。需要考虑风电滑动轴承结构弹性变形以及界面热特性的影响,构建支承结构-弹性变形-界面热传导全场流-固-热耦合润滑分析模型,以精确描述风电滑动轴承在恶劣工况下的润滑状态;同时需要考虑累积磨损和系统多体动力学对风电滑动轴承性能的影响。

2)在风电滑动轴承性能检测方面。目前通常采用一种监测方法,无法深入观测风电滑动轴承运行状态的演变过程。未来的研究有必要结合多种有效的监测方法,覆盖风电滑动轴承全寿命周期,以期建立风电滑动轴承性能演变过程的数据库,探究风电滑动轴承性能衰变机理并反哺风电滑动轴承的设计。同时,需要协同研究完善风电滑动轴承润滑方式与润滑系统设计,例如采用滴油润滑、轴瓦自润滑等方式改善风电滑动轴承在恶劣工况下的润滑性能。

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

中图分类号：TH133.31;TM315

文献标志码：B

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2023.06.002

收稿日期：2022-08-24;修回日期：2023-01-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(52275189);湖南省高新技术产业科技创新引领计划资助项目(2020GK2069);湖南省青年科技人才资助项目(2022RC1137)

作者简介：陈奇(1998—),男,博士,研究方向为风电滑动轴承,E-mail:[e-mail];张凯(1987—),男,博士,副教授,研究方向为高端轴承、超声检测、无线传感网络,E-mail:[e-mail]。

(编辑：钞仲凯)