孫方圓

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院;上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

風(fēng)電是可再生、無(wú)污染的能源，大力發(fā)展清潔能源是我國(guó)目前的戰(zhàn)略選擇。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型有繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī)型、直驅(qū)和半直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)型等。繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前在風(fēng)電市場(chǎng)的占有主導(dǎo)地位。從容量上來(lái)看，分為 1.25、1.5、1.7、2、2.3、2.5、3 MW 以及3.6 MW等。從輔助功能來(lái)看，有防鹽霧型、低溫型、高原型等;從冷卻方式來(lái)看，有空空冷卻、空水冷卻、水套冷卻等。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承溫升過(guò)高，是市場(chǎng)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)通病。筆者著重探討影響繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承溫升的因素。

1 軸承結(jié)構(gòu)

軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。軸承溫升過(guò)高，會(huì)嚴(yán)重影響軸承的壽命，甚至燒壞軸承。風(fēng)力發(fā)電機(jī)位于高空運(yùn)行，機(jī)艙內(nèi)空間狹小，更換軸承是一件十分困難的事情。因此，如何延長(zhǎng)或保證軸承的使用壽命，是制造廠和運(yùn)營(yíng)商最為關(guān)心的事情。目前，市場(chǎng)上多數(shù)發(fā)電機(jī)制造廠使用的軸承型號(hào)為6330/C3。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸承安裝結(jié)構(gòu)因生產(chǎn)廠家不同而不同。多數(shù)廠家采用圖1所示結(jié)構(gòu)。下面就圖1的軸承安裝結(jié)構(gòu)，對(duì)影響軸承溫升的幾個(gè)因素進(jìn)行分析。

圖1 軸承安裝圖

2 影響軸承溫升的因素

(1)轉(zhuǎn)子溫升對(duì)軸承的影響

如圖1所示，軸承與軸采用的是公差配合。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了定轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗及附加損耗等等各種損耗，使發(fā)電機(jī)部件溫度升高。其中，銅耗和鐵耗是影響轉(zhuǎn)子溫升的主要因素。

軸的材料為鋼，導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，轉(zhuǎn)子溫升也隨著軸的導(dǎo)熱擴(kuò)散出去。當(dāng)熱量擴(kuò)散到軸的軸承檔的時(shí)候，一部分熱量進(jìn)入了軸承，促使軸承溫升有所上升，給軸承的溫升帶來(lái)了一定的影響。

這部分影響無(wú)法消除，只能減弱。唯一減弱方法，就是減小轉(zhuǎn)子的溫升，以此來(lái)減小進(jìn)入軸承的熱量。提取2臺(tái)電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻系統(tǒng)、試驗(yàn)條件等近似相同的條件下，得出試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)損耗與軸承溫度

通過(guò)對(duì)比2臺(tái)電機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)子溫升高時(shí)，軸承的溫度高;轉(zhuǎn)子溫升低，軸承的溫度低。

(2)軸承基本結(jié)構(gòu)對(duì)軸承溫升的影響

6330/C3的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中結(jié)構(gòu)和尺寸來(lái)源于某軸承品牌樣本。

圖2 軸承基本結(jié)構(gòu)圖

6330/C3軸承是球面滾子推力軸承，其自動(dòng)調(diào)心能力較強(qiáng)。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(dòng)體之間的間隙量，即滾動(dòng)體在徑向或軸向可移動(dòng)的距離。游隙大小對(duì)軸承包括壽命、振動(dòng)、噪聲和溫升等有一定的影響。發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，軸承將同時(shí)受到軸向負(fù)荷和徑向負(fù)荷。游隙過(guò)小可能引起內(nèi)部負(fù)荷過(guò)大，產(chǎn)生熱量，增加軸承溫度;游隙較大時(shí)，可降低摩擦力矩，減小內(nèi)外圈的溫差，增加熱量的傳遞，減小軸承的溫度。

對(duì)于這部分影響的改善方法，可以嘗試采用C4的軸承。C4的游隙大于C3游隙，可以減緩因游隙過(guò)小而產(chǎn)生的熱量。

(3)軸承套對(duì)軸承溫升的影響

軸承套對(duì)軸承溫升的影響，主要是指軸承套內(nèi)徑公差對(duì)軸承溫升的影響。滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制，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(jī)運(yùn)行時(shí)，軸承產(chǎn)生摩擦熱量。根據(jù)熱脹冷縮原理，這些熱量產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致軸承的膨脹。當(dāng)軸承套采用緊配合時(shí)，軸承膨脹的空間有限，不能夠完全的膨脹，導(dǎo)致熱量留在軸承里面不能散去，引起溫升上升。因此，應(yīng)增加留給軸承膨脹的空間。但是，軸承內(nèi)圈是個(gè)旋轉(zhuǎn)體，軸承套的一個(gè)作用就是固定軸承外圈的垂直方向，防止軸承垂直方向的跳動(dòng)。因此，軸承套與軸承的配合越緊密越好。這與前面提到的預(yù)留軸承熱膨脹的空間越大越好恰恰相矛盾。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)軸承套公差的選取是個(gè)矛盾的過(guò)程。

這部分影響的改善方法，是適當(dāng)放大軸承套內(nèi)徑的公差，放大軸承膨脹的空間。但是放大要適度，不易過(guò)大。

(4)軸承室結(jié)構(gòu)對(duì)軸承溫升的影響

如圖1所示。軸承外面有一個(gè)軸承套，前后各有一個(gè)軸承內(nèi)蓋和軸承外蓋。軸承內(nèi)蓋、軸承外蓋與軸承套是止口配合的。這三個(gè)部件與軸圍成了一個(gè)空間，里面便是軸承。這部分的影響主要是分析軸向的軸承內(nèi)蓋和軸承外蓋之間留給軸承的間隙對(duì)軸承溫升的影響。軸承內(nèi)蓋止口到軸承外蓋止口之間的距離與軸承寬度之間的大小因發(fā)電機(jī)制造廠家不同而不同。這個(gè)空間對(duì)軸承的影響與第(3)點(diǎn)因素的影響大體相同。軸承有熱量時(shí)，不但在垂直方向要膨脹，同樣在軸向也要膨脹。這個(gè)幾毫米的空間就是用來(lái)給軸承熱脹冷縮的空間。如果留有的空間有限，就會(huì)導(dǎo)致熱量不能隨膨脹消散，留在軸承上引起溫升的上升。因此留的空間越大越好。同樣，軸承內(nèi)蓋、軸承外蓋的作用是固定軸承軸向位置，用來(lái)防止軸向串動(dòng)的。因此，他們與軸承的配合越緊密作用越明顯。與前面所說(shuō)的預(yù)留熱膨脹空間同樣也是相矛盾的。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)預(yù)留空間的選取同樣也是個(gè)矛盾的過(guò)程。

這部分影響的改善方法，是適當(dāng)?shù)姆糯筝S承內(nèi)蓋止口和軸承外蓋止口之間的距離，即增大留給軸承熱膨脹的空間。但是，放大要適度，不易過(guò)大。

(5)軸承散熱結(jié)構(gòu)對(duì)軸承溫升的影響

為了減少軸承的溫升，很多發(fā)電機(jī)制造廠家都為軸承設(shè)計(jì)了散熱結(jié)構(gòu)。如圖所示:

圖3 軸承散熱片圖

根據(jù)牛頓散熱定律，

q——熱流密度;

α——散熱系數(shù);

Δτ——溫差。

空氣作為冷卻介質(zhì)時(shí)，可近似認(rèn)為散熱系數(shù)公式為:

α0——發(fā)熱表面在平靜空氣中的散熱系數(shù);

ν——空氣吹拂表面的速度;

k——?dú)饬鞔捣餍实南禂?shù)。

可以看出在相同條件下，流速增加時(shí)，散熱系數(shù)增加，溫升小。

根據(jù)熱流密度定義，

Q——單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)等溫面的總熱量，即熱流量;

A——等溫面的面積。

可以看出在相同條件下，等溫面增加時(shí)，熱流密度減小，溫升小。

以圖1和圖3為例。

圖1結(jié)構(gòu)的散熱原理源于牛頓散熱定律。根據(jù)式(5-1)和式(5-2)，通過(guò)空氣流動(dòng)，增加軸承表面的散熱系數(shù)，帶走軸承內(nèi)蓋散發(fā)的熱量，降低軸承與周圍空氣的溫差。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于，發(fā)電機(jī)軸承外蓋散發(fā)的熱量通過(guò)自然散熱方法來(lái)解決，散熱效率低;內(nèi)部流經(jīng)軸承的空氣大多為從轉(zhuǎn)子帶走熱量的空氣，溫度較高，能帶走軸承表面的熱量有限。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能將冷空氣流經(jīng)散熱表面帶走熱量，提高空氣流動(dòng)速度。

與圖1的結(jié)構(gòu)相比，圖3的結(jié)構(gòu)是在端蓋上增加了散熱筋，加大了端蓋的散熱面積。根據(jù)式(5-3)得出，增加散熱筋的端蓋的散熱效果將明顯提高，提高了軸承外蓋的散熱效率。理想的散熱片是應(yīng)直接安放在散熱體上，但是軸承結(jié)構(gòu)的原因，可以安放散熱片且距離軸承最近的部件就是端蓋。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于，增加了端蓋的重量以及加工難度;同時(shí)，軸承的熱量擴(kuò)散到端蓋是有一定的距離的，達(dá)到散熱效果需要一定的延時(shí)，且散熱效率低。

(6)軸承油脂對(duì)軸承溫升的影響

軸承油脂對(duì)軸承溫升影響取決于許多因素——油脂的類型、油脂用量、軸承結(jié)構(gòu)等等。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行油脂的類型選擇時(shí)，使用環(huán)境是考慮的一個(gè)重要因素。相對(duì)其他類型電機(jī)來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)常安裝于沙漠、高山、海邊等風(fēng)量較大的地帶，使用環(huán)境比較惡劣。環(huán)境溫度最低達(dá)到-40℃以下，最高可達(dá)到+55℃以上。目前市場(chǎng)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的油脂有克魯勃、殼牌等幾個(gè)品牌的不同型號(hào)。選擇油脂類型時(shí)需謹(jǐn)慎選擇。

油脂類型選定后，油脂的用量對(duì)軸承溫升的影響是十分明顯的。油脂的用量過(guò)大，會(huì)增大潤(rùn)滑劑的阻力，引起軸承的溫升上升。就滾動(dòng)軸承而言，潤(rùn)滑脂填充量一般不超過(guò)內(nèi)部空間的2/3左右。當(dāng)然，油脂也不易過(guò)少。油脂用量過(guò)少，會(huì)引起滾動(dòng)體摩擦損耗增大，引起發(fā)熱，嚴(yán)重者損壞軸承。

此外，潤(rùn)滑脂不能使用過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，應(yīng)按時(shí)更換。風(fēng)力發(fā)電機(jī)位于高空運(yùn)行，更換油脂不方便。因此，多數(shù)制造廠家采用安裝自動(dòng)注油泵的方法，自動(dòng)注油。

3 結(jié)語(yǔ)

軸承溫升是發(fā)電機(jī)考核的一個(gè)指標(biāo)，對(duì)于雙饋式繞線發(fā)電機(jī)市場(chǎng)上普遍以90℃設(shè)為報(bào)警溫度，95℃設(shè)為關(guān)斷溫度?？梢?jiàn)，軸承的溫升是需要嚴(yán)格控制的。以上提到的幾點(diǎn)因素是筆者自身總結(jié)出來(lái)的，希望可以找到更好的解決軸承溫升的方法，更有效的提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的質(zhì)量。