申屠東華，何先照，盧江躍，李晨曦，裘 園

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司技術(shù)中心，浙江 杭州310012）

0 概述

由于國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，機(jī)組趨向大型化、智能化、高塔化，技術(shù)的更新迭代速度加快，在運(yùn)行、制造裝配、運(yùn)輸、維護(hù)等方面各制造廠家盡力做到運(yùn)行可靠、裝配維護(hù)簡(jiǎn)單可操作，在成本上有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)機(jī)組的總體布局，尤其是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的選擇極為重視。為此，本文就大型機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)各支撐方式特性進(jìn)行深入分析，為研發(fā)及設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式主要分為三大類：

（1）傳統(tǒng)的“丹麥”型布置形式，即三級(jí)增速齒輪箱通過主軸組件系統(tǒng)和風(fēng)輪連接，與異步發(fā)電機(jī)之間通過彈性聯(lián)軸器相連。該傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式技術(shù)比較成熟，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中占據(jù)了主導(dǎo)地位。隨著機(jī)組大型化的發(fā)展，增速齒輪箱故障率的日益增加及更換維護(hù)費(fèi)用昂貴，該傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式的弱點(diǎn)也逐步暴露。

（2）無增速齒輪箱的直驅(qū)式傳動(dòng)系統(tǒng)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組免去了增速齒輪箱，由風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)多極同步發(fā)電機(jī)。該傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式雖然省略了增速齒輪箱，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，但是低速多極同步發(fā)電機(jī)存在重量重和體積大、吊裝困難、熱損耗大等缺點(diǎn)。

（3）半直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)布置，其基本技術(shù)特征是：使用了一級(jí)或二級(jí)行星增速齒輪箱和永磁同步發(fā)電機(jī)。半直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)布置避免了增速齒輪箱高速級(jí)經(jīng)常出現(xiàn)軸承點(diǎn)蝕、跑圈、過溫等故障的問題，也規(guī)避了直驅(qū)發(fā)電機(jī)組體積和質(zhì)量大的問題。雖然該結(jié)構(gòu)形式占比較少，但從中長(zhǎng)期來看，半直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)將在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中占有越來越大的比例。

目前風(fēng)電機(jī)組中由于“丹麥”型傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式占據(jù)大部分，所以對(duì)此類布置形式進(jìn)行分析研究尤為重要。該傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式可分為以下三大類型：三點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)、兩點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)和單點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)。

2 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)支撐方式分類及技術(shù)特性

2.1 三點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)

圖1～2所示為三點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)，在風(fēng)電機(jī)組中是比較常見的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)包括風(fēng)輪、主軸、齒箱等全部重量由三點(diǎn)來支撐，一點(diǎn)是主軸承，另外兩點(diǎn)是齒箱兩邊的彈性支撐。三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配、成本相對(duì)較低。但此結(jié)構(gòu)也有其缺點(diǎn)，齒箱除要承受扭矩載荷外，還要承受徑向載荷，齒箱低速級(jí)殼體結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)比較大；齒箱出現(xiàn)故障需下塔處理時(shí)，要將風(fēng)輪及整個(gè)傳動(dòng)鏈下塔，工程量大、維護(hù)成本高。

圖1 三點(diǎn)式支撐水平視圖

圖2 三點(diǎn)式支撐俯視圖

2.2 兩點(diǎn)式支撐方式結(jié)構(gòu)

圖3 所示為兩點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)包括風(fēng)輪、主軸、齒箱等全部重量由兩點(diǎn)來支撐，也即前后兩個(gè)軸承來支撐整個(gè)主軸組件。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是軸向載荷由一個(gè)軸承承受（通?？拷X箱側(cè)），這個(gè)軸承也承受一部分徑向載荷，另一個(gè)軸承（靠近風(fēng)輪側(cè)）主要承受徑向載荷；齒箱不承受徑向載荷，只承受扭矩，結(jié)構(gòu)尺寸可以減小，成本上可以降低；還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)是齒箱故障維修時(shí)，風(fēng)輪不需要下塔，只要機(jī)艙上罩打開及單個(gè)齒箱下塔即可，大大降低了維修成本，節(jié)省了維修時(shí)間。當(dāng)然該結(jié)構(gòu)也有其缺點(diǎn)，采用兩個(gè)軸承，軸向尺寸較長(zhǎng)，整個(gè)機(jī)艙也相應(yīng)較長(zhǎng)，軸承成本及其它成本較高；軸承裝配工藝要求高。

圖3 兩點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)

2.3 單點(diǎn)式支撐方式結(jié)構(gòu)

隨著機(jī)組功率的增大，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，重量越來越重，為了盡量減少大尺寸引起重量成本的急劇增加，采用單個(gè)大直徑軸承來支撐傳動(dòng)系統(tǒng)（見圖4），因?yàn)檩S類橫截面抗彎截面模量是直徑的三次方關(guān)系，而重量是直徑的二次方、長(zhǎng)度的一次方關(guān)系，所以采用縮短長(zhǎng)度增加直徑的方式，可以在重量不增加或增加不多的情況下大幅增大抗彎截面模量，從而提高承載能力和相對(duì)減輕傳動(dòng)組件重量。目前該軸承外徑尺寸有的已達(dá)到3.6 m。由于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)都由此一個(gè)軸承來承受各種載荷，有的結(jié)構(gòu)已經(jīng)取消了主軸，有的結(jié)構(gòu)采用短軸，使得傳動(dòng)系統(tǒng)軸向尺寸縮短，這樣整個(gè)機(jī)艙長(zhǎng)度也相應(yīng)縮短。目前單個(gè)軸承主要有兩種方式：大型雙列圓錐滾子軸承、三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承（見圖5、圖6）。

圖4 單個(gè)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 雙列圓錐滾子軸承

圖6 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承

3 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

3.1 風(fēng)電裝機(jī)中有無齒箱占比

機(jī)組按驅(qū)動(dòng)方式分為直驅(qū)、半直驅(qū)、雙饋，直驅(qū)型發(fā)電機(jī)組采用無齒箱結(jié)構(gòu)，半直驅(qū)和雙饋機(jī)組采用齒箱結(jié)構(gòu)，所以有無齒箱，對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)來說變化比較大，參考國(guó)外有關(guān)資料（見圖7），可大致了解到從4 MW以下的機(jī)組，隨著機(jī)組功率的增大無齒箱機(jī)組（直驅(qū)）所占比例在增加，值得注意的是4 MW以上機(jī)組有齒箱的機(jī)組占比又明顯增多，4 MW機(jī)組看來是個(gè)技術(shù)拐點(diǎn)。綜合來看70%的機(jī)組采用有齒箱的方式，30%的機(jī)組采用無齒箱的方式。

圖7 有無齒箱在裝機(jī)中所占比例

3.2 風(fēng)電裝機(jī)中傳動(dòng)系統(tǒng)支撐方式占比

而從傳動(dòng)系統(tǒng)主軸的支撐方式來看，6 MW以下機(jī)組隨著功率的增大三點(diǎn)式支撐所占比例直線下降，而4 MW以下機(jī)組采用兩點(diǎn)式支撐沒有明顯的改變，4～6 MW機(jī)組采用單點(diǎn)式支撐（單個(gè)軸承）的比例占67%左右，比例相當(dāng)明顯。而到6～10 MW機(jī)組兩點(diǎn)式支撐占總機(jī)組的75%比例。見圖8。

圖8 各支撐方式裝機(jī)中所占比例

4 兩點(diǎn)式、單點(diǎn)式支撐軸承技術(shù)特性分析

由于傳動(dòng)系統(tǒng)三點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)一般不適用于大型機(jī)組，本文僅作概要（見3.1內(nèi)容），以下重點(diǎn)對(duì)兩點(diǎn)式及單點(diǎn)式結(jié)構(gòu)深入分析：

4.1 兩點(diǎn)式支撐軸承型式

目前兩點(diǎn)式支撐有三種軸承組合型式：兩個(gè)雙列調(diào)心滾子軸承、一個(gè)雙列圓錐滾子軸承+一個(gè)圓柱滾子軸承、兩個(gè)單列圓錐滾子軸承。

4.1.1 兩個(gè)雙列調(diào)心滾子軸承結(jié)構(gòu)組合特點(diǎn)

雙列調(diào)心滾子軸承為雙列不可分離軸承，內(nèi)圈有兩個(gè)滾道，外圈有個(gè)球面滾道，滾子外形為鼓形，雙列滾子可以在外圈球面滾道內(nèi)自由調(diào)位，可以補(bǔ)償主軸彎曲變形和安裝時(shí)的角度偏差，軸承可以承受較大的徑向載荷和一定的軸向載荷。兩個(gè)雙列調(diào)心滾子軸承支撐組合形式，如圖9所示。

圖9 兩個(gè)雙列調(diào)心滾子軸承支撐組合

結(jié)構(gòu)組合優(yōu)點(diǎn)：如3.2所述，軸向載荷由一個(gè)軸承承受（通?？拷X箱側(cè)），這個(gè)軸承也承受一部分徑向載荷，另一個(gè)軸承（靠近風(fēng)輪側(cè)）主要承受徑向載荷；齒箱不承受徑向載荷，只承受扭矩；可以補(bǔ)償安裝時(shí)角度偏差；軸承及軸承座安裝比較容易；軸承采購(gòu)成本較低。

結(jié)構(gòu)組合缺點(diǎn)：由于軸承內(nèi)部存在正游隙，整個(gè)主軸組件剛性不好，軸向受載時(shí)將兩列滾子推向一邊，造成一列滾子受載，一列滾子部分脫空不受載；因軸承角度可調(diào)整，使得主軸受載擾度比較大。

4.1.2 一個(gè)雙列圓錐滾子軸承+一個(gè)雙列圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)組合特點(diǎn)

雙列圓錐滾子軸承內(nèi)圈有兩個(gè)圓錐形滾道，兩個(gè)外圈可分離，各有圓錐形滾道，中間有一個(gè)調(diào)整隔圈，軸承安裝時(shí)需預(yù)緊。雙列圓柱滾子軸承是屬于內(nèi)外圈可以分離的軸承，只能承受徑向載荷，外圈有兩個(gè)圓柱形滾道，內(nèi)圈外壁為圓柱形滾道。

雙列圓錐滾子軸承和雙列圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)組合形式，如圖10所示。

圖10 雙列圓錐滾子軸承+雙列圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)組合

結(jié)構(gòu)組合優(yōu)點(diǎn)：雙列圓錐滾子軸承是固定端，因軸承安裝時(shí)有軸向預(yù)緊，內(nèi)部為負(fù)游隙，所以軸向定位穩(wěn)定可靠，不會(huì)像調(diào)心滾子軸承受軸向載荷時(shí)出現(xiàn)大的軸向位移；圓柱滾子軸承是浮動(dòng)端，可以補(bǔ)償溫度變化產(chǎn)生的線性膨脹。

結(jié)構(gòu)組合缺點(diǎn)：軸承座需整體，因而整個(gè)主軸組件重量較重，軸承采購(gòu)成本較高，圓錐軸承裝配時(shí)需要預(yù)緊，相對(duì)復(fù)雜困難。

4.1.3 兩個(gè)單列圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)組合特點(diǎn)

單列圓錐滾子軸承內(nèi)外圈可以分離，內(nèi)外圈均有錐形滾道，可以承受徑向載荷和單一方向的軸向載荷，當(dāng)承受徑向載荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向分力，所以需要成對(duì)使用讓另一個(gè)圓錐滾子軸承來承受軸向分力。

兩個(gè)單列圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)組合形式：分為背對(duì)背布置和面對(duì)面布置方式兩種，如圖11、圖12。

圖11 背對(duì)背布置方式

圖12 面對(duì)面布置方式

兩個(gè)單列圓錐滾子軸承背對(duì)背布置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：通過旋轉(zhuǎn)主軸螺母來預(yù)緊兩軸承內(nèi)預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)良好的整體剛性。由于主軸及軸承運(yùn)行受熱，主軸與軸承座有溫差，會(huì)產(chǎn)生熱膨脹。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組軸向尺寸不能太長(zhǎng)，兩軸承間距以及軸承接觸角等因素，風(fēng)電基本形式為上述背對(duì)背形式，這種結(jié)構(gòu)形式溫差會(huì)造成軸承間隙減小，為避免熱膨脹卡死，軸承在安裝時(shí)需預(yù)留熱膨脹量。

軸向熱膨脹影響量

式中X1—軸向熱膨脹影響量；a—熱膨脹系數(shù)；ΔT—內(nèi)外圈溫差；K1、K2—K 系數(shù)；D01、D02—兩軸承外圈平均內(nèi)徑；L—兩軸承外圈間距。

兩個(gè)單列圓錐滾子軸承面對(duì)面布置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：通過軸承外圈軸承蓋或擋圈壓緊深度來調(diào)整兩軸承內(nèi)的預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)良好的整體剛性。此結(jié)構(gòu)同樣會(huì)發(fā)生熱膨脹，而且比背對(duì)背結(jié)構(gòu)熱膨脹敏感，安裝時(shí)需要預(yù)留的間隙要比背對(duì)背結(jié)構(gòu)大許多。

軸向熱膨脹影響量

式中X2—軸向熱膨脹影響量；a—熱膨脹系數(shù)；ΔT—內(nèi)外圈溫差；K1、K2—K 系數(shù)；D01、D02—兩軸承外圈平均內(nèi)徑；L—兩軸承外圈間距。

這兩種組合結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：安裝調(diào)整費(fèi)時(shí)困難，要準(zhǔn)確預(yù)留軸承間隙，過大或過小間隙都會(huì)影響運(yùn)行，風(fēng)險(xiǎn)較大；而且目前單價(jià)比雙列調(diào)心滾子軸承高。

4.2 單點(diǎn)式支撐軸承結(jié)構(gòu)型式

目前單點(diǎn)式支撐軸承有兩種型式：?jiǎn)吸c(diǎn)式雙列圓錐滾子軸承和三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承。

4.2.1 單點(diǎn)式雙列圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

此類大型雙列圓錐滾子軸承具有承受很大的徑向和軸承載荷，由于直徑較大，兩列滾子接觸外圈滾道形成的對(duì)中心軸線作用點(diǎn)距離L較大，相當(dāng)于兩個(gè)單獨(dú)軸承的間距；另外，軸承安裝時(shí)需要預(yù)緊，承載時(shí)需要兩列滾子同時(shí)承載，所以支撐剛性較好，如圖13。

圖13 軸承截面圖及作用距離

但此類軸承有幾個(gè)方面的不足，對(duì)預(yù)緊的要求較高，能否有個(gè)合理的預(yù)緊力非常關(guān)鍵，預(yù)緊力太大會(huì)造成軸承發(fā)熱和過渡磨損，預(yù)緊力過小在某些傾覆載荷大的工況會(huì)造成局部滾子脫空，導(dǎo)致軸承支撐剛度不足，承載能力下降。

4.2.2 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承

如圖14，此軸承軸向及傾覆載荷由兩排軸向布置的滾子承受，徑向載荷由徑向圓周布置的滾子承受，可以承受很大的徑向及軸向、傾覆載荷。該軸承的不足之處是兩列推力滾子兩端面不能達(dá)到同樣的線速度，軸承運(yùn)行過程中存在滑動(dòng)摩擦，因而造成軸承的發(fā)熱與磨損，在潤(rùn)滑條件不好的情況下，容易引起軸承失效。

圖14 軸承截面圖

從上述對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)支撐方式深入分析，各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，匯總?cè)绫?。

表1 傳動(dòng)系統(tǒng)支撐方式深入分析，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)表

5 結(jié)束語

根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)三種支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及大型機(jī)組綜合成本，3 MW以上大型機(jī)組采用兩點(diǎn)式、緊湊單點(diǎn)式支撐方式比較合理。關(guān)于其軸承的組合形式，需要考慮軸承供貨是否便利，機(jī)組的大型化趨勢(shì)技術(shù)的延續(xù)性，以及制造裝配的易難程度，可以考慮三種支撐方式：兩個(gè)調(diào)心滾子軸承、雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承、單個(gè)大型雙列圓錐回轉(zhuǎn)支撐及大型三排柱式回轉(zhuǎn)支撐。