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NSK風力渦輪機軸承的當前趨勢和開發項目

2023-03-01 11:52:45

對使用壽命和可靠性的更高期望伴隨著成本的壓力,這是風能行業軸承目前出現的情況,通過示例,本文解釋了世界領先的供應商NSK如何在這種情況下開發新一代軸承。

乍一看,風能行業的商業消息似乎自相矛盾,去年,世界各地安裝了總發電量為40 GW的渦輪機,預計未來該行業將保持增長,然而事實上,隨著海上技術的出現,一個全新的市場正在誕生,與此同時,領先的風力渦輪機制造商和專門從事風力發電的供應商正在面臨成本削減壓力,同時,專家們還希望看到供應商之間的進一步整合。

一、影響該行業的巨大成本壓力

對這種明顯矛盾的解釋是,盡管該行業正在增長(預計會有更強勁的增長),這意味著風力發電現在有大量的過剩產能,其結果是對價格造成了相當大的壓力,這也影響到了供應商。作為世界領先的風力渦輪機軸承制造商之一,NSK的研發團隊必須繼續努力,以滿足行業對軸承在高動態應力的惡劣運行條件下使用壽命的極高期望,然而,與此同時,研發團隊必須在早期階段考慮與任何新開發或改進相關的成本,并進行明確的成本效益分析。

二、創新的最大潛力在哪里?

當然,風力發電公司也歡迎在不損害軸承可靠性的情況下降低成本的創新,這一點尤為重要,因為專家們一致認為,未來渦輪機制造商之間的全球競爭將變得更加激烈。

考慮到所有這些,供應商必須密切關注哪些領域具有開發新一代軸承的最大市場潛力,NSK已將輸出功率為2至4 MW的多兆瓦渦輪機確定為此類區域之一,該公司在這一領域的地位已經很好,最近幾個月,領先的制造商推出了配備NSK軸承的新渦輪機。

三、額定載荷較高的圓柱滾子軸承

NSK已經為3 MW級渦輪機的行星輪優化了圓柱滾子軸承,同時在該領域開展了兩個開發項目,第一個項目旨在改進內部設計,在不改變軸承直徑或滾子數量的情況下,團隊優化了微觀幾何結構的設計和生產工程,同時保持了宏觀幾何結構不變,從而使動態額定載荷提高了15%,這導致計算使用壽命延長70%,除了適用于行星輪之外,這些軸承也是風力渦輪機齒輪箱側其他應用的理想選擇。

第二個項目致力于從根本上重新設計軸承的內部設計,滾子的數量增加了,這意味著保持架的橫截面減小了,然而,它仍然承受相同的載荷,項目團隊通過優化保持架的幾何結構而不降低其剛性來實現這一點,進行了有限元分析和大量試驗臺試驗,以支持優化工作,除了更高的動態額定載荷外,這些軸承還具有更高的靜態額定載荷。

客戶很快就能在上述兩個選項中進行選擇,然而,應注意的是,NSK始終修改其軸承,以適應特定的應用場景或渦輪機類型。

四、圓錐滾子軸承的新型保持架設計

NSK的圓錐滾子軸承通常用于風力渦輪機齒輪箱輸入級的行星齒輪架和轉子軸,它們也可以在所謂的集成轉子軸承中找到,該軸承將齒輪裝置和輪轂推到一起。

過去,NSK為這些軸承使用由壓制的厚金屬板制成的保持架,然而,不斷增長的軸承直徑迫使該公司尋找替代解決方案,因此開發了直徑為1000mm或更大的焊接保持架,保持架符合最高技術規范,但生產非常復雜,需要先進的焊接技術,出于這個原因,NSK目前正在測試一種塑料節段保持架,這種保持架生產成本較低,也可以制造出高水平的重復性。

五、改進的滾道表面設計

軸承的滾道承受很大的應力,尤其是在快速移動的軸上,例如,如果打開渦輪機以全速空轉,可能會發生滑動,從而損壞軸承表面,這種滑移損壞是業內已知的問題,但盡管進行了深入研究,其原因尚未查明,盡管NSK生產了大量軸承,但該公司的部件遭受此問題的情況相對罕見,NSK將此歸因于其特殊的表面處理和保持架位置,盡管如此,該公司的研發部門仍在繼續致力于進一步優化表面設計。

六、帶有陶瓷球的發電機軸承

發電機軸承必須滿足一系列具有挑戰性的應用相關要求,并且不導電,其目的是防止電力通過動力傳動系,并將相關損害降至最低,例如當電流峰值或循環電流(電腐蝕)發生時,NSK提供帶有陶瓷涂層外圈的電絕緣軸承,以滿足這些要求。

之前使用的軸承具有永久陶瓷涂層,該涂層通過等離子噴涂應用于鋼表面,作為替代方案,該公司還提供外徑達340 mm的軸承,作為帶有陶瓷球的混合軸承,它們具有卓越的性能特點,如耐熱性、更長的使用壽命、輕質設計和有限的熱膨脹,經過優化的設計使這些軸承使用壽命長,非常可靠,NSK的滾珠生產工藝得益于該公司為機床制造高性能混合軸承的經驗。

七、材料工程的進展

耐久性試驗表明,軸承用碳鉻合金鋼的滾動疲勞壽命受到非金屬夾雜物的顯著影響,為此,NSK與一家鋼鐵生產商Z鋼合作開發了一種新材料,該材料含有的非金屬夾雜物(如硫和氧化物)要少得多,運行條件下的試驗表明,由Z鋼制成的軸承的使用壽命比由常規真空脫氣鋼制成的壽命長1.8倍。

八、使用壽命延長十倍

許多風力渦輪機軸承,如圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調心滾子軸承、深溝球軸承和角接觸球軸承都使用NSK(Super TF)開發的超韌鋼材料,由于采用了不同的鋼合金和熱處理,以優化材料的馬氏體和殘余奧氏體含量,Super-TF軸承的使用壽命比傳統軸承鋼制成的部件長十倍。

九、損傷原因研究

當行業試圖澄清特定類型的損害發生的原因時,深入的材料開發工作也會得到回報,這種損壞通常只影響NSK軸承,白色結構剝落是一個此類問題,其原因尚未完全確定,損傷分布本身是眾所周知的,因為大約20年前在汽車行業的發電機軸承中觀察到了類似的損傷,在風力發電的背景下,電流通過也可能是原因,但迄今為止,研究人員無法證明這一點。一場關于這一主題的專家會議產生了大量的見解,但并沒有對原因做出清晰的描述,NSK正致力于再現損傷機理,以便更好地了解高性能軸承的工作過程。

十、故障模擬試驗臺

NSK有許多最先進的試驗臺用于此類研究,能夠模擬作用在風力渦輪機軸承上的動態載荷,測試臺用于計算新一代軸承的參數,模擬故障并生成損傷曲線,目前,開發人員正在模擬啟動和制動條件下測試2 MW渦輪機齒輪箱快速側的圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承。這些測試的目的是開發更詳細的設計和改進的材料,開發工作也在進行,以降低成本,鑒于風能行業的高成本壓力,每當NSK以更低的價格成功提供相同的軸承時,客戶都會非常滿意。