大功率風電機組設(shè)計的趨勢探討
　　   
　　目前常見的風電機組設(shè)計大致可以劃分為四類：傳統(tǒng)型高速電機、直驅(qū)型低速電機、半直驅(qū)型中速電機和多發(fā)電機型(見圖1)。不論是哪種風電機組設(shè)計類型，更高的可靠性、更低的原材料消耗和更輕的前頭質(zhì)量等因素一直是優(yōu)化風電機組設(shè)計的重點。衡量先進機組設(shè)計的指標之一的“發(fā)電量／前頭質(zhì)量(千瓦／千克)”更是大功率風電機組設(shè)計持續(xù)優(yōu)化的驅(qū)動因素，有助實現(xiàn)以更輕的風電機組進行更高效的發(fā)電。

　　目前，關(guān)于大功率風電機組設(shè)計趨勢的觀點有很多，具中一種觀點認為：小到中等功率的風電機組可采用帶高速電機的傳統(tǒng)型設(shè)計，而中等到偏大型功率風電機組可采用直驅(qū)型設(shè)計，而更大型的風電機組適合使用半直驅(qū)的設(shè)計，這幾種風電機組設(shè)計所適合的功率范圍并沒有嚴格的界定。但無論是哪一種設(shè)計，軸承始終是傳動鏈中的重要零件，它的優(yōu)化會對傳動鏈起到提升的作用。
　　   
　　鐵姆肯公司大功率風電機組

　　由于主軸軸承時刻承受著外部變化的力、彎矩和沖擊載荷，這對軸承的設(shè)計、選型和安裝提出了很高的要求。在現(xiàn)有的各種設(shè)計中可以看小，功率較小的風電機組，例如小于1MW或是1.5MW，其主軸采用調(diào)心滾子軸承較多，而中等到大功率風電機組越來越多的采用圓錐滾子軸承作為主軸軸承。如果主軸軸承選用調(diào)心滾子軸承，不論是單個調(diào)心滾子主軸軸承的3點支承設(shè)計還是兩個調(diào)心滾子主軸軸承的4點支承設(shè)計，由于調(diào)心滾子軸承的設(shè)計原理所致，在承受較大軸向力時可能會出現(xiàn)單列受載的情況，并且由于徑向和軸向游隙的存在(如圖2所示)，當風電機組在剎車或是出現(xiàn)其他軸向載荷交替變換方向的工況時，主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會有竄動，對行星架支承軸承會造成沖擊，而且由于內(nèi)齒圈和齒輪箱箱體是連成一體的，所以行星輪和行星架一起軸向竄動，會造成行星輪齒而磨損。
　　 
　　鐵姆肯公司推薦的主軸解決方案包括：單列圓錐滾子軸承跨裝、單個雙外圈超大圓錐滾子軸承、雙內(nèi)圈圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承組合(如圖3所示)。這3種解決方案都可以通過圓錐滾子軸承預(yù)緊來解決單列受力的問題，消除主軸軸向和徑向竄動的影響，優(yōu)化預(yù)緊的圓錐滾子軸承的承載區(qū)，減少滾道應(yīng)力，最終提高系統(tǒng)的剛性。其中，雙內(nèi)閣圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承組合方案結(jié)合了圓錐滾子軸承上佳的復(fù)合承載能力和圓柱滾子軸承出眾的徑向承載能力；單個雙外圈超大圓錐滾子軸承方案通過較大錐角的設(shè)計來優(yōu)化復(fù)合承載能力和有效支承跨距，提升抵抗傾覆力矩的能力，并且可以使整機的結(jié)構(gòu)設(shè)計更緊湊；而單列圓錐滾子軸承跨裝方案減小廠軸承的尺寸，降低了成本。這3種解決方案均已在大功率風電機組主軸上得以應(yīng)用。

　　齒輪箱解決方案
　　  
　　大功率風電機組的主齒輪箱優(yōu)化設(shè)計要求使用多行星分流，Timken集成式柔性銷行星輪組件(如圖4所示)是提高行星級可靠性的最佳方案之一。齒輪和軸承外圈集成于一體的設(shè)計，杜絕了外圈跑圈的可能性，同時提供了更多的內(nèi)部空間，設(shè)計更多、更大的滾子提高承載能力。通過預(yù)緊兩列圓錐滾子，不僅能優(yōu)化其承載區(qū)，降低應(yīng)力和滾子打滑的幾率，更能使載荷更均勻地分布在兩列。柔性銷設(shè)計允許行星輪組件產(chǎn)生柔性的偏移，保證齒面擁有高度的嚙合率，接觸均勻。而多個行星輪的設(shè)計，更能使各行星輪之間的載荷均勻分布，降低加工和裝配的精度要求，這一點對大型的齒輪箱尤其重要。因此，以Timken集成式柔性銷行星輪組件為基本模塊的柔性傳動系統(tǒng)能顯著提高傳動能力，降低尺寸和重量。如果對比Timken閉合行星架柔性行星輪系和傳統(tǒng)的行星輪系，在相同尺寸的情況下，Timken閉合行星架柔性行星輪系能多傳遞50％的扭矩。在相同的扭矩傳遞能力的情況下，Timken閉合行星架柔性行星輪系的尺寸降低 20％，重量減少40％。
　　
　　在傳統(tǒng)的平行級設(shè)計中，中間軸可能會采用調(diào)心滾子軸承和圓柱滾子軸承組合，圓柱滾子軸承及四點接觸球軸承組合在高速軸的應(yīng)用中較為常見。調(diào)心滾子軸承在軸向力偏大的時候會小現(xiàn)單列受載的情況，滾道和滾子會因此受損。在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現(xiàn)滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會出現(xiàn)滑傷和微剝落的損傷。鐵姆肯公司推薦使用圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承組合作為中間軸，推薦帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承和單列圓錐滾子定位軸承(如圖5所示)作為高速軸。帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承在整個壽命周期的運行中既能持續(xù)地防止滑傷，也可以防止由于潤滑劑里含雜質(zhì)而造成的滾道傷害以及潤滑不良的情況。單列圓錐滾子定位軸承可以承受徑向及雙向的軸向載荷，其純滾動的特性可將滑傷的可能性降至最低。
　　  
　　總之，風電機組的應(yīng)用工況的復(fù)雜多變性、維修更換的難度及高成本等對風電機組的系統(tǒng)可靠性提出了很高的要求。而隨著陸上風電的深化及海上風電的發(fā)展，大功率風電機組的開發(fā)和應(yīng)用成為業(yè)界的重點之一，對其可靠性的要求是有增無減，再加上對大功率風電機組的“發(fā)電量／前頭質(zhì)量”指標的優(yōu)化要求，傳動鏈的優(yōu)化設(shè)計無疑是至關(guān)重要。選用適合應(yīng)用要求的主軸解決方案，通過預(yù)負載的圓錐滾子主軸軸承來提高系統(tǒng)剛性，減少主軸的竄動，不僅可以提高主軸系統(tǒng)的可靠性，還能減小其尺寸和重量，降低成本。對于齒輪箱的設(shè)計，可以使用柔性銷和帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承及單列圓錐滾子定位軸承，不僅能降低齒輪箱的尺寸和重量，減低齒輪和軸承出現(xiàn)損傷的可能性，增加“功率密度”，而且還能使行星級的加工和裝配更容易。這樣通過對整個傳動鏈的設(shè)計優(yōu)化，從而使得大功率風電機組能高效的、可靠的工作。