風力發電機組發電機軸承溫度高分析及解決方案

摘 要：風力發電機是風力發電組件中重要組成部分，由于自身及外界因素的影響，發電機軸承溫度過高造成系統故障頻繁出現，本文從發電機軸承自身和外界因素兩個角度闡述了造成軸承溫度升高的原因，并根據原因提出幾項解決方案。

關鍵詞：風力；發電機；軸承；溫升；

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-04-00-01

風能作為綠色可再生能源得到世界各國的關注，利用風能發電不需要燃料，也不會產生輻射或環境污染，已經在全球范圍內形成一股熱潮。芬蘭、丹麥等國家利用風力發電普及率較高，我國西部地區風能資源較為豐富，風力發電也得到了國家和政府的支持。風力發電原理是利用風力帶動風車葉片轉動，通過增速器將葉片旋轉速度加快，促使發電機發電，因此發電機是風力發電機組的核心部件，發電機能否正常運行，直接關系到發電場的發電總量與經濟效益。發電機在工作過程中由于多種原因，導致發電機軸承溫度過高而造成系統故障，這是目前發電機常見故障之一，如何在使用過程中消除故障隱患，延長發電機使用壽命是需要不斷研究的課題。

一、發電機軸承溫度升高原因

（一）發電機軸承運轉造成溫度升高

當軸承旋轉速度過快，內外圈之間會因為相互運動產生摩擦而生產熱量。若不考慮能量損失，則軸承與轉子之間摩擦力做功與產生的熱量相等。根據物理學公式Q=W=μNs， μ為摩擦系數，與接觸面的粗糙程度決定，對發電機而言，與內外圈滾珠和滾柱間的粗糙程度有關，軸承在完工出廠后，其粗糙面程度已經確定，減小摩擦系數的方法只能在軸承與滾柱之間添加潤滑油；N為軸承受到的壓力；s為軸承運動的相對距離，由軸承半徑、轉速、運行時間決定。

軸承所受到的壓力由兩部分組成，一部分為轉子分布在軸承上的重力，另一部分為轉子在旋轉過程中產生的離心力。離心力的產生主要是轉子重心與軸承重心無法完全重合造成的。離心力計算公式為F離=ω2r（ω：轉子轉速，r：轉子重心于軸承中心的偏差距離。由公式可知，轉子的轉速和兩個中心的偏差距離是影響離心力大小的主要因素。因離心力方向的不確定性，使軸承受到的壓力稱規律性變化。但當軸承內外圈間的游隙和竄動量大于設計值時，內外圈間存在異常摩擦力，使軸承在X 軸上產生壓力，導致軸承總的受力值變大，產生的熱量增加。發電機軸承外圈與發電機外殼相連，軸承產生的熱量通過傳導向外擴散，但潤滑油充滿軸承內部，若潤滑油傳熱效果不好，影響熱量外散也會造成軸承溫度升高。

（二）外部因素造成軸承溫度過高

1、部件損耗產生的熱量。發電機在工作狀態中，電機內部不可避免會造成部件的磨損，如定子或轉子的銅耗、 鐵耗、 機械損耗及附加損耗等，使發電機軸承溫度升高。轉子回路的銅耗包括轉子銅材繞組的的電阻及個串聯繞組的電阻，勵磁回路的銅耗勵磁繞組銅材的電阻及外串的調節電阻組成。

計算公式為：PCu=PCus+PCuf=Is2×Rs+If2×（Rf+Rp），其中：Is為轉子回路的總電流；If：勵磁繞組回路的總電流；Rs為轉子回路的總電阻；Rf為勵磁繞組的總電阻；Rp為外串的調節電阻；以上物理量中轉子回路的總電阻、勵磁繞組的總電阻和外串的調節電阻在電機設計完成后是固定不變的。因此電機銅耗主要有勵磁回路的電流和轉子回路電流的大小決定的。

同理，鐵耗主要由渦流損耗和磁滯損耗兩部分構成，影響因素有磁通交變頻率及磁密的值有關。機械損耗是由于碳刷和換向器的摩擦、轉子轉動時與空氣摩擦造成的損耗；附加損耗為除以上損耗之外的其他原因產生的損耗，一般將額定損耗的0.5%-1.0%作為附加損耗。總之，發電機的銅耗、鐵耗、機械損耗均有可控制的影響因素，這些損耗可以通過技術手段降低，從而減少熱量的產生。

2、發電機水冷器散熱。發電機冷卻方式由空空冷卻、空水冷卻和水套冷卻等。發電機冷卻裝置在吸收熱量的同時，對外散發熱量，這也成為軸承溫度升高的原因之一。以水冷器為例，水冷器在從發電機內吸收熱量，降低發電機溫度的同時，通過冷卻液將熱量排除機艙，理想狀態下，水冷器吸收的熱量與冷卻液吸收的熱量相等。但在實際工作中，水冷器吸收的熱量與冷卻液流量成正比，大小與冷卻液的傳導系數和散熱器的表面積有關。水冷器吸收的熱量與冷卻液吸收的熱量的差值，也是造成軸承溫度升高的原因。

3、發電機外殼散熱對軸承的影響。發電機熱量的散發除冷卻裝置外，還有通過電機外殼向外界散熱。根據熱輻射相關公式可知，發電機外殼向外界輻射的熱量，與發電機外殼空氣流量、外殼與空氣溫度差、空氣吸熱能力、外殼灰度有關。若發電機外殼散熱受阻，則會導致內部結構溫度的升高，包括軸承。

二、處理措施

根據軸承溫度升高熱量來源分析以及長期工作經驗，對軸承溫度升高造成的系統故障可以從以下幾方面控制預防：

（一）潤滑油性能的好壞，決定了滾珠與滾柱間的摩擦系數，更換質量較好的潤滑油，可有效降低由于摩擦產生的熱量。對于選定的潤滑油品牌，其性能已經固定，但在使用過程中可能造成污染降低其性能，對于這種情況應及時檢測，定期更換或補充潤滑油，確保軸承部位的摩擦系數最小，減少熱量的產生。

（二）提高發電機安裝質量。發電機轉子重心與軸承重心的偏差距離是影響軸承所受壓力的重要因素，通過提高發電機安裝質量，減少偏差，確保軸承內外圈的間隙和竄動量符合設計值，減少軸承自身運轉造成的熱量產生。

（三）發電機產生的熱量由轉子回來電流、勵磁回路電流、發電機轉速和發電機硅鋼片質量決定。在電壓固定的情況下，電流大小由電路中電阻決定，電阻大小與材料性能、長度、橫截面積有關。在材料確定、粗細一致的情況下，材料的長度成為影響電阻的決定性因素。若以質量衡量長度，發電機組件的質量減少可有效降低發電機熱量產生。

（四）冷卻液的冷卻效果，對于發電機軸承的溫度升高影響極大，增加冷卻液的流量、改用冷卻效果較好的冷卻液，并及時檢查定期更換，確保冷卻機的正常運行。同時，定期清掃發電機外殼的灰塵等阻礙熱量散失的異物。

三、總結

發電機軸承溫度過高不僅會造成系統故障，還可能降低使用壽命，燒壞軸承。因此，做好日常的養護和維修工作十分必要。

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