大型風電機組傳動系統支撐方式特性分析

申屠東華，何先照，盧江躍，李晨曦，裘 園

（浙江運達風電股份有限公司技術中心，浙江 杭州310012）

0 概述

由于國內風力發電行業發展迅速，競爭越來越激烈，機組趨向大型化、智能化、高塔化，技術的更新迭代速度加快，在運行、制造裝配、運輸、維護等方面各制造廠家盡力做到運行可靠、裝配維護簡單可操作，在成本上有競爭優勢，結合各自的技術優勢，對機組的總體布局，尤其是對傳動系統支撐結構的選擇極為重視。為此，本文就大型機組傳動系統各支撐方式特性進行深入分析，為研發及設計提供技術參考。

1 風電機組傳動系統簡介

風電機組傳動系統結構形式主要分為三大類：

（1）傳統的“丹麥”型布置形式，即三級增速齒輪箱通過主軸組件系統和風輪連接，與異步發電機之間通過彈性聯軸器相連。該傳動系統布置形式技術比較成熟，在風力發電機組中占據了主導地位。隨著機組大型化的發展，增速齒輪箱故障率的日益增加及更換維護費用昂貴，該傳動系統布置形式的弱點也逐步暴露。

（2）無增速齒輪箱的直驅式傳動系統，即風力發電機組免去了增速齒輪箱，由風輪直接驅動多極同步發電機。該傳動系統布置形式雖然省略了增速齒輪箱，提高了傳動系統的可靠性，但是低速多極同步發電機存在重量重和體積大、吊裝困難、熱損耗大等缺點。

（3）半直驅傳動系統布置，其基本技術特征是：使用了一級或二級行星增速齒輪箱和永磁同步發電機。半直驅傳動系統布置避免了增速齒輪箱高速級經常出現軸承點蝕、跑圈、過溫等故障的問題，也規避了直驅發電機組體積和質量大的問題。雖然該結構形式占比較少，但從中長期來看，半直驅傳動系統將在大型風力發電機組中占有越來越大的比例。

目前風電機組中由于“丹麥”型傳動系統布置形式占據大部分，所以對此類布置形式進行分析研究尤為重要。該傳動系統布置形式可分為以下三大類型：三點式支撐結構、兩點式支撐結構和單點式支撐結構。

2 風電機組傳動系統支撐方式分類及技術特性

2.1 三點式支撐結構

圖1～2所示為三點式支撐結構，在風電機組中是比較常見的傳動系統結構，此結構特點是整個傳動系統包括風輪、主軸、齒箱等全部重量由三點來支撐，一點是主軸承，另外兩點是齒箱兩邊的彈性支撐。三點支撐結構簡單，裝配、成本相對較低。但此結構也有其缺點，齒箱除要承受扭矩載荷外，還要承受徑向載荷，齒箱低速級殼體結構尺寸相應比較大；齒箱出現故障需下塔處理時，要將風輪及整個傳動鏈下塔，工程量大、維護成本高。

圖1 三點式支撐水平視圖

圖2 三點式支撐俯視圖

2.2 兩點式支撐方式結構

圖3 所示為兩點式支撐結構，此結構特點是整個傳動系統包括風輪、主軸、齒箱等全部重量由兩點來支撐，也即前后兩個軸承來支撐整個主軸組件。其結構特點是軸向載荷由一個軸承承受（通常靠近齒箱側），這個軸承也承受一部分徑向載荷，另一個軸承（靠近風輪側）主要承受徑向載荷；齒箱不承受徑向載荷，只承受扭矩，結構尺寸可以減小，成本上可以降低；還有個優點是齒箱故障維修時，風輪不需要下塔，只要機艙上罩打開及單個齒箱下塔即可，大大降低了維修成本，節省了維修時間。當然該結構也有其缺點，采用兩個軸承，軸向尺寸較長，整個機艙也相應較長，軸承成本及其它成本較高；軸承裝配工藝要求高。

圖3 兩點式支撐結構

2.3 單點式支撐方式結構

隨著機組功率的增大，傳動系統結構尺寸越來越大，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，采用單個大直徑軸承來支撐傳動系統（見圖4），因為軸類橫截面抗彎截面模量是直徑的三次方關系，而重量是直徑的二次方、長度的一次方關系，所以采用縮短長度增加直徑的方式，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減輕傳動組件重量。目前該軸承外徑尺寸有的已達到3.6 m。由于整個傳動系統都由此一個軸承來承受各種載荷，有的結構已經取消了主軸，有的結構采用短軸，使得傳動系統軸向尺寸縮短，這樣整個機艙長度也相應縮短。目前單個軸承主要有兩種方式：大型雙列圓錐滾子軸承、三排滾柱式回轉支承（見圖5、圖6）。

圖4 單個軸承結構示意圖

圖5 雙列圓錐滾子軸承

圖6 三排滾柱式回轉支承

3 國內外風電傳動系統技術現狀及趨勢

3.1 風電裝機中有無齒箱占比

機組按驅動方式分為直驅、半直驅、雙饋，直驅型發電機組采用無齒箱結構，半直驅和雙饋機組采用齒箱結構，所以有無齒箱，對于傳動系統來說變化比較大，參考國外有關資料（見圖7），可大致了解到從4 MW以下的機組，隨著機組功率的增大無齒箱機組（直驅）所占比例在增加，值得注意的是4 MW以上機組有齒箱的機組占比又明顯增多，4 MW機組看來是個技術拐點。綜合來看70%的機組采用有齒箱的方式，30%的機組采用無齒箱的方式。

圖7 有無齒箱在裝機中所占比例

3.2 風電裝機中傳動系統支撐方式占比

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

圖8 各支撐方式裝機中所占比例

4 兩點式、單點式支撐軸承技術特性分析

由于傳動系統三點式支撐結構一般不適用于大型機組，本文僅作概要（見3.1內容），以下重點對兩點式及單點式結構深入分析：

4.1 兩點式支撐軸承型式

目前兩點式支撐有三種軸承組合型式：兩個雙列調心滾子軸承、一個雙列圓錐滾子軸承+一個圓柱滾子軸承、兩個單列圓錐滾子軸承。

4.1.1 兩個雙列調心滾子軸承結構組合特點

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

圖9 兩個雙列調心滾子軸承支撐組合

結構組合優點：如3.2所述，軸向載荷由一個軸承承受（通常靠近齒箱側），這個軸承也承受一部分徑向載荷，另一個軸承（靠近風輪側）主要承受徑向載荷；齒箱不承受徑向載荷，只承受扭矩；可以補償安裝時角度偏差；軸承及軸承座安裝比較容易；軸承采購成本較低。

結構組合缺點：由于軸承內部存在正游隙，整個主軸組件剛性不好，軸向受載時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；因軸承角度可調整，使得主軸受載擾度比較大。

4.1.2 一個雙列圓錐滾子軸承+一個雙列圓柱滾子軸承結構組合特點

雙列圓錐滾子軸承內圈有兩個圓錐形滾道，兩個外圈可分離，各有圓錐形滾道，中間有一個調整隔圈，軸承安裝時需預緊。雙列圓柱滾子軸承是屬于內外圈可以分離的軸承，只能承受徑向載荷，外圈有兩個圓柱形滾道，內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構組合形式，如圖10所示。

圖10 雙列圓錐滾子軸承+雙列圓柱滾子軸承結構組合

結構組合優點：雙列圓錐滾子軸承是固定端，因軸承安裝時有軸向預緊，內部為負游隙，所以軸向定位穩定可靠，不會像調心滾子軸承受軸向載荷時出現大的軸向位移；圓柱滾子軸承是浮動端，可以補償溫度變化產生的線性膨脹。

結構組合缺點：軸承座需整體，因而整個主軸組件重量較重，軸承采購成本較高，圓錐軸承裝配時需要預緊，相對復雜困難。

4.1.3 兩個單列圓錐滾子軸承結構組合特點

單列圓錐滾子軸承內外圈可以分離，內外圈均有錐形滾道，可以承受徑向載荷和單一方向的軸向載荷，當承受徑向載荷時，會產生一個軸向分力，所以需要成對使用讓另一個圓錐滾子軸承來承受軸向分力。

兩個單列圓錐滾子軸承結構組合形式：分為背對背布置和面對面布置方式兩種，如圖11、圖12。

圖11 背對背布置方式

圖12 面對面布置方式

兩個單列圓錐滾子軸承背對背布置結構特點：通過旋轉主軸螺母來預緊兩軸承內預緊力，實現良好的整體剛性。由于主軸及軸承運行受熱，主軸與軸承座有溫差，會產生熱膨脹。針對風電機組軸向尺寸不能太長，兩軸承間距以及軸承接觸角等因素，風電基本形式為上述背對背形式，這種結構形式溫差會造成軸承間隙減小，為避免熱膨脹卡死，軸承在安裝時需預留熱膨脹量。

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；ΔT—內外圈溫差；K1、K2—K 系數；D01、D02—兩軸承外圈平均內徑；L—兩軸承外圈間距。

兩個單列圓錐滾子軸承面對面布置結構特點：通過軸承外圈軸承蓋或擋圈壓緊深度來調整兩軸承內的預緊力，實現良好的整體剛性。此結構同樣會發生熱膨脹，而且比背對背結構熱膨脹敏感，安裝時需要預留的間隙要比背對背結構大許多。

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；ΔT—內外圈溫差；K1、K2—K 系數；D01、D02—兩軸承外圈平均內徑；L—兩軸承外圈間距。

這兩種組合結構缺點：安裝調整費時困難，要準確預留軸承間隙，過大或過小間隙都會影響運行，風險較大；而且目前單價比雙列調心滾子軸承高。

4.2 單點式支撐軸承結構型式

目前單點式支撐軸承有兩種型式：單點式雙列圓錐滾子軸承和三排滾柱式回轉支承。

4.2.1 單點式雙列圓錐滾子軸承結構特點

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中心軸線作用點距離L較大，相當于兩個單獨軸承的間距；另外，軸承安裝時需要預緊，承載時需要兩列滾子同時承載，所以支撐剛性較好，如圖13。

圖13 軸承截面圖及作用距離

但此類軸承有幾個方面的不足，對預緊的要求較高，能否有個合理的預緊力非常關鍵，預緊力太大會造成軸承發熱和過渡磨損，預緊力過小在某些傾覆載荷大的工況會造成局部滾子脫空，導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到同樣的線速度，軸承運行過程中存在滑動摩擦，因而造成軸承的發熱與磨損，在潤滑條件不好的情況下，容易引起軸承失效。

圖14 軸承截面圖

從上述對傳動系統支撐方式深入分析，各有各的優點和缺點，匯總如表1。

表1 傳動系統支撐方式深入分析，優點和缺點表

5 結束語

根據傳動系統三種支撐結構的特點以及大型機組綜合成本，3 MW以上大型機組采用兩點式、緊湊單點式支撐方式比較合理。關于其軸承的組合形式，需要考慮軸承供貨是否便利，機組的大型化趨勢技術的延續性，以及制造裝配的易難程度，可以考慮三種支撐方式：兩個調心滾子軸承、雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承、單個大型雙列圓錐回轉支撐及大型三排柱式回轉支撐。