浅谈水套冷风力发电机轴承损伤

孙方圆

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)



浅谈水套冷风力发电机轴承损伤

孙方圆

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

摘要：随着绕线式双馈异步风力发电机并网台数越来越多，运行时间越来越久，发电机各种故障逐渐显现出来，其中轴承故障较为突出。本文以水套结构冷却的绕线式双馈异步风力发电机为背景，针对常见且后果严重的轴承“跑内圈”故障，分析轴承损伤的原因并提出解决方法。

关键词：风力发电机;轴承;解决故障

0引言

随着风力发电技术的迅速发展，短短几年间我国风力发电已初具规模。目前，市场上风力发电机组有绕线双馈型、直驱型和半直驱型。绕线式双馈异步风力发电机目前在风电市场上占有主导地位。随着绕线式双馈异步风力发电机并网台数越来越多，运行时间越来越久，发电机各种故障逐渐显现出来。绕线式双馈异步风力发电机冷却方式有很多种，空空冷、空水冷以及水套冷等等，不同冷却方式易产生的故障不同。其中，水套冷冷却方式的冷却效果较好，换热效率较高，冷却水沿着机座表面流动，能够充分热交换，带走定子表面热量。但是水套冷却的发电机有个缺点，冷却水无法经过轴承表面，轴承完全通过自然冷却进行换热，极易出现轴承温升失控，最终导致轴承故障产生。在现有并网运行的水套冷风力发电机中，轴承故障尤为最严重。对已出现的轴承事故进行调研分析，轴承损伤较多表现为“跑内圈”。目前的风力发电机市场上，轴承都是标准件，轴上的安装尺寸是与轴承标准件相配的。当出现“跑内圈”事故时，轴承内圈磨损严重，多数发电机的轴的轴承档也磨损严重，即使更换轴承也无法安装，解决办法只能是更换发电机。按现在市场上的价格来看，更换一台发电机的费用是十分高昂的，从吊车进入风场到将发电机吊到地面，平均价格在30万/台左右，如果再计算上发电机的来回运费，这笔费用不容小觑。因此，如何避免轴承事故发生，不仅影响风电机组的平稳运行，同时也为制造厂家节约了一笔可观成本。

图1　轴承内圈图片

1分析原因

出现这种情况根本原因是由于轴承温升异常造成的。轴承温升急剧上升时，由于轴承内部自身急剧上升的温度不会马上传导到轴上，所以轴承内圈比轴膨胀更多，旋转时轴承内圈与轴产生相对运动，开始磨损。轴承温度上升时，传感器会发生异常警报，警报后转数降低，相对运动暂时停止。而再次运转时，温升异常，相对运动再次发生。其反复过程会导致轴、轴承逐渐磨损，在伴随着其他破坏机组正常运行的因素作用下，造成了跑内圈的事故。对发生事故的机组进行数据采集、分析，轴承温升异常的原因归结为以下几点：

1) 油脂润滑

ⓐ 油脂过量

油脂的作用是润滑，但导热性较差。油脂过量(图2)时，轴承内部热量不能得到有效及时传递，导致内部热量急剧增加，表现为轴承温升急剧上升。提取两台电机进行温升试验，电机转速、冷却系统、试验条件等近似相同的条件下，得出试验报告数据如下：

图2　轴承室内过多的油脂

电机油脂前轴承温度后轴承温度甲发电机正常74.5℃62.3℃乙发电机过量50g78℃65℃

通过对比两台电机的试验报告可以看出，油脂过量时，轴承的温度高；油脂正常时，轴承的温度低。

ⓑ 润滑不良

风力发电机位于高空运行，轴承补油主要依靠自动注油泵进行注油。从油泵到轴承注油口之间通过注油管连接。油脂有一定的粘稠度，注油过程中，很容易堵在管路中不能顺利注入到轴承室内，造成轴承补油不良情况发生。发电机出厂时，轴承室内油脂一般在整个轴承室容量的1/3左右，自动注油的油脂通过较长的管路达到轴承室时，粘在管路内壁或者轴承室内空隙处，这样轴承内部废油脂不能得到有效排除，新油脂不能及时替换废旧油脂。发电机运行时，大量废旧油脂集中在滚珠与滚道之间，这些油脂已失去润滑作用，导致滚珠与滚道之间摩擦产生大量热量，这些额外热量通过废旧油脂得不到有效传递，导致事故发生，表现为轴承温升急剧上升。

因此，发电机制造厂应制定轴承每次注油量，避免注油过多或者过少，维护人员按照制造厂规定注油量设置注油泵，并严格按照规定时间进行手动注油维护。发电机制造厂在轴承室内结构(图3)时，选择排油良好的结构，保证排油顺畅性。

图3　轴承结构图

2) 振动因素

轴承是一件精密部件，振动将严重破坏滚珠和滚道之间的配合。电机振动时，滚珠与滚道产生异常磨损。当出现轴承温升急剧上升并伴随发电机振动同时产生时，轴承内圈和轴产生相对运动，互相磨损，表现为跑内圈事故。振动主要有两个方面因素产生：

ⓐ 机组异常振动引起的

风力发电机在机舱内安装后与机舱内其他传动部件组成机组，机组异常振动产生原因主要是整个机组部件不匹配和主要部件之间安装精度不良两种原因造成的。

风力发电机机组在前期设计时，机械设计师会对整个机组进行模拟，分析共振因素，包括每个部件重心位置的考究，部件之间的连接方式等等。在这个前提下，由于机组部件不匹配引起振动的可能性，非常渺小。而且，如果是这个原因，一定会有机组大面积停运事故发生，而实际机组大面积停运现象并没有出现，因此，可以暂时排除整个机组部件不匹配因素。

风力发电机在整个风电机组是最重要的部件之一，发电机通常通过联轴器与变速箱连接在一起。造成风力发电机振动通常是联轴器的安装精度不够造成。联轴器和发电机轴的对中是发电机安装的重要考核点，它的优劣对发电机振动有较大影响，且不易察觉和监控。一旦出现对中不良，即联轴器主轴和发电机主轴不在一条直线上，在机组运行时，联轴器会对发电机产生与发电机主轴呈一定角度的力，在这个力的作用下，发电机将不能平稳运行，以发电机轴承端为起始点，根据杠杆原理，到发电机尾部，力作用的效果越来越明显，表现为发电机振动幅度越来越大。

因此，风电设备主机厂应制定对中参数的考核标准。安装发电机时，应制定措施，确保对中精度得到保证，例如：对中参数要记录下来，并做重点检查，对中合格方可进入下一道工序。

ⓑ 发电机自身振动引起的

发电机振动试验是发电机出厂试验项目之一，电机振幅严格控制在技术要求数值下方。通过振动试验的发电机才能够出厂，因此发电机本体振动超标鲜少发生。但在机舱内安装时，发电机是安装在弹性支撑上的，发电机与弹性支撑不匹配时，即系统存在一定的共振频率，且此频率在系统的转速范围内时，发电机易出现异常振动现象。对存在共振频率的系统进行数据提取、核算、分析(结果如图4)，发现在1 000～1 200 r/min时，系统振动快速上升。可见，发电机与弹性支撑的匹配性尤为重要。

图4　发电机两端轴承在负载工况下振动随转速的变化

因此，发电机制造厂严格按照主机厂技术要求，考核发电机振动，出现振动超标的发电机不得出厂。发电机与弹性支撑之间是否匹配与发电机的重量、重心位置等等有关，因此发电机制造厂应提供准确的发电机参数，主机厂应对发电机与弹性支撑进行详细计算，确保发电机与弹性支撑的匹配。

3) 轴承内圈与轴配合不足

当轴承温升异常时，如果轴和轴承内圈配合不足，会导致轴承内圈与轴之间产生相对位移，最终轴承内圈、轴磨损，表现为跑内圈。

图5　事故现场轴承和轴的磨损情况

轴承内圈与轴配合通常采用基孔制，外圈与轴承套的配合采用基轴制，这样的做法是为了让轴承与轴、轴承套之间可以更好的配合。发电机运行时，随着轴承温度上升，根据热胀冷缩原理，轴承和轴都会随着温度上升而膨胀。由于轴承与轴采用的材料不同，热膨胀系数不同，膨胀量也不同。如果过盈量过小，将产生轴承内圈和轴之间的相对位移，导致轴承和轴相互磨损(图5)。而通常风力发电机运行时，转速是随着风速不断变化的，输出的功率也随着变化。不同功率运行下轴承的温度也不同，因此在轴承和轴的配合公差选择时，既要适合低功率输出工况，又要适合额定功率输出工况。

因此，选择适当的轴承与轴的配合公差尤为重要，设计时需考虑温度变化对金属膨胀率的影响。

4) 轴承油隙大小的影响

轴承游隙是轴承的重要特性，是指轴承内圈、轴承外圈与滚动体之间的间隙量，即滚动体在径向或轴向可移动的距离。发电机运行过程中，游隙过小可能引起轴承内部摩擦过大，产生热量，轴承温度上升；游隙较大时，可降低摩擦力，减小轴承的温度，但同时轴承的噪音加大，严重者会影响轴承的振动。

因此，选择适当的油隙对轴承的温升、噪音、振动有着至关重要的影响。制造厂在进行轴承设计时，需严谨的选择适当的轴承油隙，以降低轴承油隙对轴承平稳运行的影响。

2结语

轴承是发电机重要部件之一，一旦出现事故将直接导致停机，严重的需要更换发电机。同时，轴承也是发电机上最脆弱的零件之一，一旦出现异常情况，极易磨损，严重的导致轴承损坏。因此，应重视轴承的安全运行，提高警惕，排除隐患，确保风电机组的平稳运行。笔者对轴承故障进行了浅显分析，希望对轴承的故障排除起到一定的作用。