大型风电机组传动系统支撑方式特性分析

申屠东华，何先照，卢江跃，李晨曦，裘 园

（浙江运达风电股份有限公司技术中心，浙江 杭州310012）

0 概述

由于国内风力发电行业发展迅速，竞争越来越激烈，机组趋向大型化、智能化、高塔化，技术的更新迭代速度加快，在运行、制造装配、运输、维护等方面各制造厂家尽力做到运行可靠、装配维护简单可操作，在成本上有竞争优势，结合各自的技术优势，对机组的总体布局，尤其是对传动系统支撑结构的选择极为重视。为此，本文就大型机组传动系统各支撑方式特性进行深入分析，为研发及设计提供技术参考。

1 风电机组传动系统简介

风电机组传动系统结构形式主要分为三大类：

（1）传统的“丹麦”型布置形式，即三级增速齿轮箱通过主轴组件系统和风轮连接，与异步发电机之间通过弹性联轴器相连。该传动系统布置形式技术比较成熟，在风力发电机组中占据了主导地位。随着机组大型化的发展，增速齿轮箱故障率的日益增加及更换维护费用昂贵，该传动系统布置形式的弱点也逐步暴露。

（2）无增速齿轮箱的直驱式传动系统，即风力发电机组免去了增速齿轮箱，由风轮直接驱动多极同步发电机。该传动系统布置形式虽然省略了增速齿轮箱，提高了传动系统的可靠性，但是低速多极同步发电机存在重量重和体积大、吊装困难、热损耗大等缺点。

（3）半直驱传动系统布置，其基本技术特征是：使用了一级或二级行星增速齿轮箱和永磁同步发电机。半直驱传动系统布置避免了增速齿轮箱高速级经常出现轴承点蚀、跑圈、过温等故障的问题，也规避了直驱发电机组体积和质量大的问题。虽然该结构形式占比较少，但从中长期来看，半直驱传动系统将在大型风力发电机组中占有越来越大的比例。

目前风电机组中由于“丹麦”型传动系统布置形式占据大部分，所以对此类布置形式进行分析研究尤为重要。该传动系统布置形式可分为以下三大类型：三点式支撑结构、两点式支撑结构和单点式支撑结构。

2 风电机组传动系统支撑方式分类及技术特性

2.1 三点式支撑结构

图1～2所示为三点式支撑结构，在风电机组中是比较常见的传动系统结构，此结构特点是整个传动系统包括风轮、主轴、齿箱等全部重量由三点来支撑，一点是主轴承，另外两点是齿箱两边的弹性支撑。三点支撑结构简单，装配、成本相对较低。但此结构也有其缺点，齿箱除要承受扭矩载荷外，还要承受径向载荷，齿箱低速级壳体结构尺寸相应比较大；齿箱出现故障需下塔处理时，要将风轮及整个传动链下塔，工程量大、维护成本高。

图1 三点式支撑水平视图

图2 三点式支撑俯视图

2.2 两点式支撑方式结构

图3 所示为两点式支撑结构，此结构特点是整个传动系统包括风轮、主轴、齿箱等全部重量由两点来支撑，也即前后两个轴承来支撑整个主轴组件。其结构特点是轴向载荷由一个轴承承受（通常靠近齿箱侧），这个轴承也承受一部分径向载荷，另一个轴承（靠近风轮侧）主要承受径向载荷；齿箱不承受径向载荷，只承受扭矩，结构尺寸可以减小，成本上可以降低；还有个优点是齿箱故障维修时，风轮不需要下塔，只要机舱上罩打开及单个齿箱下塔即可，大大降低了维修成本，节省了维修时间。当然该结构也有其缺点，采用两个轴承，轴向尺寸较长，整个机舱也相应较长，轴承成本及其它成本较高；轴承装配工艺要求高。

图3 两点式支撑结构

2.3 单点式支撑方式结构

随着机组功率的增大，传动系统结构尺寸越来越大，重量越来越重，为了尽量减少大尺寸引起重量成本的急剧增加，采用单个大直径轴承来支撑传动系统（见图4），因为轴类横截面抗弯截面模量是直径的三次方关系，而重量是直径的二次方、长度的一次方关系，所以采用缩短长度增加直径的方式，可以在重量不增加或增加不多的情况下大幅增大抗弯截面模量，从而提高承载能力和相对减轻传动组件重量。目前该轴承外径尺寸有的已达到3.6 m。由于整个传动系统都由此一个轴承来承受各种载荷，有的结构已经取消了主轴，有的结构采用短轴，使得传动系统轴向尺寸缩短，这样整个机舱长度也相应缩短。目前单个轴承主要有两种方式：大型双列圆锥滚子轴承、三排滚柱式回转支承（见图5、图6）。

图4 单个轴承结构示意图

图5 双列圆锥滚子轴承

图6 三排滚柱式回转支承

3 国内外风电传动系统技术现状及趋势

3.1 风电装机中有无齿箱占比

机组按驱动方式分为直驱、半直驱、双馈，直驱型发电机组采用无齿箱结构，半直驱和双馈机组采用齿箱结构，所以有无齿箱，对于传动系统来说变化比较大，参考国外有关资料（见图7），可大致了解到从4 MW以下的机组，随着机组功率的增大无齿箱机组（直驱）所占比例在增加，值得注意的是4 MW以上机组有齿箱的机组占比又明显增多，4 MW机组看来是个技术拐点。综合来看70%的机组采用有齿箱的方式，30%的机组采用无齿箱的方式。

图7 有无齿箱在装机中所占比例

3.2 风电装机中传动系统支撑方式占比

而从传动系统主轴的支撑方式来看，6 MW以下机组随着功率的增大三点式支撑所占比例直线下降，而4 MW以下机组采用两点式支撑没有明显的改变，4～6 MW机组采用单点式支撑（单个轴承）的比例占67%左右，比例相当明显。而到6～10 MW机组两点式支撑占总机组的75%比例。见图8。

图8 各支撑方式装机中所占比例

4 两点式、单点式支撑轴承技术特性分析

由于传动系统三点式支撑结构一般不适用于大型机组，本文仅作概要（见3.1内容），以下重点对两点式及单点式结构深入分析：

4.1 两点式支撑轴承型式

目前两点式支撑有三种轴承组合型式：两个双列调心滚子轴承、一个双列圆锥滚子轴承+一个圆柱滚子轴承、两个单列圆锥滚子轴承。

4.1.1 两个双列调心滚子轴承结构组合特点

双列调心滚子轴承为双列不可分离轴承，内圈有两个滚道，外圈有个球面滚道，滚子外形为鼓形，双列滚子可以在外圈球面滚道内自由调位，可以补偿主轴弯曲变形和安装时的角度偏差，轴承可以承受较大的径向载荷和一定的轴向载荷。两个双列调心滚子轴承支撑组合形式，如图9所示。

图9 两个双列调心滚子轴承支撑组合

结构组合优点：如3.2所述，轴向载荷由一个轴承承受（通常靠近齿箱侧），这个轴承也承受一部分径向载荷，另一个轴承（靠近风轮侧）主要承受径向载荷；齿箱不承受径向载荷，只承受扭矩；可以补偿安装时角度偏差；轴承及轴承座安装比较容易；轴承采购成本较低。

结构组合缺点：由于轴承内部存在正游隙，整个主轴组件刚性不好，轴向受载时将两列滚子推向一边，造成一列滚子受载，一列滚子部分脱空不受载；因轴承角度可调整，使得主轴受载扰度比较大。

4.1.2 一个双列圆锥滚子轴承+一个双列圆柱滚子轴承结构组合特点

双列圆锥滚子轴承内圈有两个圆锥形滚道，两个外圈可分离，各有圆锥形滚道，中间有一个调整隔圈，轴承安装时需预紧。双列圆柱滚子轴承是属于内外圈可以分离的轴承，只能承受径向载荷，外圈有两个圆柱形滚道，内圈外壁为圆柱形滚道。

双列圆锥滚子轴承和双列圆柱滚子轴承结构组合形式，如图10所示。

图10 双列圆锥滚子轴承+双列圆柱滚子轴承结构组合

结构组合优点：双列圆锥滚子轴承是固定端，因轴承安装时有轴向预紧，内部为负游隙，所以轴向定位稳定可靠，不会像调心滚子轴承受轴向载荷时出现大的轴向位移；圆柱滚子轴承是浮动端，可以补偿温度变化产生的线性膨胀。

结构组合缺点：轴承座需整体，因而整个主轴组件重量较重，轴承采购成本较高，圆锥轴承装配时需要预紧，相对复杂困难。

4.1.3 两个单列圆锥滚子轴承结构组合特点

单列圆锥滚子轴承内外圈可以分离，内外圈均有锥形滚道，可以承受径向载荷和单一方向的轴向载荷，当承受径向载荷时，会产生一个轴向分力，所以需要成对使用让另一个圆锥滚子轴承来承受轴向分力。

两个单列圆锥滚子轴承结构组合形式：分为背对背布置和面对面布置方式两种，如图11、图12。

图11 背对背布置方式

图12 面对面布置方式

两个单列圆锥滚子轴承背对背布置结构特点：通过旋转主轴螺母来预紧两轴承内预紧力，实现良好的整体刚性。由于主轴及轴承运行受热，主轴与轴承座有温差，会产生热膨胀。针对风电机组轴向尺寸不能太长，两轴承间距以及轴承接触角等因素，风电基本形式为上述背对背形式，这种结构形式温差会造成轴承间隙减小，为避免热膨胀卡死，轴承在安装时需预留热膨胀量。

轴向热膨胀影响量

式中X1—轴向热膨胀影响量；a—热膨胀系数；ΔT—内外圈温差；K1、K2—K 系数；D01、D02—两轴承外圈平均内径；L—两轴承外圈间距。

两个单列圆锥滚子轴承面对面布置结构特点：通过轴承外圈轴承盖或挡圈压紧深度来调整两轴承内的预紧力，实现良好的整体刚性。此结构同样会发生热膨胀，而且比背对背结构热膨胀敏感，安装时需要预留的间隙要比背对背结构大许多。

轴向热膨胀影响量

式中X2—轴向热膨胀影响量；a—热膨胀系数；ΔT—内外圈温差；K1、K2—K 系数；D01、D02—两轴承外圈平均内径；L—两轴承外圈间距。

这两种组合结构缺点：安装调整费时困难，要准确预留轴承间隙，过大或过小间隙都会影响运行，风险较大；而且目前单价比双列调心滚子轴承高。

4.2 单点式支撑轴承结构型式

目前单点式支撑轴承有两种型式：单点式双列圆锥滚子轴承和三排滚柱式回转支承。

4.2.1 单点式双列圆锥滚子轴承结构特点

此类大型双列圆锥滚子轴承具有承受很大的径向和轴承载荷，由于直径较大，两列滚子接触外圈滚道形成的对中心轴线作用点距离L较大，相当于两个单独轴承的间距；另外，轴承安装时需要预紧，承载时需要两列滚子同时承载，所以支撑刚性较好，如图13。

图13 轴承截面图及作用距离

但此类轴承有几个方面的不足，对预紧的要求较高，能否有个合理的预紧力非常关键，预紧力太大会造成轴承发热和过渡磨损，预紧力过小在某些倾覆载荷大的工况会造成局部滚子脱空，导致轴承支撑刚度不足，承载能力下降。

4.2.2 三排滚柱式回转支承

如图14，此轴承轴向及倾覆载荷由两排轴向布置的滚子承受，径向载荷由径向圆周布置的滚子承受，可以承受很大的径向及轴向、倾覆载荷。该轴承的不足之处是两列推力滚子两端面不能达到同样的线速度，轴承运行过程中存在滑动摩擦，因而造成轴承的发热与磨损，在润滑条件不好的情况下，容易引起轴承失效。

图14 轴承截面图

从上述对传动系统支撑方式深入分析，各有各的优点和缺点，汇总如表1。

表1 传动系统支撑方式深入分析，优点和缺点表

5 结束语

根据传动系统三种支撑结构的特点以及大型机组综合成本，3 MW以上大型机组采用两点式、紧凑单点式支撑方式比较合理。关于其轴承的组合形式，需要考虑轴承供货是否便利，机组的大型化趋势技术的延续性，以及制造装配的易难程度，可以考虑三种支撑方式：两个调心滚子轴承、双列圆锥滚子轴承+圆柱滚子轴承、单个大型双列圆锥回转支撑及大型三排柱式回转支撑。