Новые задачи для подшипников турбин мощностью 8 МВт

Новые задачи для подшипников турбин мощностью 8 МВт

В Великобритании в рамках проекта Round 3 – парк ветроэнергетических установок мощностью 33 гигаватта – представлено новое поколение морских ветряных турбин.

Автор:
Маттиас Хофманн,
ведущий cпециалист SKF по применению, центр разработок, Швайнфурт, Германия.

Цилиндрические роликовые подшипники Сферические роликоподшипники Конические роликоподшипники Электро-, газо- и водоснабжение

РЕЗЮМЕ

SKF обладает широкими возможностями по производству подшипников для турбин мощностью 8 МВт, которые предназначены для решения именно таких задач. Со временем диапазон различных вариантов трансмиссий будет расширяться. SKF, располагая производственными мощностями по всему миру, является потенциальным партнёром конструкторов, производителей и операторов ветряных турбин. На этих мощностях специалисты SKF работают над созданием новых трансмиссий, от разработки концепции до серийного производства.

Турбины, установленные в новом ветроэнергетическом парке мощностью 33 ГВт, оснащены лопастями ротора, длина которых достигает 90 м, а общая масса ступицы и лопастей составляет приблизительно 220 т. Вылет от ступицы до центра башни довольно большой, что обеспечивает достаточное пространство для изгиба концов лопастей. Задача состоит в том, чтобы разработать максимально лёгкие и компактные трансмиссии и тем самым снизить совокупную стоимость оборудования и монтажа.

SKF производит широкий ассортимент подшипников роторов для различных вариантов трансмиссий с целью обеспечения максимальной эффективности и сокращения эксплуатационных расходов с учётом конструкции турбины.

Сферические роликоподшипники в турбинах с редуктором
Подшипниковые системы, состоящие из тороидального роликоподшипника CARB и сферического роликоподшипника в отдельных корпусах, стали стандартной конфигурацией в турбинах мощностью 5 МВт (рис. 1). Подшипник CARB применяется исключительно в качестве плавающего подшипника. Осевое смещение вала в подшипнике компенсируется за счёт конструкции колец подшипника без бортов. Сферический роликоподшипник меньшего размера, который является фиксирующим подшипником, устанавливается со стороны генератора на требуемом расстоянии от подшипника CARB. Обеспечение внутреннего зазора в подшипниках такого размера потребует в будущем более целостного динамического подхода к проектированию конструкции трансмиссии и может оказаться актуальным, например, для подшипников водила планетарной передачи редуктора, а также монтажных элементов редуктора.

Рис. 1: Подшипниковый узел с плавающим подшипником CARB и фиксирующим сферическим роликоподшипником.

Рис. 1: Подшипниковый узел с плавающим подшипником CARB и фиксирующим сферическим роликоподшипником.

Самоустанавливающиеся подшипники обеспечивают эффективную компенсацию отклонения вала определённой величины, угловой несооснос­ти, а также смещения корпусов обоих подшипников. Ролики в подшипниках CARB обладают способностью к самоустановке, т. е. они всегда занимают положение, в котором нагрузка оптимально распределяется по длине ролика (рис. 2). Даже в случае возникновения перекоса или осевого смещения грузоподъём­ность подшипника остаётся очень высокой.

Подшипниковые системы, состоящие из подшипника CARB и сферического роликоподшипника, обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики, что обуславливает их применение в новых модульных турбинах с редуктором мощностью 8 МВт. В данных установках на полом валу монтируются подшипники CARB с отверстием от 1700 до 1800 мм и сферические роликоподшипники с отверстием от 1200 до 1300 мм. SKF также предлагает следующее поколение подшипников CARB и сферических роликоподшипников с данными размерами. Эти подшипники обладают существенно улучшенными рабочими характеристиками в отношении надёжности, эксплуатационных возможностей и динамической грузоподъёмности. Данные улучшения обусловлены очень высоким качеством стали с повышенной усталостной прочностью, оптимизированной технологией термообработки X-Bite и равномерным распределением нагрузки в подшипнике.

SKF также производит специальные корпуса для подшипников таких размеров. Они предназначены для оптимального распределения нагрузки с учётом рабочих нагрузок и деформации корпусов (рис. 3). Кроме того, в корпусах могут устанавливаться контактные или лабиринтные уплотнения в зависимости от смазывания пластичной смазкой или маслом (конструкция на этапе разработки).

Рис. 2: Распределение напряжений в наиболее нагруженных роликах подшипника CARB C39/1700 и сферического роликоподшипника 240/1320 в случае варианта экстремального нагружения, турбина мощностью 7 МВт.

Рис. 2: Распределение напряжений в наиболее нагруженных роликах подшипника CARB C39/1700 и сферического роликоподшипника 240/1320 в случае варианта экстремального нагружения, турбина мощностью 7 МВт.

Рис. 3: «Гибкая» расчётная модель SKF Bearing Beacon для подшипника CARB C39/1700 и сферического роликоподшипника 240/1320, устанавливаемых в отдельных корпусах, турбина мощностью 7 МВт.

Рис. 3: «Гибкая» расчётная модель SKF Bearing Beacon для подшипника CARB C39/1700 и сферического роликоподшипника 240/1320, устанавливаемых в отдельных корпусах, турбина мощностью 7 МВт.

Жёсткие подшипниковые­ узлы в турбинах с редуктором
Конструкция состоит из цилиндрического роликоподшипника и двухрядного конического роликоподшипника (рис. 4). Такие узлы уже давно и успешно применяются в безредукторных турбинах. Эта конструкция обес­печивает потенциальные преимущества при использовании в качестве подшипникового узла для главного вала даже в турбинах с редуктором мощностью 8 МВт с модульной конструкцией трансмиссии.

Точность изготовления, допус­ки по форме и расположению посадочных мест наружных колец обоих подшипников являются очень строгими по сравнению с конструкцией, где используется самоустанавливающийся подшипник. В данном узле используется длинный общий корпус для обоих подшипников, в котором исполнение посадочных мест для наружных колец подшипников позволяет устранить радиальный перекос (рис. 5).

Инженерное программное обеспечение SKF SimPro Expert позволяет выполнить проверку деформации вала ротора, а также корпусов подшипников, включая проверку опорной конструкции на наличие негативных факторов, действующих на зону нагружения, и перекоса подшипника.

Опыт показывает, что для снижения кромочных напряжений до допустимого уровня необходимо оптимизировать конструкцию корпуса и выполнить профилирование дорожек качения подшипника. Как правило, для турбин мощностью 8 МВт и валов с диаметром более 1700 мм требуются однорядные и двухрядные цилиндрические роликоподшипники с комплектами роликов малого диаметра и сепараторами оптимальной конструкции.

Двухрядный конический роликоподшипник с установкой по Х-образной схеме выполняет роль фиксирующего подшипника с внутренней стороны генератора. Для отверстий большого диаметра (> 1000 мм) также необходимо рассмотреть вариант применения подшипников конструкции TDI (цельное внутреннее кольцо) в качестве возможной альтернативы двум однорядным спаренным коническим роликоподшипникам.

По сравнению с самоустанавливающейся подшипниковой системой с подшипником CARB и сферическим роликоподшипником применение данных жёстких подшипниковых узлов позволяет получить более компактную конструкцию (меньшая длина).

Рис. 4: Подшипниковый узел более компактной конструкции (меньшей длины) с двухрядным цилиндрическим роликоподшипником и двухрядным коническим роликоподшипником.

Рис. 4: Подшипниковый узел более компактной конструкции (меньшей длины) с двухрядным цилиндрическим роликоподшипником и двухрядным коническим роликоподшипником.

Рис. 5: Общий корпус для двухрядного цилиндрического роликоподшипника и двухрядного конического роликоподшипника, турбина мощнос­тью 5 МВт.

Рис. 5: Общий корпус для двухрядного цилиндрического роликоподшипника и двухрядного конического роликоподшипника, турбина мощнос­тью 5 МВт.

Подшипниковый узел с перекрёстной фиксацией, в котором два однорядных конических роликоподшипника устанавливаются по О-образной схеме, также считается «жёсткой» двухточечной опорой в турбинах с редуктором и без редуктора. Применение двух однорядных конических роликоподшипников по индивидуальным требованиям с диаметрами отверстия около 2200 мм, с различными углами давления и различной номинальной грузоподъёмностью, установленных на литом полом валу ротора в цельном корпусе, позволяет получить относительно компактный подшипниковый узел формата XXL для турбины мощностью 8 МВт (рис. 6).

При этом ключевыми факторами в данном случае являются компактность и снижение массы конструкции. Таким образом, ещё на ранних этапах проектирования необходимо произвести анализ всего подшипникового узла в отношении вариантов монтажа, жёсткости, деформаций и влияния на преднатяг обоих конических роликоподшипников. В силу относительно малого расстояния между подшипниками, установленными по О-образной схеме, и большого диаметра колец необходимо принимать во внимание потерю преднатяга с последующим влиянием на ресурс подшипника. Это непростая задача, и для данного подшипникового узла подходящим способом контроля температуры (теплового расширения) подшипников с преднатягом может быть переход на смазывание маслом.

Подшипники SKF Nautilus в турбинах с редуктором
За последние несколько лет были реализованы очень компактные трансмиссии с полуинтегрированными подшипниками SKF Nautilus для турбин мощностью от 2 до 6 МВт с диаметром ротора около 125 м. В таких конструкциях в главной раме в передней части гондолы устанавливается подшипник для восприятия моментных нагрузок (рис. 7). Подшипник обеспечивает оптимальную передачу всех усилий и изгибающих моментов вала ротора на главную раму турбины. Подшипник установлен на коротком валу ротора между ступицей и редуктором.

Рис. 6: Подшипниковый узел с двумя однорядными коническими подшипниками по индивидуальным требованиям, относительно компактный узел формата XXL.

Рис. 6: Подшипниковый узел с двумя однорядными коническими подшипниками по индивидуальным требованиям, относительно компактный узел формата XXL.

Рис. 7: Подшипниковый узел с полуинтегрированным подшипником SKF Nautilus, компактная конструкция трансмиссии.

Рис. 7: Подшипниковый узел с полуинтегрированным подшипником SKF Nautilus, компактная конструкция трансмиссии.

Данный двухрядный коничес­кий роликоподшипник, установленный по О-образной схеме, имеет большой диаметр и создаёт основу для массивного центра давления подшипника, что позволяет компенсировать и передавать большие опрокидывающие моменты. Внутренний угол контакта 45° и относительно небольшой угол конического ролика в вершинной точке обеспечивают полноценный контакт качения с дорожками качения по всей длине роликов без разрушительного проскальзывания. Конструкция с использованием сегментных сепараторов SKF обеспечивает необходимую упругость при больших отклонениях системы в условиях тяжёлого нагружения.

В случае диаметров ротора до 180 м в новой категории турбин мощностью 8 МВт вылет от центра ступицы до центра башни становится ещё больше, что обеспечивает достаточное пространство для изгиба концов лопастей. Это означает, что гондола имеет достаточную длину для установки модульной трансмиссии с двухподшипниковой опорой и фланцевым редуктором. При использовании подшипника SKF Nautilus важно уменьшить вылет ступицы, чтобы максимально сократить расстояние от точки крепления ступицы лопастей до подшипника и расположить центр тяжести редуктора массой от 80 до 110 тонн как можно ближе к центру опоры или позади него.

Это относится и к концепциям гибридной турбины мощностью 8 МВт, в которой вся трансмиссия (подшипник ротора, редуктор и генератор) интегрирована в единый узел. При интеграции подшипника ротора в узел редуктора важно обеспечить, чтобы деформации в подшипнике ротора и сопряжённых конструкциях не оказывали влияние на последующую (планетарную) ступень редуктора. Этим обеспечивается подача чистого крутящего момента на первичный вал ведущей шестерни (номинальной величиной до 10 000 кНм) и отсутствие помех для точного зацепления шестерён.

Подшипники SKF Nautilus в безредукторных приводах
Выбор типов подшипников и их расположение оказывает влияние на общую деформацию и жёсткость трансмиссии, а следовательно, на конструкцию электрогенератора в отношении силы и массы магнита и необходимого воздушного зазора генератора. Уменьшение воздушного зазора генератора всего на 1 мм может привести к значительной экономии и заметному повышению производительности турбины на протяжении всего срока её службы.

В дополнение к концепциям с двумя коническими роликоподшипниками, двухрядным коническим роликоподшипником и цилиндрическим подшипником ротора, изначально собранным на стационарном шкворне, в мире всё большее распространение получает вариант с подшипником, компенсирующим моментные нагрузки (рис. 8). Такой подшипник служит в качест­ве центрального звена между ступицей и низкооборотным генератором, который устанавливается в передней части башни («bug generator»).

Рис. 8: Узел с подшипником SKF Nautilus между ступицей лопас­тей и генератором.

Рис. 8: Узел с подшипником SKF Nautilus между ступицей лопас­тей и генератором.

Исполнения подшипника SKF Nautilus требуют детальной проработки рабочих характеристик подшипника и оптимизации воздушного зазора генератора (эксцентриситет, отклонение, угловая несоосность) с учётом деформации всей конструкции. Дополнительно необходимо учитывать также практические аспекты в отношении доступности для замены уплотнений, а также повторного заполнения пластичной смазкой и удаления старой смазки. Для этого SKF предлагает соответствующие уплотнения большого диаметра в цельном и разъёмном исполнениях.

Для удовлетворения требований стандартов SKF для ветряных установок и сторонних требований DNV-GL к сертификации ветряных турбин требуется очень высокая статическая и динамическая грузоподъёмность подшипников, чтобы обеспечить заявленный срок эксплуатации в 20 лет.

Для турбин мощностью 8 МВт потребуется обеспечить ещё более высокую грузоподъёмность с использованием увеличенных роликов и сечений колец. SKF получает запросы на усовершенствование подшипниковых узлов, включая применение новых уплотнений для смазывания маслом, с учётом физических ограничений.

Рис. 9: Подшипник SKF Nautilus нового поколения.

Рис. 9: Подшипник SKF Nautilus нового поколения.

Материалы по теме