风力发电机轴承温升的影响因素_孙方圆

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上海大中型电机
2011. No. 3
实物的测量,二是三维模型侧板螺旋面的测量。 4. 1 侧板螺旋面的传统测量手段
利用近似测量的方式进行检测。检测工具是三 棱尺,如图 8 所示。三棱尺的三个点( B、C、D) 与圆 弧面接触,三棱尺沿侧板与圆弧面相交的一条线在 圆弧面上滑动,如果点 A、B 到螺旋面的距离差值小 于 0. 05 mm,说明螺旋面合格,如果两距离差值大于 0. 05mm 说明不合格,需要重新修正螺旋面,如图 9 所示。
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图 8 三棱尺模型
5 结语
图 10 模拟检验图
定子线圈模具数控机床加工工艺的实施,缩短 了线模的生产周期,大大降低了钳床工作人员的工 作量和劳动强度,缩短了生产周期,提高了线圈模具 精度。为进一步推广应用数控加工技术提供了更多 的技术解决方案。
参考文献
[1] 刘军,吴勤,李克非. 核能汽轮发电机定子线圈模具数控加工工 艺研究[J]. 东方电机,2009( 3) .
( 1) 转子温升对轴承的影响 如图 1 所示,轴承与轴采用的是公差配合。发 电机在运行过程中,电机内部产生了定转子铜耗、铁 耗、机械损耗及附加损耗等等各种损耗,使发电机部 件温度升高。其中,铜耗和铁耗是影响转子温升的 主要因素。 轴的材料为钢,导热能力较强,转子温升也随着 轴的导热扩散出去。当热量扩散到轴的轴承档的时 候,一部分 热 量 进 入 了 轴 承,促 使 轴 承 温 升 有 所 上 升,给轴承的温升带来了一定的影响。
可以看出在相同条件下,流速增加时,散热系数
增加,温升小。
根据热流密度定义,
q
=
Q A
( 5 - 3)
Q———单位时间内通过等温面的总热量,即热流量;
A———等温面的面积。
可以看出在相同条件下,等温面增加时,热流密 度减小,温升小。
以图 1 和图 3 为例。 图 1 结构的散热原理源于牛顿散热定律。根据 式( 5 - 1) 和式( 5 - 2) ,通过空气流动,增加轴承表 面的散热系数,带走轴承内盖散发的热量,降低轴承 与周围空气的温差。这种结构的缺点在于,发电机 轴承外盖散发的热量通过自然散热方法来解决,散 热效率低; 内部流经轴承的空气大多为从转子带走 热量的空气,温 度 较 高,能 带 走 轴 承 表 面 的 热 量 有 限。设计时,应尽可能将冷空气流经散热表面带走 热量,提高空气流动速度。 与图 1 的结构相比,图 3 的结构是在端盖上增 加了 散 热 筋,加 大 了 端 盖 的 散 热 面 积。 根 据 式 ( 5 - 3) 得出,增加散热筋的端盖的散热效果将明显 提高,提高了轴承外盖的散热效率。理想的散热片 是应直接安放在散热体上,但是轴承结构的原因,可 以安放散热片且距离轴承最近的部件就是端盖。这 种结构的缺点在于,增加了端盖的重量以及加工难 度; 同时,轴承的热量扩散到端盖是有一定的距离 的,达到散热效果需要一定的延时,且散热效率低。 ( 6) 轴承油脂对轴承温升的影响 轴承油脂对轴承温升影响取决于许多因素——— 油脂的类型、油脂用量、轴承结构等等。 风力发电机进行油脂的类型选择时,使用环境 是考虑的一个重要因素。相对其他类型电机来说, 风力发电机常安装于沙漠、高山、海边等风量较大的 地带,使 用 环 境 比 较 恶 劣。环 境 温 度 最 低 达 到 - 40℃ 以下,最高可达到 + 55℃ 以上。目前市场上风 力发电机所用的油脂有克鲁勃、壳牌等几个品牌的 不同型号。选择油脂类型时需谨慎选择。 油脂类型选定后,油脂的用量对轴承温升的影 响是十分明显的。油脂的用量过大,会增大润滑剂 的阻力,引起轴承的温升上升。就滚动轴承而言,润 滑脂填充量一般不超过内部空间的 2 /3 左右。当 然,油脂也不易过少。油脂用量过少,会引起滚动体 摩擦损耗增大,引起发热,严重者损坏轴承。 此外,润滑脂不能使用过长时间,应按时更换。
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上海大中型电机
2011. No. 3
这部分影响无法消除,只能减弱。唯一减弱方 法,就是减小转子的温升,以此来减小进入轴承的热 量。提取 2 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 据如表 1 所示。
表 1 发电机损耗与轴承温度
电机
铁耗 / kW
甲发电机 12 乙发电机 13
图 9 检验图
櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥
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双馈式绕线发电机市场上普遍以 90℃ 设为报警
风力发电机位于高空运行,更换油脂不方便。因此,多 温 度 ,95 ℃ 设 为 关 断 温 度 。 可 见 ,轴 承 的 温 升 是
数制造厂家采用安装自动注油泵的方法,自动注油。
需要严格控制的。以上提到的几点因素是笔者
3 结语
自 身 总 结 出 来 的 ,希 望 可 以 找 到 更 好 的 解 决 轴 承 温 升 的 方 法 ,更 有 效 的 提 高 风 力 发 电 机 的 质
轴 承 温 升 是 发 电 机 考 核 的 一 个 指 标 ,对 于 量 。
铜耗 / 转子 前轴承 后轴承 kW 温升 / K 温度 / ℃ 温度 / ℃
23
46
74. 5
62. 3
25
55
78. 0
65. 0
通过对比 2 台电机的试验数据可以看出,转子 温升高时,轴承的温度高; 转子温升低,轴承的温度 低。
( 2) 轴承基本结构对轴承温升的影响 6330 / C3 的结构如图 2 所示,图中结构和尺寸 来源于某轴承品牌样本。
2011. No. 3
风力发电机轴承温升的影响因素
风力发电机轴承温升的影响因素
孙方圆
( 上海交通大学电子信息与电气工程学院; 上海电机厂有限公司,上海 200240)
摘 要: 随着风力发电机投入运行量越来越多,各种弊端逐日显现。轴承温升过高作为最为严重的通 病之一,逐渐受到人们的重视。本文阐述风力发电机的轴承结构,根据轴承结构分析了影响轴承温升的 因素,如转子温升、轴承基本结构、轴承套尺寸、轴承室结构、轴承散热结构和润滑脂等。从上述几个影 响因素出发,探讨产生影响的原因以及解决方法。
图 3 轴承散热片图
根据牛顿散热定律,
q = α·Δτ
( 5 - 1)
q———热流密度;
α———散热系数;
Δτ———温差。
空气作为冷却介质时,可近似认为散热系数公
式为:
α = α0 ( 1 + k 槡ν)
α0 ———发热表面在平静空气中的散热系数; ν———空气吹拂表面的速度;
( 5 - 2)
k———气流吹拂效率的系数。
关键词: 风力发电机; 轴承; 温升
0 引言
风电是 可 再 生、无 污 染 的 能 源,大 力 发 展 清 洁能源是我国目 前 的 战 略 选 择。目 前,风 力 发 电 机类型有绕线式双 馈 异 步 发 电 机 型、直 驱 和 半 直 驱同步发电机型等。绕线式双馈异步风力发电 机目前在风电市场的占有主导地位。从容量上 来看,分为 1 . 25 、1 . 5 、1 . 7 、2 、2 . 3 、2 . 5 、3 MW 以 及 3 . 6 MW 等。 从 辅 助 功 能 来 看,有 防 盐 雾 型、 低温型、高 原 型 等; 从 冷 却 方 式 来 看,有 空 空 冷 却、空水冷却、水套冷 却 等。当 前,风 力 发 电 机 轴 承 温 升 过 高,是 市 场 上 风 力 发 电 机 的 一 个 通 病。 笔者着重探讨影响绕线式双馈异步风力发电机 轴承温升的因素。
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对于这部分影响的改善方法,可以尝试采用 C4 的轴承。C4 的游隙大于 C3 游隙,可以减缓因游隙 过小而产生的热量。
( 3) 轴承套对轴承温升的影响 轴承套对轴承温升的影响,主要是指轴承套内 径公差对轴承温升的影响。滚动轴承内圈与轴的配 合采用基 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,轴承产生摩擦热量。根 据热胀冷缩原理,这些热量产生会导致轴承的膨胀。 当轴承套采用紧配合时,轴承膨胀的空间有限,不能 够完全的膨胀,导致热量留在轴承里面不能散去,引 起温升 上 升。 因 此,应 增 加 留 给 轴 承 膨 胀 的 空 间。 但是,轴承内圈是个旋转体,轴承套的一个作用就是 固定轴承外圈的垂直方向,防止轴承垂直方向的跳 动。因此,轴承套与轴承的配合越紧密越好。这与 前面提到的预留轴承热膨胀的空间越大越好恰恰相 矛盾。设计时,对轴承套公差的选取是个矛盾的过 程。 这部分影响的改善方法,是适当放大轴承套内 径的公差,放大轴承膨胀的空间。但是放大要适度, 不易过大。 ( 4) 轴承室结构对轴承温升的影响 如图 1 所示。轴承外面有一个轴承套,前后各 有一个轴承内盖和轴承外盖。轴承内盖、轴承外盖 与轴承套是止口配合的。这三个部件与轴围成了一 个空间,里面便是轴承。这部分的影响主要是分析 轴向的轴承内盖和轴承外盖之间留给轴承的间隙对 轴承温升的影响。轴承内盖止口到轴承外盖止口之 间的距离与轴承宽度之间的大小因发电机制造厂家 不同而不同。这个空间对轴承的影响与第( 3) 点因 素的影响大体相同。轴承有热量时,不但在垂直方 向要膨胀,同样在轴向也要膨胀。这个几毫米的空 间就是用来给轴承热胀冷缩的空间。如果留有的空 间有限,就会导致热量不能随膨胀消散,留在轴承上 引起温升的上升。因此留的空间越大越好。同样, 轴承内盖、轴承外盖的作用是固定轴承轴向位置,用 来防止轴向串动的。因此,他们与轴承的配合越紧 密作用越明显。与前面所说的预留热膨胀空间同样 也是相矛盾的。设计时,对预留空间的选取同样也
图 2 轴承基本结构图
6330 / C3 轴承是球面滚子推力轴承,其自动调 心能力较强。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。游隙大小对轴承包括 寿命、振动、噪声和温升等有一定的影响。发电机运 行过程中,轴 承 将 同 时 受 到 轴 向 负 荷 和 径 向 负 荷。 游隙过小可能引起内部负荷过大,产生热量,增加轴 承温度; 游隙较大时,可降低摩擦力矩,减小内外圈 的温差,增加热量的传递,减小轴承的温度。
图 1 轴承安装图
1 轴承结构
2 影响轴承温升的因素
轴承是风力发电机的关键部件之一。轴承温升 过高,会严重影响轴承的寿命,甚至烧坏轴承。风力 发电机位于高空运行,机舱内空间狭小,更换轴承是 一件十分困难的事情。因此,如何延长或保证轴承 的使用寿 命,是 制 造 厂 和 运 营 商 最 为 关 心 的 事 情。 目前,市场上多数发电机制造厂使用的轴承型号为 6330 / C3。风力发电机的轴承安装结构因生产厂家 不同而不同。多数厂家采用图 1 所示结构。下面就 图 1 的轴承安装结构,对影响轴承温升的几个因素 进行分析。
4. 2 三维模型侧板螺旋面的测量 利用软件模拟 侧 板 螺 旋 面 的 测 量 过 程,如 图
10 所示。根据模拟距离差值的大小,不断的修正 螺旋面以达到 三 棱 尺 点 A、B 到 螺 旋 面 距 离 的 差 值小于 0 . 05 mm,这样就 保 证 了 加 工 后 的 螺 旋 面 能完全符合三棱尺 检 验 的 通 过,顺 利 通 过 模 具 验 收。
2011. No. 3
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风力发电机轴承温升的影响因素
是个矛盾的过程。 这部分影响的改善方法,是适当的放大轴承内
盖止口和轴承外盖止口之间的距离,即增大留给轴 承热膨胀的空间。但是,放大要适度,不易过大。
( 5) 轴承散热结构对轴承温升的影响 为了减少轴承的温升,很多发电机制造厂家都 为轴承设计了散热结构。如图所示:
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