在机舱设备与塔架课件中介绍过主轴、主轴轴承与轮毂,在这里进一步介绍其结构。
风力机主轴就是风轮的轴,风力机的增速齿轮箱与发电机安装在机舱内,风轮通过风力机主轴与齿轮箱联接,主轴不但要传输风轮转动的力矩,还要抗拒风轮的摆动,由硬质不锈钢制作。风力机主轴前端有轮毂联接法兰,尾端联接齿轮箱。主轴轴心有通孔,是变桨机构控制电缆、油路或机械杆的通道,主轴主要有柱状主轴与锥状主轴2种。
为了风力机在安装与检修时锁定风轮不让转动。在主轴轴承座或机座上安装有锁定装置,锁定装置有锁定销,把锁定销插入主轴锁定盘的锁定孔内,就锁定了主轴。大中型风力机的主轴前端都安装有风轮锁定盘,图1是有锁定盘主轴二个方向的视图。
锁定盘可以与主轴同加工成一个整体,也可以是单独制作。图2是单独制作的锁定盘,图(a)是整块的锁定盘,图(b)是几块拼接的锁定盘。单独制作的锁定盘用螺栓安装在主轴前端法兰上。(图片来自网络)
图3是安装在机舱的主轴,主轴从机舱前端伸出,前端是轮毂法兰与锁定盘。左图的锁定盘是完整圆形的,每30度一个锁定孔。右图的锁定盘有3组锁定孔,按120度布置,每组2孔的间距是30度。(图片来自网络)。
一般风力机主轴轴承多为调心滚子轴承,图4为调心滚子轴承外观。
在主轴轴承上经常集成着主轴锁定装置,在锁定装置内有锁定销,图5为有锁定装置的轴承外观。
主轴锁定时,锁定销头插入锁定盘的锁定孔内,卡死主轴不能转动。锁定销较多是液压驱动,也有电机驱动,电机驱动靠螺杆旋转推进。下面介绍液压驱动锁定销。
图6 左上图是锁定销的外观图,锁定销是一种长短可以伸缩的圆柱形装置,把它放入锁定销座内,当锁定销头伸出销座插入锁定盘的锁定孔时,主轴被卡死不能转动。
图6 右下图是锁定销的爆炸图,活塞在锁定销内腔滑动,在活塞外周有密封圈,防止漏油。在缸盖内周也有密封圈,防止液压油外漏。
图7是安装好的锁定销剖视图。右图是锁定销退回状态,液压油从有杆腔油入口进入,充满有杆腔,使锁定销退回。左图是锁定销伸出状态,液压油从无杆腔油入口进入,充满无杆腔,使锁定销伸出,伸出的锁定销头插入锁定盘的锁定孔内,使主轴不能转动。
有杆腔油入口与无杆腔油入口的进出油靠换向阀进行切换。
锁定销座多半集成在主轴轴承上,也有安装在底座上。
由于强风时叶片会向后有较大的弯曲,为防止叶片尖端与塔架碰撞,主轴安装在底座上有一个向上的仰角,一般为5度左右,见图8
主轴轴承有多种布置方式,这里仅介绍有外主轴的轴承布置。
3.2.1 单轴承支承
单轴承支承为悬臂梁结构,主轴仅使用一个轴承支承,后轴承置于齿轮箱内,前支点为刚性支撑,后支点为弹性支撑,与机架固定的主轴承通常使用调心滚子轴承,也称为三点悬吊支承。
单轴承支承是风力发电机组最常用的主轴轴承布置方式,见图9
3.2.2 两点支承布置形式
两点支承布置为挑臂梁结构,主轴由两个轴承支承,两支点均为刚性支撑,通过两轴承间的轴距调心,改善轴承间配合轴段的受力状态。其中两点支撑又分为两种情况:
一种是分别使用两个轴承分开支撑,两轴承可视为独立受力,相互影响不大, 见图10。
另一种是将两个轴承固定在同一个轴承座内,起到两个轴承相互约束的作用,@2 目前超大型风力发电机组采用这种结构,其主轴为大直径空心主轴,两个轴承为一对圆锥滚子轴承,是可承载径向力与轴向力的圆锥调心滚子轴承。图11是这种有整体轴承座的两点支承布置形式。
直驱风力发电机主轴结构完全不同,有双轴承的,有单轴承的,具体介绍见《内转子永磁直驱风力发电机》、《外转子直驱式发电机》与《单轴承直驱风力发电机组》课件。
在单轴承支承的悬臂梁结构,主轴前端由主轴轴承支撑。主轴后端与齿轮箱联结,联结采用胀紧联结套,胀紧联结套简称胀紧套或胀紧式联轴器,是靠摩擦力进行联结的装置。
图12左图是胀紧套的剖视图,主要由外环、内环、螺栓组成。在外环内圆周呈圆锥面;在内环外圆周呈圆锥面,锥度与外环相同,内环的内圆周为柱面。外环与内环用高强度钢材制作,外环内锥面、内环外锥面与内柱面的表面粗糙度要小。当螺栓拧紧,内环深入外环,在锥面力作用下,内环直径缩小。
图12右图是用胀紧套联结主轴与齿轮箱低速轴的剖视图。当螺栓拧紧,胀紧套内环直径缩小,把齿轮箱低速轴内圆周紧压在主轴上,通过主轴与齿轮箱低速轴的摩擦力实现联结。
用胀紧套联结,主轴和齿轮箱低速轴孔的加工不要求高精度的制造公差,两者位置无精确要求,只须将螺栓按要求的力矩拧紧即可。胀紧套拆卸方便,拆卸时将螺栓拧松就可以拆开。
胀紧套在超载时,将失去联结作用,可以保护设备不受损害。
胀紧套具有良好的互换性。
图13是主轴通过胀紧套联结齿轮箱的悬臂梁结构。
轮毂是用来将叶片连接到风轮转轴上的固定部件,承接来自于叶片转动等产生的力与力矩并传递到机舱,在风机运行过程中,轮毂的受力情况较复杂,会不断受随机性载荷、周期性载荷的双重作用。轮毂必须有高强度,重量要轻。在大中型风力发电机组中较多采用球形轮毂,图14是球形轮毂的外观图与剖视图。
右图是外观图,轮毂有联结主轴的法兰,有3个安装变桨轴承的法兰,绕轴线120度分布。
变桨轴承法兰的轴线(叶片轴线)与主轴轴线并不垂直,有个向前倾斜的角度,具体是叶片轴线与主轴垂直平面的夹角,称之为风轮锥角,见图15。锥角的作用是在风轮运行状态下防止叶尖与塔架碰撞,其作用与主轴的仰角相同。风轮锥角根据叶片结构与性能选取。
图16是安装了变桨轴承的轮毂外观图。
图17是安装了变桨驱动电机与变桨控制器的轮毂剖视图。
一个3兆瓦级的风力机轮毂达20吨以上,【@3】,超大型风力发电机轮毂超数十吨重,为减轻轮毂重量要对轮毂进行优化设计,尽量减小体积。这种轮毂以不是球形结构,有些接近三圆柱形轮毂外形。图18是优化后的轮毂示意图。