大型风机核心零件的设计和制造

作者:刘作辉 万保库 文章来源:华锐风电科技(集团)股份有限公司科技研发部 发布时间:2013-04-08
风电行业经过一年多的调整期复苏迹象已经显现,风电整机厂商的订单正在上升,国家电网也表示,在十二五期间,并网问题会得到解决,中国风电市场回暖已成定局.

风电行业经过一年多的调整期复苏迹象已经显现,风电整机厂商的订单正在上升,国家电网也表示,在“十二五”期间,并网问题会得到解决,中国风电市场回暖已成定局。根据中国的规划,到2020年,风电的装机容量是200GW,电能结构中风电占5%,这说明中国的风电市场还有巨大的发展空间,也是我国风电企业生存的根本。

随着近年风电场的大力开发,风电场已逐渐从陆上较好风区发展到偏远山区,同时国内外也陆续开发海上风电场,风电机组长期处于无人值守状态,风电机组设计寿命至少为20年,这对风电机组的质量和可靠性提出了很高的要求。在设计阶段通过采用寿命计算、部件冗余设计及运行监测等方法,在制造和装配阶段,采取提高部件和装配质量、进行部件和整机测试等手段,提高机组的质量和可靠性,保证机组在寿命期内的稳定运行。

风电机组的整体设计概述

风电机组的研发涉及叶片设计、载荷计算、传动系统、电气系统、控制系统和支撑结构的设计,专业涵盖空气动力学、数值分析、机械、液压、电气、控制、软件开发、建筑工程、海洋工程等,设计内容包括确定风电机组总体技术参数、叶片设计和载荷计算、传动链的设计、变桨和偏航系统设计、电气系统、控制系统、塔筒和基础设计等。其中叶轮直径、机组布置、传动链、载荷计算、关键部件的研发是设计的关键环节。

为提高发电效率和市场竞争能力,各厂家纷纷推出大叶轮直径的风电机组。在机组布置方面,不同的厂家采用的方案也不尽相同。Gamesa和Vestas风电机组的集成度较高,将变频器、变压器等均放在机舱内,优点体现在电缆布置及控制的实时响应速度方面。考虑到维护的便利性,很多厂家将变压器、变频器放在塔筒底部。

传动链分为直驱、高速和半直驱三种。对于6MW以下机组,高速传动仍是主流机型。高速双馈机组因其技术成熟、性价比高等优点,目前仍被广泛应用。直驱机组采用全功率变频技术,在并网方面具有一定的优势,但在成本及重量方面存在一定的局限性。近年来,在大型机组的设计中,将高速传动和直驱技术相融合的半直驱机组成为了新的发展方向,该方案降低了齿轮箱和发电机的研制难度,但二者如何连接,成为传动链研制的难点。

如何优化机组的设计载荷,是机组零部件设计的关键。大叶轮直径通过采用独立变桨技术,增加塔筒和叶片的阻尼,采取柔性塔筒设计等方式,均能有效降低机组载荷。另外在机组上安装雷达测风装置,实时跟踪和检测来流风速、湍流等参数,也能够有效降低大型机组的载荷。

风电机组功率等级的逐渐提高,增加了机组主要零部件如叶片、齿轮箱、发电机、轴承的研制难度。对于超大型风电机组,采用箱载荷分流技术,传动链多输出、发电机多绕组等设计方法,将成为部件的研究方向。

核心零件的制造

轮毂、机舱底座、主轴、轴承是风电机组主要的承载部件,轮毂通常为铸造件,机舱底座一般是铸造或焊接件,主轴为铸造和锻造件,轴承是锻件,其制造工艺较为复杂。

1. 轮毂

为增加叶片叶尖与塔筒间的净空,轮毂与叶片根部连接的叶片法兰面一般设计成斜面,其加工通常是以主轴法兰面为基准的,这增加了轮毂的加工难度。目前厂家的解决方案是调整机床的工作台,使其倾斜一定角度,这样就能实现一次装夹加工3个斜叶片法兰面,避免使用多自由度高精机床。使用钻模加工法兰面孔,以保证加工精度,提供加工效率。使用的设备有立车、CNC镗床、摇臂钻床等机床设备。

轮毂需经过超声波、射线透照、磁粉、渗液等无损检测,以确保轮毂的铸造质量,避免影响其性能和寿命的缺陷存在。

2. 机舱底座

机舱底座有焊接和铸造两种。焊接机舱底座采用钢板折弯、焊接制造,生产周期短,成本较低。铸造机舱底座一般为球墨铸铁材料,需要开发铸造模具,成本较高,但铸造质量好,并且球墨铸铁具有一定的抗机械冲击能力及减振、抗疲劳性能。焊接机舱底座见图2,铸造机舱底座见图3。

对于焊接机舱底座,其焊接工艺和质量要求极为严格,除焊接后要求进行无损探伤外,还要采用退火时效处理等方式,消除焊接应力,以提高机舱底座的疲劳寿命。大功率机组机舱底座的重量较大,通常需要采用多包浇注,6MW机舱底座需要3个30t铁水包共同浇注。

机舱底座是主轴、主轴承、偏航回转装置的安装和承载部件,制造精度要求高。机舱底座的主要加工面是偏航轴承法兰面,主轴承安装面,发电机支架法兰面,通常使用CNC镗床、摇臂钻床等机床设备加工。

铸造机舱底座也需进行超声波、射线透照、磁粉、渗液等无损检测,以确保机舱底座的铸造质量,避免影响其性能和寿命的缺陷存在。

3. 主轴

风电机组的主轴有锻造和铸造两种。锻造主轴一般是中碳合金钢,材料性能好,大多采用自由锻造。铸造主轴一般是球墨铸铁材料,需要开模具,由于材料机械性能较锻件低,故直径较大,为降低重量,通常采用中空的结构形式(图4)。

主轴锻造晶粒度要求达到6级,按照V级锻件验收。采用的锻造机吨位较大,2MW主轴就采用了3150t的水压机。主轴加工面主要是轴身,轴承安装面,法兰端面,使用数控车镗床。

无论铸造还是锻造主轴均需进行超声波、射线透照、磁粉、渗液等无损检测,以确保主轴的铸造质量,避免影响其性能和寿命的缺陷存在。
整机装配

变桨轴承和偏航轴承的装配基本相同,通过定位孔将轴承安装在机组上,采用高强度螺栓连接。变桨驱动和偏航驱动的装配也是相同的,根据啮合齿轮的侧隙要求调整驱动装置的安装位置,偏航驱动装置较多,需要逐一调整。

主轴装置包括主轴、主轴承及轴承座。一般情况下,轴承是有预紧量要求的。轴承与主轴及轴承座需要匹配,确保轴承具有适当的预紧量。

主轴承一般采用热装,需要根据主轴承的质量、尺寸、材料属性、过盈量等因素确定加热温度及时间。此外,主轴承在安装过程中,随着主轴承温度的逐渐降低,还要多次夹紧轴承压紧装置,确保主轴承在冷却收缩过程中的预紧量。

齿轮箱通常采用涨紧套或高强螺栓与主轴刚性连接,为减少传动链的振动,在齿轮箱两侧设置有减振装置。发电机需要与齿轮箱进行对中,发电机、联轴器的装配通过人工调整。在装配发电机和联轴器时,需要使用对中仪反复调整发电机的安装位置,保证联轴器的装配精度,确保风电机组运行的可靠性。

风电机组的测试包括部件测试和整机测试。叶片的静态和疲劳测试,变桨轴承、主轴承的加载测试,齿轮箱的加载测试,发电机的发电测试是在厂家完成的。整机测试主要是进行变桨系统的测试、轮毂与机舱的通讯及整机的发电测试。通过提高零部件制造和机组装配质量,以及进行风电机组的部件和整机测试,将明显提高风电机组的质量和运行稳定性,减少机组的故障率,保证机组长期运行。

经过多年的实践,中国大功率风电机组技术、关键零部件核心技术已取得突破进展,华锐风电的5MW、6MW风机率先成功下线,并投入运行,湘电和海装的5MW机组、联合动力的6MW机组也已投入运行,在国家相关部门的支持下,10MW风电机组也进入研发阶段。随着机组功率等级的提高,也将推动叶片、齿轮箱、发电机、轴承等关键零部件的研制,为未来风电机技术发展奠定坚实的基础。

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