Підшипник вала великої вітрової турбіни на низькій швидкості - ковзання замість кочення

У цьому звіті представлено заміну традиційних підшипників кочення (сферичних роликових підшипників SRB / дворядних конічних роликових підшипників TRB) у великих головних валах вітрових турбін (швидкість 10–30 об/хв) на підшипники ковзання. Підшипники кочення покладаються на точковий/лінійний контакт, тоді як підшипники ковзання використовують гідродинамічну масляну плівку між цапфою та опорними накладками для передачі навантаження поверхневого контакту.

'Ковзання замість кочення' — це детермінована тенденція, зумовлена ​​масштабуванням вітрових турбін, зниженням витрат і вимогами до надійності. Цей перехід уже є зрілим для коробок передач і починає масове виробництво (ZF поставила понад 3000 одиниць, NGC 12000+, підшипники ковзання власної розробки Envision перевищили 1000 одиниць без жодних відмов). Головний вал (низькошвидкісний вал) є наступним рубежем – у 2021 році компанія Goldwind встановила перший у світі прототип розсувного головного вала, і галузь переходить від перевірки прототипів до дрібносерійного виробництва. Теоретичний коефіцієнт заміни головних валів може досягати 100%, а глобальний ринковий потенціал перевищує 20 мільярдів юанів.

1. Типова конфігурація системи

Роздільна втулка радіального підшипника (наприклад, конструкція з 9 колодками) навколо цапфи, кожну можна замінити окремо.

Упорні колодки (наприклад, конструкція з 6 колодками) для перенесення осьових навантажень.

Система примусового змащення: циркуляція масла, охолодження, фільтрація, лабіринтові ущільнення.

Нахильна накладка/сегментована структура для пристосування до відхилення та зміщення валу.

Типові параметри дослідницького інституту Шанхайського університету Цзяо Тонг у Чунціні: низька швидкість <0,1 м/с, велике навантаження >15 МПа, частий пуск-зупинка, термін служби 20 років.

2. Три вузькі місця підшипників кочення під час масштабування

В даний час вітрові турбіни стають великомасштабними і надпотужними. Мегаватна технологія офшорних вітрових турбін постійно вдосконалюється, що, у свою чергу, змушує замінювати технології.

1. Вузьке місце розміру: на суші >15 МВт, на морі >20 МВт – діаметр доріжки кочення підшипників кочення головного вала наближається до виробничих обмежень.

2. Вузьке місце відмови: білі тріщини травлення (WEC) і електричні ямки стали звичайними видами відмови; Статистика NREL показує, що несправності підшипників кочення становлять понад 67% несправностей коробки передач.

3. Вартість і вузьке місце локалізації: рівень локалізації підшипників головного вала становить лише близько 35%, підшипники коробки передач майже всі імпортні – критична «точка задушення».

Від 1 МВт до 10 МВт згинальний момент головного вала збільшується приблизно в 25 разів, значно перевищуючи зростання тяги (приблизно в 11 разів) – умови, в яких переважає згинальний момент, є саме тим, де контакт поверхні підшипника ковзання переважає.

3. Переваги підшипників ковзання перед підшипниками кочення

• Вартість закупівлі зменшилася на ~30%, витрати на експлуатацію та технічне обслуговування на ~60%, зниження загальної вартості турбіни на ~6,5% (CICC); зниження витрат протягом життєвого циклу ~4,5% (Guosheng).

• Відсутність тіл кочення, що дозволяє уникнути точкових утворень, WEC та електричних точкових утворень; масляна плівка поглинає вібрацію.

• Сегментовані колодки дозволяють замінити одну колодку у верхній частині вежі – для заміни корінних підшипників у морських умовах потрібен кран із щоденною орендною платою ~250 000 доларів США; Goldwind стверджує, що витрати на експлуатацію та технічне обслуговування скорочуються >60%.

4.Прогрес OEM і ланцюга поставок

4.1 Вітчизняні OEM

OEM	Прогрес
Goldwind	Жовтень 2021 р. — перший у світі прототип основного підшипника ковзання, підключений до мережі та з повним навантаженням у Дабанчен, Сіньцзян (напівпрямий привід 4 МВт, щільність навантаження +20%, вартість обслуговування -60%); Офшорна установка потужністю 16 МВт, зарезервована з рухомим/розсувним універсальним інтерфейсом; побудований випробувальний стенд із повним ступенем свободи потужністю 6 МВт.
Уявіть собі	Глобальний еталон для підшипників ковзання коробки передач: перша коробка передач з підшипниками ковзання потужністю 3,3 МВт у 2021 році, загальна кількість установок перевищила 1000 одиниць із нульовими відмовами за 5 років; нові агрегати матимуть >90% підшипників ковзання; Модель Z Pro 2025 року (14-18 МВт), оснащена підшипниками ковзання власної розробки, планує розширити її до підшипників головного вала/генератора.
інші	Electric Wind Power придбала радіальні + упорні підшипники ковзання Chongde; Перевірка прототипу CSSC Haizhuang 6,25 МВт, Harbin Electric 2 МВт.

4.2 Постачальники підшипників:

SUND: № 1 у Китаї (№ 6 у всьому світі) для гідродинамічних підшипників ковзання; дизайн і випробувальний стенд сертифікований DNV-GL; перша повністю автоматична лінія виробництва лазерного покриття; Планетарні підшипники ковзання 16 МВт у дрібносерійних випробуваннях; Дохід від підшипників ковзання вітру в 2023 році +275%, очікується, що він подвоїться в 2025 році; SKF має 6,96% акцій і співпрацює з «ковзанням замість кочення»; Дохід у 2025 році склав 619 мільйонів юанів (+19,5%), 1 квартал 2026 року – 162 мільйони юанів (+34,6%).

Shenke: перша зареєстрована компанія для товстостінних підшипників ковзання, постачає Goldwind і Mingyang; заснувати дочірню компанію офшорних вітряків у 2025 році; держгрупа придбала контрольний пакет на початку 2026 року.

Підшипник Chang S Heng: завершено випробування підшипників ковзання редуктора з напівпрямим приводом потужністю 6 МВт, доставлено для польових випробувань.

Shuangfei: масове виробництво надвеликих підшипників ковзання коробки передач; Jinlei завершив доставку зразків.

Міжнародні: Miba (масове виробництво з 2019 року, розширення потужності, заявлена ​​потужність 20 МВт), Winergy, RENK, Kingsbury, Waukesha, GGB тощо.

5. Графік усиновлення

Основними цілями для підшипників ковзання головного вала є агрегати з подвійним живленням і напівпрямим приводом/середньошвидкісними постійними магнітами; агрегати з прямим приводом мають надзвичайно низьку швидкість і великий діаметр, що ускладнює створення масляної плівки з найменшим прогресом.

Поточні основні технічні проблеми : накопичення масляної плівки на дуже низьких швидкостях (<0,2 м/с), знос при старт-стоп і компроміс розміру/ваги для великих колодок. У міру того, як турбіни рухаються до більшої МВт і глибшої води, підшипник головного вала стикається зі зростаючим контактним напруженням, обмеженнями втомного ресурсу та високими витратами на експлуатацію та технічне обслуговування. 'Ковзання замість кочення' – використання великих підшипників ковзання замість традиційних підшипників кочення – забезпечує розподіл навантаження масляної плівки, рівномірний розподіл напруги, стійкість до ударів, компактну конструкцію та кращу вартість життєвого циклу, стаючи ключовим напрямком дослідження технології головного вала наступного покоління.

Наша компанія має багаторічний досвід у великих підшипники ковзання з повним набором можливостей від вибору матеріалу, структурного проектування, моделювання мастила, точного виробництва до випробувань і валідації. Ми застосовували нашу продукцію у важкому обладнанні, суднобудуванні, металургії та інших умовах високого навантаження, накопичуючи багатий інженерний досвід. Що стосується підшипників ковзання головного вала вітру, що розвивається, ми з нетерпінням чекаємо на співпрацю з виробниками комплектного обладнання, аналогами з підшипників і дослідницькими установами – спільно просуваючи технічну здійсненність, випробування прототипів і польову валідацію – щоб сприяти інноваційним рішенням для зниження витрат, підвищення ефективності та підвищення надійності у вітроенергетичній галузі.