基于同齿轮箱高度集成一体化理念开发的发电机轴承单元结构

郭晏麟

（中车永济电机有限公司，山西 永济 044502）

随着风电装备制造行业整体低成本、高紧凑的发展趋势，实现风力发电机与齿轮箱的集成化简约设计将是相关制造企业实现可持续发展的必由之路。如何实现发电机与齿轮箱集成连接部位的轴系有效润滑和密封，是研究的主要方向。

轴承密封结构的主要作用是为了阻止灰尘、水、酸气和其他杂物进入轴承，并阻止轴承润滑剂流失。一个结构设计合理、可靠的轴承密封结构对电机的安全运行至关重要。

在风力发电机行业，驱动链设计时，成熟经典的结构是发电机与齿轮箱通过联轴节连接，两者采用各自独立的润滑油路，抑或发电机不含轴承，其定、转子均支撑在齿轮箱端盖上。

齿轮箱内部齿轮啮合传动，齿轮箱太阳轮与发电机输入轴连接传递扭矩，由于齿轮与润滑油及啮合齿轮之间的摩擦，使润滑油温度升高，齿轮箱内气压随之上升，使箱内外压力无法均衡，这时电机轴承内油封处于电机通风的负压区，电机轴承单元油封部位内外压力差，有可能使得润滑油窜入发电机内部，污染电机部件，损坏绕组绝缘，造成电机故障。

1.1 现有技术方案

现有发电机齿轮箱驱动链衔接部位的轴承密封结构基本都是独立的润滑体系，或独立布置在发电机端盖上，抑或独立布置在齿轮箱端盖上。具体密封结构基本都是采用接触式唇形密封圈或外加轴向密封槽迷宫密封结构。

1.2 劣势

1）独立的润滑体系使得驱动链的轴向尺寸变长，重量变重，运输不便，整机成本增加。

2）现有电机轴承密封结构功能较为单一，仅起密封作用；
回油路设计简单，容易造成回油不畅；
且未设置通大气孔，不能有效均衡齿轮箱、发电机及外界大气之间的气压差问题。

2.1 所要解决的技术问题

为解决齿轮箱发电机系统集成化、轻量化、超级紧凑的开发需求，将发电机与齿轮箱衔接部位采用一套共用端盖，并使两者的油路贯通，一体化润滑，通过合理布置共用端盖内部的油路密封结构和回油结构，实现齿轮箱行星架轴承和发电机轴承均得到有效润滑，最终确保轴承单元可靠运行。

2.2 整体设计技术方案

1）为发电机齿轮箱系统设计出一种超级紧凑型、轻量化，且实现齿轮箱与发电机共用润滑油油路的轴承布置密封结构，该结构集发电机轴承和齿轮箱行星架轴承润滑、多重迷宫密封、回油、气压平衡等功能于一体，性能可靠，易于维护，适用范围广。

2）设计一种新型端盖结构，该端盖为齿轮箱和发电机所共用，通过合理布置内部油路结构，结合特殊结构的背靠背TRB 轴承外圈隔套，可同时实现对齿轮箱行星架轴承和发电机双TRB 轴承的有效喷油润滑（具体油量分配以油量分配模拟测试结果为准）。该端盖还设置了三通路回油结构。

3）设计一种新型内斜花键空心轴套结构，该内斜花键与齿轮箱的太阳轮啮合传递扭矩，空心内圆用于安装穿线管及穿线管轴系，通过在空心轴套内部合理布置回油孔，确保穿线管轴承润滑油路的循环。

如图1 所示，发电机轴承润滑结构单元由（发电机和齿轮箱的）共用端盖（含轴承座）、内斜花键空心轴套、前TRB 轴承、轴承外圈隔套、轴承内圈隔套、后TRB 轴承、通大气孔（连接法兰）、轴承外圈压环、轴承盖、定位环、密封环、封环及其他附件（O 形密封圈、圆螺母、紧固件等）组成。端盖上设有来自于齿轮箱的进油通路，并布置了进油油路和三通路回油孔。端盖轴承位与内斜花键空心轴套外圈之间安装有前TRB 轴承、轴承外圈隔套、轴承内圈隔套及后TRB 轴承。内斜花键空心轴套内部设有与齿轮箱太阳轮啮合传递扭矩的内斜花键及太阳轮轴向定位台，还布置了齿轮箱穿线管轴承回油路。在端盖尾部设计了由轴承外圈压环、轴承盖、定位环、密封环、封环组合成的四道泄油回路将润滑油循环至齿轮箱内部，同时形成了四道迷宫密封。最后，连接在内斜花键空心轴套尾部的连接法兰上设置了通大气孔，同时附加了两道径向迷宫密封。

2.3 设计方案的技术亮点

1）发电机和齿轮箱的共用端盖（含轴承座）：如图1 所示，该端盖两端各设置有一个止口，左侧与齿轮箱的齿圈连接，右侧与发电机的定子连接，实现驱动链的紧凑布置。通过合理布置内部油路结构，结合特殊结构的背靠背TRB 轴承及轴承外圈隔套，可同时实现对齿轮箱行星架轴承和发电机双TRB 轴承的有效喷油润滑。在端盖下部还设置了三通路回油结构（见图2）。

图1 发电机轴承单元整体布置结构

图2 三通路回油斜孔在共用端盖上的布置

如图3 所示，在端盖内圆左侧设有“轴承油腔挡台”，确保润滑系统不工作时，仍然有适量的润滑油保留在轴承油腔中，对轴承起到保护作用。

2）轴承密封、回油结构：如图3、图4 所示，在端盖尾部设计了由轴承外圈压环、轴承盖、定位环、密封环、封环及O 型密封圈组合而成的四道迷宫密封。图4 中的L1尺寸需要根据相关零件实际尺寸配磨从而保证双TRB 轴承的安装游隙；
L2尺寸是对轴承外圈压环进行长度配磨，保证端盖尾部端面与轴承盖止口端面之间的缝隙≤0.03，实现油路可靠密封。

图3 发电机第二、三、四道回油路、密封结构及齿轮箱穿线管轴承回油路

图4 四道迷宫密封结构及轴承单元配做尺寸

如图3 所示，在端盖尾部同时设计了四道回油路，将流经轴承以及窜入迷宫的润滑油循环回齿轮箱内。如图5、图6 所示，第一道回油路对轴承外圈隔套的回油槽高度尺寸进行了控制，通过最低油位线有效保证了TRB 轴承的滚子1/2 可以浸润在润滑油中。如第25 页图3 所示，第二、三、四道回油路可将窜入迷宫的润滑油返回至齿箱中，迷宫越靠后，窜入的油量越小。

图6 轴承外圈压环油位

3）通大气孔结构：如第25 页图1 所示，在连接法兰上设有通大气孔，用于均衡齿轮箱、发电机及外界大气之间的气压差问题，防止润滑油窜入发电机内部，污染电机部件，损坏绕组绝缘。

4）内斜花键空心轴套：如第25 页图3 所示，该内斜花键与齿轮箱的太阳轮啮合传递扭矩，空心内圆用于安装穿线管及穿线管轴系，通过在空心轴套内部合理布置回油孔，确保穿线管轴承润滑油路的循环。

本技术方案经试验测试（轴承单元7°倾角通油试验和驱动链负载试验）和实际风场运用考核，达到预期设计目标。可以充分满足大兆瓦风力发电领域驱动链集成化、轻量化、超级紧凑的开发需求，实现齿轮箱轴承和发电机轴承的充分润滑和有效密封，最终提升整个机组的运行可靠性并达到降本增效的目的。