Temperature Field Analysis of Main Bearings in Wind Turbines Based on Thermal Network Method

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.018

Abstract

Abstract:

Based on thermal network method，a bearing temperature field analysis method was established to address the heating and temperature rise problems of the main bearings in wind turbine with a three-row cylindrical roller structure. By slicing the rollers of the bearings， a force balance equation system of the bearings was established by using deformation coordination conditions， the roller slice loads were obtained by solving the equation systems. The sliding motions between the roller slices and the raceway surfaces were also analyzed. Then， based on the load actions and relative sliding motions between the bearing parts， the heat generation powers of the friction heat source at the contact positions of the rollers， raceways， retainers and sealing rings were obtained. Finally， according to the friction heating positions and specific internal structures of the bearings， the thermal network method was used to set up the internal network nodes of the bearings， and the thermal network balance equation system of the bearings was established. For a specific the main bearing in a 2.0 MW wind turbine， the effects of lubrication viscosity， axial clearance， roller number and rotational speed on bearing temperature were solved and analyzed.

Key words: wind turbine, main bearing, three-row cylindrical roller, thermal network, temperature field

摘要：

针对结构型式为三排圆柱滚子的风电机组主轴承的发热温升问题，建立了一种基于热网络法的轴承温度场分析方法。通过对轴承滚子进行切片处理，利用变形协调条件建立轴承的受力平衡方程组，求解得到滚子切片载荷，并对滚子切片与滚道表面之间的滑动运动进行分析；然后，根据轴承零件之间的载荷作用和相对滑动运动，得到滚子、滚道、保持架和密封圈相互接触部位的摩擦热源发热功率；最后，根据轴承的摩擦发热部位及内部具体结构，采用热网络法设置轴承内部的网络节点，并建立轴承的热网络平衡方程组。针对具体的2.0 WM风电机组主轴承，求解分析了润滑黏度、轴向游隙、滚子数量及转速对轴承温度的影响。

关键词: 风电机组, 主轴承, 三排圆柱滚子, 热网络, 温度场

CLC Number:

TH122

Yunfeng LI, Jincheng LI, Zhidan ZHONG. Temperature Field Analysis of Main Bearings in Wind Turbines Based on Thermal Network Method[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(11): 2624-2632.

李云峰, 李金成, 仲志丹. 基于热网络法的风电机组主轴承温度场分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2624-2632.

Figures/Tables 15

Fig.1 Main bearing of wind turbine with three-row cylindrical roller

Fig.2 Roller-raceway relative sliding

Fig.3 Layout diagram of bearing temperature nodes

Fig.4 Thermal network model of bearing

Tab.1 Structural parameters of main bearing

滚子类型

分布圆

直径/ $m m$

滚子

直径/ $m m$

滚子

长度/ $m m$

Tab.1 Structural parameters of main bearing

滚子类型

分布圆

直径/ $m m$

滚子

直径/ $m m$

滚子

长度/ $m m$

滚子数量

上风向滚子

2040

116

下风向滚子

2050

116

径向滚子

2156

170

Fig.5 Temperature distribution of bearing temperature nodes（℃）

Fig.6 Finite element mesh model

Fig.7 Finite element analysis results of temperature field

Tab.2 Comparison of calculated results between thermal network method and finite element method

位置	温度值/℃		误差/%
位置	热网络法	有限元法	误差/%
上风向滚子中心	78.2	80.2	2.5
下风向滚子中心	76.2	76.1	0.1
径向滚子中心	72.4	74.7	3.2
上风向内滚道	77.5	79.9	3.1
下风向内滚道	76.9	77.4	0.7
径向内滚道	75.1	77.2	2.8
外圈外表面	68.3	70.8	3.7
内圈外表面	76.4	74.1	3.0

Fig.8 Monitoring curve of bearing temperature

Fig.9 Frequency distribution of bearing temperature

Fig.10 Effect of lubricant viscosity on temperature

Fig.11 Effect of axial clearance on temperature

Fig.12 Effect of roller number on temperature

Fig.13 Effect of rotational speed on temperature

References 23

[1]	Global Wind Energy Council. Global Wind Report 2024［EB/OL］.（2024-04-16）［2024-05-23］..
[2]	LIU Zepeng， ZHANG Long. A Review of Failure Modes， Condition Monitoring and Fault Diagnosis Methods for Large-scale Wind Turbine Bearings［J］. Measurement， 2020， 149： 107002.
[3]	刘杰，蒋树旗. 基于LSTNet网络的风电机组发电机主轴承温度预测研究［J］. 传感技术学报， 2022， 35（7）： 945-951.
	LIU Jie， JIANG Shuqi. Temperature Prediction of Main Bearing of Wind Turbine Generator Based on LSTNet［J］. Chinese Journal of Sensors and Actuators， 2022， 35（7）： 945-951.
[4]	尹诗，侯国莲，胡晓东，等. 基于AC-GAN数据重构的风电机组主轴承温度监测方法［J］. 智能系统学报， 2021， 16（6）： 1106-1116.
	YIN Shi， HOU Guolian， HU Xiaodong， et al. Temperature Monitoring Method of the Main Bearing of Wind Turbine Based on AC-GAN Data Reconstruction［J］. CAAI Transactions on Intelligent Systems， 2021， 16（6）： 1106-1116.
[5]	向健平，凌永志，詹俊，等. 基于SCADA系统的风电机组主轴承故障预警方法［J］. 电力科学与技术学报， 2019， 34（3）： 223-228.
	XIANG Jianping， LING Yongzhi， ZHAN Jun， et al. Fault Early Warning Method of Wind Turbine Main Bearing Based on SCADA System［J］. Journal of Electric Power Science and Technology， 2019， 34（3）： 223-228.
[6]	王洪斌，王红，何群，等. 基于深度信念网络的风机主轴承状态监测方法［J］. 中国机械工程， 2018， 29（8）： 948-953.
	WANG Hongbin， WANG Hong， HE Qun， et al. Condition Monitoring Method for Wind Turbine Main Bearings Based on DBN［J］. China Mechanical Engineering， 2018， 29（8）： 948-953.
[7]	何群，王红，江国乾，等. 基于相关主成分分析和极限学习机的风电机组主轴承状态监测研究［J］. 计量学报， 2018， 39（1）： 89-93.
	HE Qun， WANG Hong， JIANG Guoqian， et al. Research of Wind Turbine Main Bearing Condition Monitoring Based on Correlation PCA and ELM［J］. Acta Metrologica Sinica， 2018， 39（1）： 89-93.
[8]	赵洪山，刘辉海. 基于深度学习网络的风电机组主轴承故障检测［J］. 太阳能学报， 2018， 39（3）： 588-595.
	ZHAO Hongshan， LIU Huihai. Fault Detection of Wind Turbine Main Bear Based on Deep Learning Network［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2018， 39（3）： 588-595.
[9]	GÖNCZ P， POTOFINIK R， GLODEŽ S. Computational Model for Determination of Dynamic Load Capacity of Large Three-row Roller Slewing Bearings［J］. Engineering Failure Analysis， 2013， 32： 44-53.
[10]	ZHAO Haiming， ZHANG Tao， XIONG Zhihong， et al. Influence Analysis of Key Design Parameters on the Roller Safety Factor of Three-row and Four-column Roller Slewing Bearings Based on Analytical Method and FEM［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2022， 44： 488.
[11]	LI Yunfeng， JIANG Di. Strength Check of a Three-row Roller Slewing Bearing Based on a Mixed Finite Element Model［J］. Journal of Mechanical Engineering Science， 2017， 231（18）： 3393-3400.
[12]	HE Peiyu， WANG Yun， WANG Hua. An Analysis Method of Carrying Capacity Accuracy of Three-row Roller Slewing Bearing［J］. Mechanika， 2021， 27（5）： 360-367.
[13]	李云峰，高元安，贾磊. 表面硬化滚道风电主轴承的疲劳寿命分析［J］. 太阳能学报， 2022， 43（6）： 176-182.
	LI Yunfeng， GAO Yuanan， JIA Lei. Analysis for Fatigue Life of Wind Turbine Main Bearing with Surface Hardened Raceways［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2022， 43（6）： 176-182.
[14]	贾晨鹤，陈观慈，王燕霜，等. 风电机组主轴用双列圆锥滚子轴承的热分析［J］. 轴承， 2023（6）： 43-50.
	JIA Chenhe， CHEN Guanci， WANG Yanshuang， et al. Thermal Analysis of Double Row Tapered Roller Main Bearings for Wind Turbines［J］. Bearing， 2023（6）： 43-50.
[15]	向东，韦尧中，沈银华，等. 面向风电齿轮箱油温超限故障的热网络模型及其节点温度计算方法研究［J］. 机械工程学报， 2022， 58（9）： 119-135.
	XIANG Dong， WEI Yaozhong， SHEN Yinhua， et al. Research on Thermal Network Modeling and Temperature Calculation Method for Wind Turbine Gearbox Lubrication Oil Temperature Overrun Fault［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2022， 58（9）： 119-135.
[16]	宋海，穆塔里夫·阿赫迈德，尼加提·玉素甫，等. 基于热网络与数值仿真模拟的风电轴承瞬态温度研究［J］. 轴承， 2023（6）： 51-58.
	SONG Hai， MUTELLIP Ahmat， NIJAT Yusup， et al. Transient Temperature Analysis of Wind Turbine Bearings Based on Thermal Network and Numerical Simulation［J］. Bearing， 2023（6）： 51-58.
[17]	高文君，刘振侠，朱鹏飞，等. 基于多节点热网络法的航空发动机主轴承温度场分析［J］. 推进技术， 2019（2）： 382-388.
	GAO Wenjun， LIU Zhenxia， ZHU Pengfei， et al. Steady Thermal Analysis of Main-shaft Roller Bearing for Aero-engine Based on Multi-nodes Thermal Network Methods［J］. Journal of Propulsion Technology， 2019（2）： 382-388.
[18]	孔亚楠，薛玉君，叶军，等. 热网络法和有限元法保护轴承热分析研究［J］. 机械设计与制造， 2023（10）： 31-35.
	KONG Yanan， XUE Yujun， YE Jun， et al. Research on Thermal Analysis of Auxiliary Bearings Based on Thermal Network Method and Finite Element Method［J］. Machinery Design and Manufacturing， 2023（10）： 31-35.
[19]	邓四二，李猛，卢羽佳，等. 推力滚针轴承摩擦力矩特性研究［J］. 兵工学报， 2015， 36（7）：1347-1355.
	DENG Sier， LI Meng， LU Yujia， et al. Study of Friction Torque of Needle Roller Thrust Bearing［J］. Acta Armamentarii， 2015， 36（7）： 1347-1355.
[20]	张占立，周鹏举，李文博，等. YRT转台轴承摩擦力矩特性研究［J］. 兵工学报， 2019， 40（7）： 1495-1502.
	ZHANG Zhanli， ZHOU Pengju， LI Wenbo， et al. Study of Friction Torque Characteristics of YRT Rotary Table Bearing［J］. Acta Armamentarii， 2019， 40（7）： 1495-1502.
[21]	张占立，张开哲，王恒迪，等. 球柱联合转台轴承摩擦力矩特性［J］. 航空动力学报， 2020， 35（12）： 2664-2672.
	ZHANG Zhanli， ZHANG Kaizhe， WANG Hengdi， et al. Friction Torque Characteristic of Ball-roller Combined Turntable Bearing［J］. Journal of Aerospace Power， 2020， 35（12）： 2664-2672.
[22]	HARRIS T A. Rolling Bearing Analysis［M］. 4th ed. New York： John Wiley & Sons， Inc.， 2001.
[23]	杨世铭，陶文铨. 传热学［M］. 4版.北京：高等教育出版社， 2007.
	YANG Shiming， TAO Wenquan.Heat Transfer ［M］.4th ed.Beijing： Higher Education Press， 2007.