淺談風電機組主齒輪箱和液壓站的潤滑系統(tǒng)

來源：2022年電力行業(yè)技術(shù)監(jiān)督工作交流會暨專業(yè)技術(shù)論壇

作者：晁衛(wèi)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，風電作為Z清潔的能源之一越來越引起重視，而風力機組是風能發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其運行維護極其重要。風力發(fā)電機組的工作環(huán)境極其惡劣，其長期處于極端高低溫、濕氣大、灰塵大的環(huán)境中，且大都處于較偏遠地區(qū)，維修不便，因此確保其長期穩(wěn)定可靠運轉(zhuǎn)是Z基本的要求。風力發(fā)電機組屬于大型轉(zhuǎn)動設(shè)備，其潤滑的重要性不言而喻。

眾所周知，針對不同的潤滑對象則需要配置不同的潤滑劑，風電機組潤滑系統(tǒng)主要包括兩部分，一是主齒輪箱、偏航變槳齒輪箱和液壓系統(tǒng)部件采用的液體潤滑油潤滑，二是主軸軸承、偏航齒圈、變槳軸承等采用的半固體的潤滑脂潤滑。風電機組各重要部位使用的潤滑劑情況詳見表1。

一、主齒輪箱潤滑

除了直驅(qū)式風力發(fā)電機組外，其他形式的機組都要應(yīng)用齒輪箱，齒輪箱是通過齒輪副進行動力傳輸?shù)?，風電機組主齒輪箱見下圖1。

主齒輪箱的部件組成

常用齒輪副：主齒輪箱常用的齒輪副包括直齒和斜齒圓柱齒輪副、行星齒輪系兩大部分。

(1)直齒和斜齒圓柱齒輪副由一對轉(zhuǎn)軸相互平行的齒輪構(gòu)成。直齒圓柱齒輪的齒與齒輪軸平行，而斜齒圓柱齒輪的齒與軸線呈一定角度。人字齒輪在每個齒輪上都有兩排傾斜方向的斜齒。

(2)行星齒輪系是一個或多個所謂的行星輪繞著一個太陽輪公轉(zhuǎn)，本身又自轉(zhuǎn)的齒輪傳動輪系，其原理圖見下圖2。

實際應(yīng)用的風力發(fā)電機組主齒輪系中，Z常見的形式是由行星齒輪系和平行軸輪系混合構(gòu)成的。在直齒輪、斜齒輪、人字齒輪中Z常用的齒形是漸開線齒形。這種齒形意味著當基圓勻速轉(zhuǎn)動時，齒面產(chǎn)生勻速位移，接觸線是一條直線。

齒輪箱分類：風力發(fā)電機組齒輪箱的種類很多，按照傳統(tǒng)類型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及它們互相組合起來的齒輪箱;按照傳動的級數(shù)可分為單級和多級齒輪箱;按照傳動的布置形式又可分為展開式、分流式、同軸式以及混合式等。

箱體和軸承構(gòu)造：傳動齒輪副置于箱體之中，要求箱體必須具備足夠的剛性承受力和力矩，以防止變形，保證傳動的質(zhì)量。箱體在進行大批量生產(chǎn)時，常采用球墨鑄鐵和其他高強度鑄鐵的箱體，其減振性好，且易于切削加工，而進行單件、小批量生產(chǎn)時，常采用焊接或者焊接與鑄造相結(jié)合的箱體。

為了便于裝配和定期檢查齒輪的嚙合狀態(tài)，在箱體上通常設(shè)有觀察窗，且機座旁一般設(shè)有連體吊鉤，供起吊整臺齒輪箱用，另外會把齒輪箱安裝在由高強度橡膠和鋼墊做成的彈性支座上，以達到減小齒輪箱傳到機艙機座振動的目的，在箱體上還設(shè)有透氣罩油位指示器、注油器和放油孔。齒輪箱上常采用的軸承有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承等，而在所有滾動軸承中，調(diào)心滾子軸承的承載能力Z大，且能夠廣泛應(yīng)用在承受較大負載或者難以避免同軸誤差和撓曲較大的支承部位。

密封裝置：齒輪箱軸伸部位的密封裝置一方面能夠防止?jié)櫥屯庑?，另一方面能防止雜質(zhì)進入箱體內(nèi)。常用的密封裝置有非接觸式密封和接觸式密封兩種。

(1)非接觸式密封：常用的有氣膜密封和濾膜密封，其可以實現(xiàn)密封介質(zhì)的零泄漏，徹底消除對環(huán)境的污染，且所有的非接觸式密封均不會產(chǎn)生磨損，使用時間長。

(2)接觸式密封：接觸式密封是使用密封件的密封，密封件應(yīng)可靠、耐久、摩擦阻力小、容易裝拆，應(yīng)能隨壓力的升高而提高密封能力和有利于自動補償磨損。旋轉(zhuǎn)軸常用唇形密封圈。

主齒輪箱潤滑油的工況要求

作為風電機組核心傳動部件，考慮到主齒輪箱摩擦副既有低速重載工況、又有高速輕載工況，且所處環(huán)境惡劣，對其使用的潤滑油運動粘度、極壓抗磨性能、抗乳化性能、氧化?定性和熱安定性能、防銹防腐蝕性能、抗泡沫性能都有較高要求。

主齒輪箱潤滑油監(jiān)測指標和周期

(1)監(jiān)測必做指標：運動粘度(40℃)、水分含量、元素含量、PQ 指數(shù)、紅外分析，分析鐵譜、清潔度、酸值為主齒輪箱油液監(jiān)測的選做指標。

(2)監(jiān)測周期：每年監(jiān)測一次，監(jiān)測結(jié)果異常的，根據(jù)油液報告進行復(fù)檢;機組出質(zhì)保前三個月需監(jiān)測一次，作為出質(zhì)保時大部件運行狀態(tài)判定的依據(jù)之一，此次監(jiān)測可包含在上述所規(guī)定的監(jiān)測頻次內(nèi)。

二、偏航和變槳齒輪箱潤滑

偏航機構(gòu)與機組控制系統(tǒng)配合，轉(zhuǎn)動機艙使風輪掃掠面與風向保持垂直，使風輪始終處于迎風狀態(tài)，以保證風力發(fā)電機具有Z大的發(fā)電能力，偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖3;變槳機構(gòu)是通過改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使葉片剖面的攻角發(fā)生變化來迎合風速變化，從而改變?nèi)~片氣動特性，使槳葉和整機的受力狀況大為改善，變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖4。

偏航和變槳齒輪箱部件的組成

風力發(fā)電機組偏航和變槳齒輪箱上有可直接安裝伺服電機軸的電機法蘭，齒輪箱上具有四級或五級行星傳動機構(gòu)，每級行星傳動機構(gòu)均具有太陽輪、行星輪、行星軸、行星架，齒輪箱的輸入軸與一級太陽輪嚙合。另外主流的偏航和變槳齒輪箱都采用了NGW行星傳動，其具有功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、傳動比大、運行平穩(wěn)、抗沖擊和抗振動能力強等優(yōu)點。

偏航和變槳齒輪箱潤滑油的工況要求

偏航和變槳齒輪箱均存在低速重載、啟停較頻繁、扭矩較大等特點。變槳齒輪箱隨槳葉360度旋轉(zhuǎn)，受到的沖擊更大，且大部分時間在工作，理論上工況更惡劣，對可靠性要求更高;而偏航齒輪箱僅部分時間工作，立式安裝在機艙內(nèi)，維護較變槳稍方便一些。但由于被動偏航等非正常工況存在，對其使用的潤滑油要有承載能力高、極壓抗磨性能好、稠度大等特性，一般使用VG320或VG220合成型齒輪油。

偏航和變槳齒輪箱潤滑油監(jiān)測指標和周期

(1)監(jiān)測必做指標：運動粘度、元素含量、PQ指數(shù)、紅外分析。

(2)監(jiān)測周期：機組出質(zhì)保前需按機組數(shù)量20%的比例對全場機組偏航和變槳齒輪箱油進行抽檢，對于檢測結(jié)果不合格的應(yīng)與整機廠商協(xié)商更換。

三、液壓系統(tǒng)潤滑

液壓系統(tǒng)是以有壓液體為介質(zhì)，實現(xiàn)動力傳輸和運動控制的機械單元，其具有傳動平穩(wěn)、功率密度大、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易于更換元器件和過載保護可靠等優(yōu)點，在大型風力發(fā)電機組中得到廣泛應(yīng)用。

在定槳距風力發(fā)電機組中，液壓系統(tǒng)主要用于空氣動力制動、機械制動，以及偏航驅(qū)動與制動;在變槳距風力發(fā)電機組中，液壓系統(tǒng)主要用于控制變距機構(gòu)和機械制動，也用于偏航驅(qū)動與制動。此外液壓系統(tǒng)還常用于齒輪箱潤滑油液的冷卻和過濾、發(fā)電機水冷、變流器的溫度控制、開關(guān)機艙和驅(qū)動起重機等，風電機組液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖5。

液壓系統(tǒng)的部件組成

風力發(fā)電機的液壓系統(tǒng)是一個公共服務(wù)系統(tǒng)，它為風力發(fā)電機上一切使用液壓驅(qū)動力的裝置提供動力，其主要功能是為變漿控制裝置、安全漿距控制裝置、偏航驅(qū)動和制動裝置、停機制動裝置提供液壓驅(qū)動力。

液壓系統(tǒng)由動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件組成。動力元件將機械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能，如液壓泵;控制元件控制系統(tǒng)壓力、流量、方向以及進行信號轉(zhuǎn)換和放大，作為控制元件的主要是各類液壓閥;執(zhí)行元件將流體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動各類機構(gòu)，如液壓缸;輔助元件為保證系統(tǒng)正常工作除上述3種元件外的裝置，如油箱、過濾器、蓄能器、管件等。

液壓系統(tǒng)潤滑油的工況要求

在定槳距風力發(fā)電機組中，液壓系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動風力發(fā)電機組的氣動剎車和機械剎車;在變槳距風力發(fā)電機組中，液壓系統(tǒng)主要控制變距機構(gòu)，實現(xiàn)風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速控制、功率控制，同時也制控機械剎車機構(gòu)，其使用的液壓油要具有良好粘溫性能、防銹防腐性能、清潔度等性能，多采用VG32合成液壓油。

液壓系統(tǒng)潤滑油監(jiān)測指標和周期

(1)監(jiān)測指標：包含運動粘度(40℃)、水分含量、元素含量、PQ指數(shù)、清潔度、紅外分析。

(2)監(jiān)測周期：機組出質(zhì)保前三個月需對全部機組液壓油監(jiān)測一次，對于檢測不合格的液壓油應(yīng)與整機廠商協(xié)商更換;使用時間達到5年時，對全部機組液壓油定檢1次，之后每兩年檢測1次，對于定檢過程中發(fā)現(xiàn)的異常案例應(yīng)按照油液監(jiān)測報告建議適當增加取樣頻次或更換液壓油。

四、結(jié)束語

通過對風電機組主齒輪箱、偏航變槳齒輪箱、液壓系統(tǒng)潤滑方面的簡介，體現(xiàn)了潤滑管理在風電場運行中重要性，做好潤滑油的化驗工作，掌握潤滑油物化特性，能夠及時發(fā)現(xiàn)機組大部件的磨損狀況，可以有效提高風電機組運行的可靠性。

通過對風電機組齒輪箱、偏航變槳齒輪箱、液壓系統(tǒng)的介紹，反應(yīng)潤滑對于風電機組大部件的安全穩(wěn)點運行具有重要意義，直接關(guān)系到風電機組設(shè)備的可靠性和發(fā)電量，并且對運行中的潤滑油的化驗指標和周期加以闡述。