淺談風電齒輪箱與日常維護

劉宇

(深能北方(錫林郭勒)能源開發(fā)有限公司　內(nèi)蒙古　錫林郭勒　026000)

【摘　要】風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組的核心部件，倍受國內(nèi)外風電相關(guān)行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)風電齒輪箱的研究起步較晚，技術(shù)薄弱，特別是兆瓦級風電齒輪箱，主要依靠引進國外技術(shù)。因此，急需對兆瓦級風電齒輪箱進行自主開發(fā)研究，真正掌握風電齒輪箱設計制造技術(shù)，以實現(xiàn)風機國產(chǎn)化目標。本文主要討論的是兆瓦級風力發(fā)電機組的齒輪箱。

【關(guān)鍵詞】風力發(fā)電；風機齒輪箱；維護

1　引言

縱觀社會的發(fā)展，科學技術(shù)作為推動力，當科學技術(shù)發(fā)展到足夠的階段時，將帶來人類社會突飛猛進的發(fā)展。這一事實，在二十世紀表現(xiàn)的越來越明顯，這一推動力的作用越來越突出。

從能源、電力產(chǎn)業(yè)看，二十世紀九十年代，世界能源、電力市場發(fā)展Z迅速的已不再是石油、煤、天然氣，太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源異軍突起。全世界風力發(fā)電容量在1990年的200萬千瓦，2009年一年內(nèi)全球新增風力發(fā)電裝機容量就已達到3750萬千瓦，而截止到2011年3月7日，我國的風電裝機總量有4182.7萬千瓦，首次超越美國成為世界上風電大國。因此，就新能源、電力方面而言，二十一世紀將是可再生能源的世紀，能源、電力的開發(fā)利用將面臨歷史的變革。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，適應世界發(fā)展趨勢，能源產(chǎn)業(yè)尤其是電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然選擇風能等可再生能源和新能源。

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊藏量巨大，全球風能資源總量約為2萬億千瓦，其中可利用的風能為200億千瓦。中國可開發(fā)利用的風能資源有10億千瓦，其中陸地2.5億千瓦，現(xiàn)在僅開發(fā)了不到0.2%;近海地區(qū)有7.5億千瓦，風能資源十分豐富。陸上風能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”(東北、西北、華北)地區(qū)以及東南沿海地區(qū)。三北地區(qū)可開發(fā)利用的風力資源有2億千瓦，占全國陸地可開發(fā)利用風能的79%。由此可見中國風力資源是十分豐富的，遠遠超過可開發(fā)的水電和火電資源量。

近年來隨著風電機組單機容量的不斷增大，以及風電機組的投行時間的逐漸累積，由齒輪箱故障或損壞引起的機組停運事件時有發(fā)生，由此帶來的直接和間接損失也越來越大，因此對分離發(fā)電機組的維護保養(yǎng)十分重要。維護人員投入相關(guān)工作的工作量也有上升趨勢，這就促使越來越多的風電場開始加強齒輪箱的日常監(jiān)測和定期保養(yǎng)工作。

風力發(fā)電場在國內(nèi)作為一種新興的發(fā)電企業(yè)形式因其具有自身的發(fā)展和生產(chǎn)性質(zhì)特點，要求員工必須有較高的專業(yè)知識、技術(shù)業(yè)務水平和必要的技能技巧，因此做好風力發(fā)電機組的運行與維護，此論文的書寫對本人現(xiàn)在以及今后工作具有重要意義。

2　風電及齒輪箱的發(fā)展趨勢

2.1　風力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢

2.1.1　機組單機容量增大風電機組單機容量的增大有利于提高風能利用率，降低風場的占地面積，降低風電場運行維護成本，從而提高風電的市場競爭力。目前，上主流的風電機組已達到(2-3)MW，由德國公司研制的Z大的5MW 風電機組已投入運行，其旋翼區(qū)直徑達到126米?？梢灶A見，(3-5)MW的風電機組在市場中的比例將日益提高。2008年2月在布魯塞爾舉行的風能會議和風能展上，有與會者甚至提出了2020年前開發(fā)出20MW風電機組的概念。

2.1.2　海上風電迅速興起海上風能資源豐富，且受環(huán)境影響小，海上風電場將成為一個迅速發(fā)展的市場。目前丹麥、德國、英國、瑞典和荷蘭等國家海上風電發(fā)展較快。歐洲風能協(xié)會預測，2020年，歐洲海上風電總裝機容量將達到70000MW。雖然海上風電前景廣闊，但目前還有技術(shù)等方面的因素制約著它的發(fā)展。一方面，海上風電機組均為陸上風電機組改造而成，而復雜的海上自然條件使得風電機組的故障率居高不下，如世界Z大的海上風電場丹麥霍恩礁風電場，80臺海上風電機組故障率超過70%。另一方面，電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風電場所提供的巨大電能。因此，海上風電的大發(fā)展仍需要解決機組及上網(wǎng)配套設施等方面的問題。

2.1.3　變速恒頻技術(shù)快速推廣目前市場上恒速運行的風電機組一般采用雙繞組結(jié)構(gòu)的異步發(fā)電機，雙速運行。在高風速段，發(fā)電機運行?較高轉(zhuǎn)速上;在低風速段，發(fā)電機運行在較低轉(zhuǎn)速上。其優(yōu)點是控制簡單，可靠性高;缺點是由于轉(zhuǎn)速基本恒定，而風速經(jīng)常變化，因此機組經(jīng)常處于風能利用系數(shù)較低的狀態(tài)，風能無法得到充分利用。隨著風電技術(shù)的進步，風電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并結(jié)合變槳距技術(shù)的應用開發(fā)出了變槳變速風電機組。與恒速運行的風電機組相比，變速運行的風電機組具有發(fā)電量大、對風速變化的適應性好、生產(chǎn)成本低、效率高等?點。因此，變速運行的風電機組也是未來發(fā)展的趨勢之一。德國公司是目前全球生產(chǎn)變速風電機組Z多的公司。

2.1.4　全功率變流技術(shù)興起近年來，歐洲的公司都開發(fā)和應用了全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)，使風輪和發(fā)電機的調(diào)速范圍達到了0～150%的額定轉(zhuǎn)速，提高了風能的利用范圍，改善了風場上網(wǎng)電能的質(zhì)量。德國公司還將原來對每個風電機組功率因數(shù)的分散控制加以集中，由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一調(diào)控，實現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技術(shù)將在今后大型風電場建設時得到推廣應用。

2.1.5　直驅(qū)和半直驅(qū)風電機組直驅(qū)式風電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動的方式，免去故障率較高的齒輪箱，在低風速時效率高，且具有低噪聲、高壽命、運行維護成本低等優(yōu)點。近年來直驅(qū)式風電機組的裝機份額增長較塊，但由于技術(shù)和成本等方面的原因，在未來較長時間內(nèi)帶增速齒輪箱的風電機組仍將在市場中占主導地位。半直驅(qū)是介于齒輪箱驅(qū)動和直接驅(qū)動之間的一種驅(qū)動方式，它采用一級齒輪箱增速，結(jié)構(gòu)緊湊，具有相對較高的轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅(qū)動相比，半直驅(qū)增加了系統(tǒng)的可靠性;而與大直徑的直驅(qū)相比，半直驅(qū)通過更高效和緊湊的機艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。

2.2　風電齒輪箱的發(fā)展趨勢

風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組中Z重要的部件，倍受國內(nèi)外風電相關(guān)行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。

風機增速齒輪箱是風力發(fā)電整機的配套產(chǎn)品，是風力發(fā)電機組中一個重要的機械傳動部件，它的重要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，使其得到相應的轉(zhuǎn)速進行發(fā)電，它的研究和開發(fā)是風電技術(shù)的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向發(fā)展。

風力發(fā)電機組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風口處，經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴寒和極端溫差的作用，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械產(chǎn)品高得多的要求。

風電行業(yè)中發(fā)展Z快，Z有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達國家，在風電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達國家早已開發(fā)出單機容量達兆瓦級的風力發(fā)電機，并且技術(shù)相對成熟，具有比較完善的設計理論和豐富的設計經(jīng)驗，而且商業(yè)化程度比較高，因此在風力發(fā)電領(lǐng)域中處于明顯的優(yōu)勢和主導地位。

盡管上齒輪箱設計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的Z主要原因，約占風機故障總數(shù)的20%左右，由于我國商業(yè)化大型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)上較歐美等風能技術(shù)發(fā)達國家存在報大差距。我國在九五期間開始走引進生產(chǎn)技術(shù)的路子，通過引進和吸收國外成熟的技術(shù)，成功研發(fā)出了兆瓦級以下風力發(fā)電機。

2.3　齒輪箱相對于風電的意義

風力發(fā)電是清潔可再生能源，蘊存量巨大，具有實際開發(fā)利用價值。大量風能開發(fā)不可能靠某個部門或行業(yè)的財政補貼就能解決，商業(yè)化不僅是市場的要求，也是風力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以，風力發(fā)電商業(yè)化是必由之路，可行之路。風力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉(zhuǎn)速。通常風輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決于風輪、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件。

開發(fā)新能源是國家能源建設實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進技術(shù)進步的重要手段。風力發(fā)電是新能源技術(shù)中Z成熟、Z具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

2.3.1　由于我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏基礎(chǔ)研究積累和人才，我國在風力發(fā)電機組的研發(fā)能力上還有待提高，總體來說主要以引進國外先進技術(shù)為主。目前國內(nèi)引進的技術(shù)，有的是國外淘汰的技術(shù)，有的圖紙雖然先進，但受限于國內(nèi)配套廠家的技術(shù)、工藝、材料等原因，導致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能仍有一定差距。所以，在引進國外風機技術(shù)的同時，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級增速齒輪箱，是加速我國風電產(chǎn)業(yè)的一項重要任務。

2.3.2　增速齒輪的設計和制造技術(shù)是整個風力發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到整個風力發(fā)電機組的命運。因此，要加強齒輪的研究，對齒輪進行結(jié)構(gòu)設計，提高齒輪的嚙合質(zhì)量，降低噪聲，保證齒輪機械效率，提高齒輪的運行可靠性。

2.3.3　增速齒輪箱以漸開線齒輪為主，人們對標準的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設計、強度計算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動提出了新的要求，在尺寸、重量Z小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運動，這就對齒輪分析的計算精度提出了很高要求，高精度齒輪分析是輪齒承載能力、振動、噪聲及修形等研究的基礎(chǔ)。因此，建立準確的分析模型，準確求解受載輪齒的載荷分布對修形規(guī)律的研究具有重要意義。

3　齒輪箱的運行與維護

3.1??輪箱

風輪的轉(zhuǎn)速較低，在多數(shù)風力發(fā)電機組中，達不到發(fā)電機發(fā)電要求，必須通過齒輪箱齒輪副的作用來實現(xiàn)增速，故也將也將齒輪箱稱之為增速箱。

3.1.1　齒輪箱的構(gòu)成

常用齒輪副：直齒和斜齒圓柱齒輪和行星齒輪。實際應用的風力發(fā)電機主齒中，Z常見的是由行星齒輪系和平行軸輪系混合構(gòu)成的。

3.1.2　安裝要求

齒輪箱的主動軸與葉片輪轂的聯(lián)接必須可靠緊固。輸出軸若直接與電機聯(lián)接時，應采用合適的聯(lián)軸器，Z好的彈性聯(lián)軸器，并串接起來保護作用的安全裝置。齒輪箱軸線上和與之相連接的部件的軸線應保證同心，其誤差不得大于所選用聯(lián)軸器的齒輪箱的允許值，齒輪箱體上也不允許承受附加的扭轉(zhuǎn)力。齒輪箱安裝后用人工搬動應靈活，無卡滯現(xiàn)象。打開觀察窗蓋檢查箱體內(nèi)部機件應無銹蝕現(xiàn)象。用涂色法檢驗，齒面接觸斑點應達到技術(shù)條件的要求。

3.1.3　運輸和存儲

存儲一般我們是在干燥通風的環(huán)境當中，地面保持水平，齒輪箱要安放平穩(wěn)，齒輪箱保持一個靜止狀態(tài)。另外又要做好防銹處理，還有不能露天存放，有一些風場因為存儲條件不好，經(jīng)常把齒輪箱放到露天的，這很容易出問題。還有天氣狀況，根據(jù)天氣狀況，我們要每6-12個月重新涂抹一下防銹劑，環(huán)境條件應該保持在空氣濕度低于70%，溫度一般在18到45度之間。存儲中，齒輪箱上的孔需要加蓋油脂。特別是在運輸，運輸當中我們這個也要重視，就是有一些物流公司我們在運輸?shù)臅r候特別之前要檢查一下它的資質(zhì)，是不是用過齒輪箱，還有包裝，固定非常重要，因為齒輪箱的跌落也是我們經(jīng)常遇到的一個情況，造成齒輪箱不必要的損失。

3.1.4　齒輪箱的維護

一般來說，潤滑油在齒輪箱里面是一個Z重要的，我們在維護和保養(yǎng)方面必須要引起足夠重視的這么一個，就是對齒輪箱維護保養(yǎng)影響比較大的因素。新機運行250小時，需要做次的油樣分析，半年以后再做一次，三年以后，根據(jù)油樣分析的結(jié)果決定是否要更換潤滑油。更換油的時候，首先要更換同型號，同品牌，如果同型號，同品牌做不到，我們必須做互溶性的試驗。濾芯需要12個月更換一次，日常維護一般來說1-3個月，比如檢查齒輪箱的箱體外觀，螺栓，包括管路等。更換油濾，必須要觀察油濾上是不是有鐵屑，如果堵塞，油濾必須要更換，說明這個潤滑油里面是有問題了，就是要詳細檢查各個齒輪的部位。

另外，檢查磁棒，齒輪箱里面我們一般在外部設一個磁棒伸到齒輪箱的內(nèi)部，如果磁棒干凈，我們?nèi)庋塾^察齒輪箱里面沒有問題，如果上面吸附了很多的金屬粉末，或者鐵屑，說明某一個部位磨損嚴重。磁堵，齒輪箱的各個部委都會設置一些磁堵，如果干凈，或者沒有問題。空氣濾芯，也是很重要的一個部件，我們首先檢查它是否干凈，如果它有堵塞，或者非常贓，需要馬上更換。還有長時間的停機和齒輪箱長時間的存放，我們必須要每3個月手動盤車數(shù)圈，增加潤滑，并防止靜止壓痕。還有機械泵長時間存放的時候也必須做好潤滑。內(nèi)窺鏡檢查是我們對齒輪箱內(nèi)部進行檢查的一個有效手段。一般我們通過內(nèi)窺鏡可以看到各個部位軸承的狀況，包括齒面的狀況，包括肉眼從觀察口看不到的這些地方。

3.1.5　齒輪箱常見故障

主要的故障分為九類，類我們可以看到是齒輪的損傷，第二類是軸承損傷，第三類是鋼體的開裂，第四個是銹蝕，第五是滲漏油，第六、螺栓斷裂、第七、機械泵損壞，第八、異響和振動，第九、油溫和油壓的異常。

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來源：《風電技術(shù)》