高原环境对风电增速齿轮箱润滑系统的影响及对策

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Influence of Plateau Environment on Lubrication System of W indTurbine Speed up Gearbox and CountermeasuresZhang Yanan Xu Jianing Jin Guozhong(CSR Qishuyan Locomotive&Roling Stock Technology Research Institute Co.，Ltd，Changzhou Jiangsu 21301 1，China)Abstract：The composition of wind turbine gearbox lubrication system was introduced，as well as the calculation meth-ods for gearbox thermal power and cooler cooling power.The environmental characteristics of plateau and its influences oncooling devices and lubrication system insulation were analyzed.It was also proposed that，in order to adapt to the plateauenvironment characteristics，cooling capacity of air-cooler，effective power and temperature rise of motor，electrical insula-tion and protection degree，seal and etc.need to be redesigned or rechecked in concerning this lubrication system。

Keywords：gearbox；lubrication system；plateau environment风力发电作为-种可再生能源，具有资源分布广、开发潜力大、环境影响孝可持续利用的特点，是世界各国均大力发展的产业 。我国海拔 1 000m以上的土地面积占全国陆地面积的60%左右 ，海拔2 000 m以上的面积约 占33% ，3 000 m以上面积约占16% ，随着中国风力发电产业进入规模化发展阶段 ，开发高原地区风电资源成为必然。而如何适应高原环境，是高原风力发电机组必须解决的问题。增速齿轮箱是并网型风力发电机组的关键部件，其主要作用是将叶轮输入的低速转动转化为驱动发电机的高速转动。500 kW 及以上的齿轮箱应采用强制润滑系统 J，其主要作用是对润滑油进行过滤和冷却，为运动部件提供润滑，对齿轮箱长期可靠运行起着至关重要的作用。润滑系统的构成决定了其对高原环境十分敏感，因此研究润滑系统的高原适应性十分必要。

收稿 日期 ：2012-10-30作者简介：张亚楠 (1983-)，男，硕士，工程师，研究方向为风电齿轮箱设计.E-mail：qysnjzy###163.COB。

1 润滑系统组成按照其功能，润滑系统可划分为供油装置、过滤装置和冷却装置和其他辅助装置。供油装置为润滑油循环提供动力，主要包括电机、电动泵 (机械泵)。

过滤装置对润滑油进行过滤，保证其清洁度 ，主要由过滤器及滤芯堵塞报警装置 (-般为压差传感器)组成。冷却装置利用润滑油与冷却介质的传热，对润滑油进行冷却，保证旋转部件长期可靠的工作。-般选用的传热介质为空气，称为风冷却散热。辅助装置包括管路、接头、(控制 )阀块、压力保护装置、监测传感器等。

广义的润滑系统不仅包括上述齿轮箱外部装置，还包括齿轮箱加热装置、空气呼吸器、磁性油堵、内部管路和喷嘴等。本文作者主要讨论上述的外部润滑系统。

2 润滑系统冷却能力计算齿轮箱润滑所需的油量很少 ，因此润滑系统的设计主要考虑的是冷却散热。因温度差而产生热量从高温区向低温区的转移称为传热，有3种基本方式：热传导、热对流和热辐射。

2013年第 4期 张亚楠等 ：高原环境对风电增速齿轮箱润滑系统的影响及对策 123热传导是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。热对流是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。物体因自身的温度而向外发射能量的现象，这种热传递的方式叫做热辐射。它能以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。

2.1 齿轮箱发热量计算齿轮箱运转过程中，其能量损失主要包括转化为热量使齿轮箱发热，旋转部件运转时克服空气阻力及搅动润滑油做功。转化的热量可以通过齿轮箱热辐射散出，无法散出部分则需要通过润滑系统冷却散热。

齿轮箱能量损失的计算公式为：P (1-叩)P (1)式中： 为传动效率；P。为齿轮箱功率，kW。

计算最大能力损失 P 时，-般取 叼97%，P取为齿轮箱额定输人功率。由于搅油损失和空气阻力损失的效率较小，可以忽略，则认为最大发热功率即为P 。

在满载工况下，齿轮箱表面温度-般高于环境温度，齿轮箱通过2种方式散热：箱体热对流和热辐射散热和润滑系统冷却散热。由于通过箱体热对流散热方式散热能力有限并且难以准确评估，实际计算过程中常常只考虑润滑系统冷却散热方式，即认为齿轮箱的全部功率损失都需要通过润滑系统冷却器散出。因此润滑系统最小冷却功率P 应满足：P ≥P。

由于高原环境风沙大，风电齿轮箱运行环境恶劣，齿轮箱长时间运行后冷却器 中的管路会积累污垢。-方面污垢会导致管路通径减小，导致散热能力下降；另-方面，污垢会影响润滑油和外界 的热交换，导致换能效率下降。因此-般情况下，取污垢系数 i1.05～1.1。同时，系统长期运行散热器散热片上会有灰尘覆盖，导致散热面积下降，以及油品改变都对散热效率有-定程度的影响〖虑到上述因素，润滑系统的散热效率还应取 1.1的安全系数。

综上所述，在极限工况下，则润滑系统最小冷却功率应满足 P ≥ i叩P 。

2.2 冷却器冷却功率计算风冷散热器采用对流换能方式传递热量。对流换热是指流体流过固体壁面情况下发生的热量交换，热量交换过程中导热和对流同时起作用。

散热功率计算公式为： hoA(t -tf) (2)式中： 为传热系数，表示单位面积温差为 1 oC时所传递的热量，W/(in ·K)；A为固体壁面换热面积，In ；tf为进气温度，K；t 为固体壁面温度，即油温，K。

散热器厂家常倡某型号冷却器在某-流量下的 A作为考核散热器散热能力的指标，称为当量冷却功率Po，W/C。

根据能量守恒，润滑油散出热量等于空气获得热量。根据热量计算公式： Q JDkC。(t -t ) (3)式中：Q 为风扇风量，In。/h；P 为空气密度，kg/m ；c。为空气比热容，J/(kg·K)(取 CpJ/(kg·K))；t 。为风扇出口空气温度，K；t 。为风扇入口空气温度，K。

对于吸风式风扇 (空气从机舱外向机舱 内流动)，t。i为环境温度。对于吹风式风扇 (空气从机舱内向机舱外流动)，t i为机舱内的温度，由于机舱具有-定的密闭性，空气温度受到其他设备 (齿轮箱、发电机、变频器等)的影响，温度会比环境温度高。

由式 (3)可知，空气密度及风扇风量对散热能力存在较大影响。

3 高原环境影响及对策3.1 高原环境特点高原环境条件指海拔超过2 000 m地区的环境条件，其主要特点是气压低、气温低，气温日变化大、绝对湿度大、太阳辐射强等。气压、空气温度和密度随海拔的变化情况见表 1 -6]。

表 1 环境条件参数Table 1 Environmental condition parameters海拔高度 h/m环境参数 - - O 1 Ooo 2 O0o 3 0o0 4 000 5 0o0年平均气压 kPa最低101.3 90.0 79.597.0 87.2 77.57O.1 61.7 54.068.O 60.0 52.5最高 45.4 45.4 35 30 25 20空气t/%温度 最高日平均 35. 3 35.3 25 20 15 1。

年平均 20 0 15 10 5 0空气密度(O℃)p/ 1.292 1.117 1.050 0.943 0.844 0.753(kg ·In。)3.2 对冷却装置的影响海拔增高，空气密度降低，使得以空气对流作为润滑与密封 第 38卷主要散热方式的冷却装置散热困难。因此需要对冷却装置的散热能力重新进行校核。

例如，相比于海拔为0，海拔 3 000 m时的空气密度下降27%，根据式 (3)，其他参数相同时，风扇散热能力也会下降27%。但是海拔增高，环境温度降低，风扇人口空气温度也可能随之降低，可部分或全部补偿因海拔升高所引起的产品温升增加值。补偿值视产品的散热特性和实际环境温度而定。

对于风冷散热器，需要对散热功率重新计算校核，通常需要加强散热能力，可采取的措施有：改变叶片以增大风量；增加冷却器散热面积等。

润滑系统中的油泵电机和风扇电机都是采用空气冷却的，因此同样存在冷却能力下降的问题。电机的额定输出功率是在-定的环境条件下得到的，GB755-2008规定额定输出功率时的环境条件为环境温度不超过40 cI、海拔高度不超过1 000 m 。因此，海拔升高后如果仍按额定功率使用，温升增大可能烧毁电机。如果电动机实际运行环境条件超出标准，-般降低额定功率使用，计算公式如下：P 卢·Po (4)式中：P 为实际有效输出功率，kW；P。为额定输出功率，kW； 为降额系数。

降额系数由电机厂家规定。表2为某品牌电机随海拔和温度的降额系数表∩知，海拔 3 000 m、温度45℃时，降额系数为0.82。根据式 (4)进行校核，如果电机额定功率不能满足要求应选用更大功率的电机。

表2 某品牌电机的降额系数Table 2 Derating factors for a certain motor3.3 对绝缘的影响高原环境气压的降低，空气密度的减少和绝对湿度的增加使得电气设备的绝缘强度和外绝缘性能等方面都会有所下降。例如，海拔越高，空气越稀薄，绝对湿度越高，起晕放电电压越低。高压线圈容易产生电晕现象，除了伴有晕光和吱吱的放电声音，还会引起有功损耗和无线电通信干扰，产生臭氧和氮氧化物污染环境。对于润滑系统上的低压电器，如压差传感器等，可按照GB/T 20645-2006进行校验 。

应对电机和电器原件绝缘性能不足，可采取的措、施有：(1)采取相应的措施加强绝缘；(2)高压线圈表面涂防电晕漆；(3)选用额定电压高-级的产品。

3.4 其他影响我国西北的黄土高原和北方的内蒙古高原地区风沙较大，电机及其他电器原件应提高防护等级，-般为 IP55或更高。

受高原气温 日变化大和低温的影响，橡胶密封件更易老化。橡胶密封件经低温试验表明，随着温度的下降，其硬度、扯断强度及伸长率三项机械性能均表现出不同程度的下降趋势 。因此橡胶密封件应选用防低温、耐大温差的材料。此外，也应考虑机械结构变形的增大。

4 结束语综上所述，为适应高原环境特点，风电齿轮箱润滑系统应就风冷却器散热能力、电机有效功率和温升、绝缘、密封和防尘等级等方面进行重新设计或校核。