风电齿轮箱润滑冷却系统结构优化

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近年来，世界各国在可再生清洁能源的研发和利用上取得了长足的进步。发展最快、技术最成熟当属风力发电技术。

兆瓦级风力发电机组运行中，风作用到叶片上，驱使风轮旋转。旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动将动能输人齿轮副。经过多级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传递给发电机。发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。齿轮箱的重量约占机舱重量的 1/2，是机组中最为重要的传动部件 ，也是风力发电机组中故障率最高的部件。机组运行过程中，齿轮箱的润滑系统须正常运行，否则齿轮箱齿面或轴承将会损坏；冷却系统应能有效地将齿轮动力传输过程中发出的热量散发到空气中。

而由于齿轮箱润滑冷却系统导致的油温超标报警停机故障是其中较为常见的现象。文章从齿轮箱润滑系统的原理和结构出发，通过结构优化，从根本上来减少齿轮箱润滑冷却系统引起的停机故障。

2 风电齿轮箱润滑冷却系统结构和功能较为成熟的风力发电机组主要分为双馈式和直驱式风力发电机组两种机型。直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机，主要由风轮、传动装置、发电机及控制系统等组成。双馈式风力发电机组的叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机，主要包括风轮、传动装置、发电机、变流器系统及控制系统等。

目前全世界风电机组中，85%以上是双馈式风力发电机组的机型。尤其是海上机组全部采用了技术成熟且可靠性好的双馈式风力发电机组。

双馈式风力发电机组是通过增速齿轮箱，将每分钟转速不过 20多转的叶片转速提升到每分钟1200转进行发电，较新型的25MW 的机组中，仍然使用多级齿轮箱传动技术，并成为风电产业主流。

因此，齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。

2.1 润滑冷却系统的结构系统主要由如下几部分构成，具体如图 1所示。

(1)动力单元：主要由电机泵和过滤器两部分组成。过滤器内部有精滤和粗滤两级滤网。滤网两侧设有压差继电器，可对滤网的状态进行监控。

(2)冷却单元：冷却单元主要是风冷却器。当系统油温过高时，压力油被送到风冷却器进行热量交换。

图 1 利用温控阀切换油路的润滑冷却系统1.电动机 2.油泵 3.安全阀 4.过滤器 5.温控阀6.风冷却器 7.胶管组件 8.压力传感器2：2 润滑冷却系统的功能润滑冷却系统功能主要有：(1)向齿轮箱内部的运动部件(如轴承、齿轮等)提供润滑。

(2)对齿轮箱内部润滑油进行过滤，保证润滑油的清洁度。

(3)对齿轮箱内部润滑油进行冷却，保证轴承和齿轮正常工作。

油泵向系统供油，润滑油经二级滤油器过滤后到温控阀，该温控阀根据润滑油的温度控制润滑油的流向。当油温低于 45℃时，润滑油直接进入齿轮箱；当油温高于 45C时，温控阀开始动作，润滑油经油/风冷却器冷却后再进入到齿轮箱。齿轮箱的入口装有压力传感器和温度传感器用于检测润滑油的压力和温度。

3 故障分析风电齿轮箱润滑冷却系统导致的齿轮箱异常故- 9 - 重工与起重技术HEAVY INDUSTRlAI ＆ HOISTNG MACHINERY障主要有：温升过高、漏油、齿轮箱噪声异常、润滑系统压力异常及润滑油清洁度低五个方面。

其中，风电齿轮箱润滑冷却系统异常导致的温升过高是风机停机的最为常见的故障之-。根据各风场实际故障反馈，导致润滑油温升过高主要是由温控阀中的温包失效、风冷却器功率不足及安全阀启闭异常导致。而温包失效导致温升过高的情况占78%，因此，减少或者完全根除温包失效这-故障是解决温升过高最为关键的-点。

4 结构优化液压系统中，润滑油的温度和系统压力存在-定的对应关系，温度升高，系统压力就会下降，反之亦然。

因此，系统中通过温度控制的元件可以采用压力控制元牛替代，从而实现相同的系统功能。由润滑冷却系统原理分析，温控阀主要功能是根据系统设定的温度值实现油路的切换。则通过检测温控阀的温度切换点的压力值，利用-个普通单向阀，标定对应的开启压力来替代温控阀元件功能，如图2所示。

温控阀中温感元件温包是采用石蜡等原料封装在密闭容器中加工而成，利用石蜡在不同温度下图 2 利用单向阀切换油路的润滑冷却系统1.电动机 2.油泵 3.安全阀 4.过滤器 5.单向阀6.风冷却器 7.胶管组件 8.压力传感器膨胀率不同来实现其温感功能，但由于温包技术的不完善，在材料选择、工艺制造及试验检测等方面均无完善的国家标准，各厂家生产的温包不尽相同，性能不可靠，后续维修频繁，成本居高不下。另外，温包在 80℃以上高温条件下长时间工作会造成密闭容器密封件老化失效，从而导致石蜡泄露，温包失效。由于温度的反复变化，温包疲劳强度较低，寿命较短，现场更换频繁。

与温控阀相比较，单向阀技术已经很成熟，生产、制造及检测均有相应的国家标准予以规范，性能可靠，成本较低，后续维修方便且费用低廉。单向阀全部为机械加工件 ，疲劳强度比温包高很多，使用寿命较长，受环境因素影响很小 ，长时间高温和低温环境下运行时l生能可靠，可以保证齿轮箱润滑冷却系统的正常运行。因此，通过元件替换对风电齿轮箱润滑冷却系统进行结构优化，可以从根本上杜绝温包失效这-问题，并降低设备成本。

5 结论通过对风电齿轮箱润滑冷却系统原理和风场故障等综合因素分析，利用成熟的单向阀技术代替温控阀技术，不仅可以杜绝温包失效导致的油温过高故障的发生，而且有利于降低设备的成本和后续维护费用，提高了齿轮箱润滑冷却系统的可靠性。