淺談低溫情況下風電機齒輪箱油的流動性問題

O 孫彬彬

（國華（呼倫貝爾）新能源有限公司 內蒙古 021000）

淺談低溫情況下風電機齒輪箱油的流動性問題

O 孫彬彬

（國華（呼倫貝爾）新能源有限公司 內蒙古 021000）

作為一種清潔的可再生資源，風力發電已成為一種必然的趨勢。然而在東北、內蒙、華北等中國的風力發電大區常出現極端低溫天氣。低溫下潤滑油的流動性會受到很大影響從而會使得齒輪箱不能得到潤滑，導致風電機出現故障報警現象。本文即詳細介紹了潤滑油的低溫流動性及其有可能帶來的風電機齒輪箱故障問題并給出了解決方案。

低溫；風電機；齒輪箱；潤滑油

當今，風能發電憑借其較低的生產成本，及綠色環保的特點，受到了越來越多的人的青睞。目前我國已安裝的風力發電機組中有約70%以上處于低溫環境地區，安裝在低溫地區的風力發電機組能不能適應嚴寒地區的環境就顯得尤為重要。而在日常的潤滑維護中，采用合理的潤滑技術避免齒輪損傷已受到各風電場越來越多的重視，尤其在低溫條件下風電機組齒輪箱的潤滑問題更不容忽。

一、風電機齒輪箱潤滑油特性及在低溫條件下的流動性

齒輪潤滑油包括兩種成分：基礎油和添加劑。它具有六大特性。適當的粘度、良好的極壓抗磨性、良好的抗氧化安定性、良好的抗剪切安定性、良好的防銹性和良好的抗乳化性。

1.粘度,即流體的內摩擦力，是油膜厚度的量度。VI高，粘度隨溫度變化小，表明潤滑油的粘溫性能好；VI 低，則相反。因此為改善潤滑油的粘溫性能，我們可適量加粘度指數改進劑，工作溫度很高或很低時，應選用粘度指數高的潤滑油用以避免潤滑油因粘度過高而影響齒輪箱正常工作。

2.傾點,作為潤滑油能流動的最低溫度是潤滑油低溫特性的一個重要指標。如ASTM D97潤滑油中不同量的蠟質低溫時結晶出來，導致潤滑油固化，不能流動。故在低溫條件下應選用傾點較低的潤滑油用以避免齒輪箱故障。而目前普遍采用的Mobilgear SHC XMP320潤滑油，是一種工業齒輪油，性能優異、屬于完全合成的。它在40℃時候，粘度為320cSt，傾點為-38℃，為研究其在低溫情況下的流動性。

二、低溫下齒輪油的流動性變差對齒輪箱的影響

經過多次實踐我們發現在室外溫度極低的冬天，冷卻液通過散熱器回流回來的溫度非常低(液壓泵初啟動時冷卻液溫度為-15℃)，而當溫度極低的冷卻液流經油水交換器時，使得板式油水交換器的溫度大大降低。而當齒輪油流經油水交換器時，與流經油水交換器的冷卻液進行劇烈熱交換，從而使得齒輪油溫度大大降低，導致流經的齒輪油粘度增大，齒輪油的流動性逐漸增大，系統壓力也隨之增大。當油的壓力增大到一定程度時，部分齒輪油會經過溢流閥溢流回齒輪箱。隨著潤滑油流量的減少，齒輪箱潤滑系統的散熱效果降低，從而潤滑油的溫度會持續升高和，150軸承溫度也將逐漸升高。當150軸承溫度高于機組設定溫度時，風機會報警停機。

三、解決風電機故障停機問題的方法

實際揚程即固定的管路阻抗分量會存在于泵類機械的裝置內，這是因為以液態形式存在的傳送物質在傳輸過程中，吸入側和排出側會有會位差產生。故，一般所說的工況調節是指流量調節。而通過調節泵出口閥的開度調節和通過改變離心泵的轉速調節是離心泵最常用的2種調節流量的方法。但是都會使得能源浪費嚴重；所以通過變頻來改變輸油泵電機轉速，是實現油泵的工況調節，解決低溫條件下齒輪箱油溢出導致風電機停機問題的可行的技術途徑。

現在，我們可以控制管路的特性曲線不變，由離心泵的特性可以推論：當使離心泵的轉速改變時，可以列得相關性能關系式如下：

其中，Q、H、P分別代表離心泵轉速為n時的流量、揚程和功率。

圖（3-1） 流量與量程的關系

顯然，功率比等于離心泵轉速的立方之比，因此，當離心泵的轉速即便有微小的變化，其所需的輸入功率也會有一個很大改變。即當轉速減小，功率會減小很多，節能效果可見一斑。經實驗知當離心泵的轉速減小到比額定轉速的20%還要小的時候，離心泵的特性曲線與之前的曲線非常相近，而將離心泵的轉速從n減小到n1的時候，它的特性曲線則平行于原來的曲線?，F在，我們就假設原管路的特性曲線平行于原曲線，可設R代表管路特性曲線R，A是R和HQ(n)的公共點，記為原工況點。待我們加入變頻電機裝置之后，離心泵轉速即變成n1，特性曲線則變成了H1-Q1(n1)，此時，離心泵的出口閥呈全開的狀態，管路特性曲線記為R1(n1)，較為平緩。此時，A1點是R1(n1)和H1-Q(n1)的公共點，記為新工況點。顯然，Q1與Q是相等的，表示離心泵的排量是保持不變的，但是變了的是泵的實際揚程。它從H減少到H1。故，由圖像可知：HAA1H1的面積即表示離心泵揚程節省的能量大小，同時，輸油量也能得到保證。

接下來，我將給出流量與輸出功率及軸功率的關系圖。它包含了電動機的輸入功率、軸的輸出功率（即泵的軸功率）和流量是在不同的調節方式下的變化曲線圖。如圖，曲線1表示在不考慮管路閥門的控制的條件下得到的電動機的輸入功率曲線，曲線2表示采用轉差電動機、液力耦合器，使用轉差功率調速時，得到的電動機的輸入功率曲線，曲線3則表示當使用變頻器調速控制的時候得到的電動機的輸入功率曲線。

圖（3-2） 流量與輸入功率及軸功率的關系

由圖可得，節能效果最好的調節方式是變頻電機調節。

在此，我們給出了變頻調速的主電路圖。（3-3）

圖（3-3）輸油泵變頻調速的主電路

其中主要的硬件設備有：

1 三相異步電動機

2.編碼器

3變頻器

4西門子PLC200

電動機連線圖為：（3-4）

圖（3-4）

變頻器接線圖為：（3-5）

圖：（3-5）

其中在選擇電機的極數和額定功率的時候注意：要求電機的同步轉速盡可能的覆蓋整個調速范圍。因為電機的極數決定了同步轉速。也為了充分利用設備潛能，避免浪費，電機可短暫超出同步轉速，但是要小于電機允許的最大轉速。另外還需注意：一定的海拔高度和環境溫度決定了特定的變頻器的額定容量及參數。一般的范圍是指海拔1000m以內，以及溫度在40℃或25℃以內。但是若在此范圍之外的話，則在確定變頻器參數、型號的時候，環境造成的降容因素就不可忽略了。

[1]李華德,白晶,李志明.交流調速控制系統[M].北京:電子工業出版社,2003.

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Analysis of Oil Mobility Problem of Wind Turbine Gear Case in Low Temperature

Sun Binbin
（Guohua (Hulun Buir) New Energy co., LTD, Nei Monggol , 021000）

As a kind of clean and renewable resources, wind power generation has become an inevitable trend. However, in the wind power generation places such as Northeast China, Inner Mongolia and north China often have the extremely cold weather.In low temperature, the liquidity of lubricating oil will be badly affected thus it makes gear box can't get lubrication and causes fault alarm phenomenon for wind turbine motor. In this paper, it makes a detail analysis of the low temperature fluidity of lubricating oil and the problems that may cause wind turbine gear case malfunction problem, finally, the solution is given.

low temperature；wind turbine；gear case；lubricating oil

T

A

孫彬彬（1989～），男，國華（呼倫貝爾）新能源有限公司，研究方向：風力發電機組齒輪箱潤滑系統。