某風電場齒輪箱損壞及原因分析

（東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000）

某風電場齒輪箱損壞及原因分析

王明軍，郭雅克，梅國剛

（東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000）

在新建風電場時，合理的微觀選址和機組選型有利于減小機組的交變載荷與疲勞損壞。風電機組工作在自然環境條件下，在不同的風電場，不同的機位，工況差別很大，風電場微觀選址直接關系到部件損壞和機組壽命。機位之間風況差別很大的風電場，應根據不同機位的風況條件決定各個機位機組的葉片長度或機型。文章以某風電場為例，闡述風電場微觀選址和機組選型對機組部件損壞的重大影響。

齒輪箱，湍流強度，疲勞損壞，葉輪直徑

0 前言

在風電快速發展時期，不少風電場因急于上馬，微觀選址沒有引起足夠的重視，機位沒有經過嚴格篩選或者欠考慮。有的風電場在微觀選址時，機位即使進行了篩選，大都從降低投資成本和提高發電量方面考慮，而微觀選址對機組壽命和部件損壞考慮較少；在機組選型時，往往注意到增加葉輪直徑對增加發電量所帶來的好處，而忽視了風電場極端風況、平均風速、風能密度和湍流強度等因素對機組部件造成的損壞。在風電場的實際運營過程中，不僅增加了機組的故障幾率，而且，還經常出現大部件損壞現象，使風電場的長期運營成本大大增加。

1 微觀選址不當造成機組部件損壞

風電場微觀選址質量的高低，直接關系到風電場發電量、建設投資的成本以及機組的使用壽命，一個高質量的風電場微觀選址，應在一定的范圍內，使風電場發電量最大化，兼顧考慮降低機位的道路、吊裝場地平整、集電線路等投資，同時應避免風電機組尾流、湍流過大以及因特殊地形造成對風電機組機械部件的損壞[1]。

1.1不同風電場齒輪箱損壞狀況的比較

某風電場安裝有某廠家82型1.5 MW風電機組28臺，葉輪直徑82 m，2011年3月機組完成調試并網運行，其中有一臺機組不僅主軸軸承的端蓋螺栓和彈性支撐螺栓等容易松動，而且主齒輪箱低速軸端蓋螺栓還多次斷裂，該機組報振動故障頻繁。

2011年11月至2011年12月，先后3次出現齒輪箱端蓋螺栓斷裂現象，總共有8顆斷裂，還有幾顆出現了不同程度松動，造成主齒輪箱漏油非常嚴重。因主齒輪箱結構及空間限制，現場無法更換主齒輪箱端蓋螺栓。2013年1月更換主齒輪箱后，2014年2月再次發生齒輪箱端蓋螺栓斷裂，該機組運行3年，更換2個主齒輪箱，每次齒輪箱的損壞部位均在齒輪箱端蓋螺栓處出現斷裂。斷裂的螺釘均位于低速軸的正下方和側下方。

故障機組的偏航齒輪箱也容易損壞，且損壞齒輪箱內部的多個齒輪斷齒嚴重。當風速超過15 m/s時，時常會出現偏航液壓剎車器剎不住車，該機組的功率曲線差和發電量較低，報振動停機頻繁，故障率高。該機組的現場照片，如圖1所示。

圖1 故障機組的現場照片

另外，2012年2月，對該風電場的所有主齒輪箱進行了檢查，60%以上的主齒輪箱端蓋螺栓均出現了松動，其他機組的偏航齒輪箱也有損壞。然而，其他風電場的同型號、同批次82型機組，在運行同樣時間之后，則未出現類似現象。

另一風電場（機組分布，如圖2所示。輪轂中心高度處兩個測風塔湍流強度，見表1）66臺77型機組，主齒輪箱、偏航齒輪箱等與事故機組基本一致。

圖2 另一風電場部分機組現場照片

表1 另一風電場實測的湍流強度值（2011年1月至2012年1月測風數據）

從表1中的湍流強度值可以看出，盡管湍流強度比IEC標準（2005版）中的A類安全等級（16%）還要高，但是，該風電場機組運行時間超過5年，未出現齒輪箱端蓋螺栓斷裂和偏航齒輪箱損壞，機組故障幾率明顯低于故障機組所在的風電場。

通過以上分析表明：事故機組所處機位的風況條件超出了該機位機型的安全設計等級。

1.2故障機組機位分析與主齒輪箱損壞

故障機組位于山坡旁的一側，如圖3所示，在山坡靠機位側垂直挖陷，從塔筒中心到山坡垂面距離大約為10 m，山坡頂端高出塔基大約35 m，障礙物在塔基等高平面上的寬度大約為60 m，長180 m，輪轂中心高度65 m。山坡（障礙物）位于機組的主風方向，山坡是導致氣流畸變的主要障礙物。當氣流流過障礙物時，不僅產生很強的湍流，而且，導致風速沿塔筒高度方向變化很大。

圖3 障礙物與故障機組的相對位置示意圖

當風速較大時，在現場通過肉眼可觀察到，葉片旋轉到上面，葉片沿風向彎曲；葉片旋轉到下面，葉片又逆風向彎曲。因此，此機位的風切變很大。葉片旋轉到低處時，葉片受到的軸向風力較小；而葉片旋轉到高處時，葉片受到的軸向風力較大。這大大加劇了葉輪平面所受到的橫向、縱向不平衡載荷。當風向變化或機組偏航時，葉輪所受到的不平衡載荷增加，交變載荷進一步增大，該機組葉輪受到湍流的巨大沖擊和陣風等不平衡載荷遠大于其他機組。

如圖4所示，主軸與主齒輪箱采用鎖緊套剛性連接，軸承端蓋止口端頂緊軸承外圈，防止外圈軸向串動，端蓋用螺栓固定于齒輪箱前箱體上。葉輪受到的交變載荷可以通過主軸傳遞到齒輪箱的軸承端蓋上。葉輪在旋轉過程中，當葉片每次通過葉輪的下部時，葉片受力會產生巨大變化，在葉輪上產生很大的交變載荷，主軸與齒輪箱前軸承內圈連接在一起，齒輪箱前軸承內外圈之間存在著一定的應變或間隙，而齒輪箱端蓋與箱體之間沒有相對位移或間隙。主軸上的交變應力通過一系列的中間環節最終傳遞到齒輪箱端蓋螺釘上，齒輪箱端蓋下部螺栓受到交變拉應力，因長時間這種交變應力的作用，齒輪箱低速端端蓋螺栓處就會產生疲勞損傷，最終導致齒輪箱正下方和側下方的螺栓斷裂。

圖4 齒輪箱端蓋螺栓在主軸上位置

從理論上講，障礙物是指針對某一地點存在的相對較大的物體。當氣流流過障礙物時，由于障礙物對氣流的阻礙和遮蔽作用，會改變氣流的流動方向和速度，在障礙物的下游形成尾流擾動區，然后逐漸衰弱，在尾流區，不僅風速會降低，而且還會產生很強的湍流，對機組運行十分不利。所以在選址時，必須注意避開障礙物的尾流區[1]。比較理想的距離是擾動區的長度約為17H（H為障礙物高度)，所以,在選址時，要盡量避開障礙物，一般應在10H以上[2]。由于機組的機位距離障礙物很近，因此，該障礙物形成的尾流干擾區對機組的運行產生的影響很大，造成機組部件損壞，如：主齒輪箱、偏航齒輪箱故障幾率增加；由于障礙物對風的遮蔽作用，使機組的功率曲線變差，發電量降低。

當來流從障礙物方向通過時形成的尾流干擾區域很大，干擾區域的計算還可以通過IEC標準進行定量計算。IEC 61400-12-1要求有巨大障礙物的扇區必須排除，見圖5。需要考慮的尺寸有：距離障礙物的實際距離Le和等效風輪直徑De。

障礙物的等效風輪直徑定義為[3]:

式中：

De—等效風輪直徑；Ih—障礙物的高度；Iw—障礙物的寬度。

通過式（1）也可驗證，故障機組所選機位處于障礙物形成的尾流干擾區。由擾流產生強大的交變載荷是造成機組主齒輪箱等部件損壞的主要原因。

圖5 障礙物形成的干擾區域圖[3]

2 湍流強度與機組部件損壞

風電機組容易受到疲勞載荷的嚴重影響。由風剪切力、偏航誤差、軸傾斜、塔架陰影和湍流引起循環葉片平面載荷。因此，許多風電機組部件的設計都取決于疲勞載荷而不是極限載荷[4]。

短期平均風速的波動或湍流會對載荷設計產生主要影響，因為，這是極端陣風載荷和大部分疲勞載荷的來源，葉輪轉動會不斷產生局部剪切陣風，使葉片的疲勞載荷加劇[4]。

由于風電機組運行在復雜和多變惡劣的環境下，所以，機組所承受的載荷情況也是非常復雜的，不同的載荷情況對于機組各個部件的受力情況都有不同的影響，而確定載荷情況對于后續的設計來說是非常重要和基礎性的工作[5]。

在不同的環境條件下，機組的啟動和停止、發電機及變流器的接通和脫開、偏航和變槳距機構的啟停以及機械剎車的投入等引起的瞬態載荷次數不同，風電機組的運行和控制產生的沖擊載荷不同。由于事故機組所在的風電場風況變化和湍流強度較大，從而造成60%以上的主齒輪箱端蓋螺栓都出現了松動。

不同的機位，因風況和環境條件不同，機組所受到的動態載荷差異很大[6]。由于故障機組所受到的動態載荷遠比其他機組大，所以，主齒輪箱更容易損壞。

3 故障機組偏航齒輪箱損壞及發電量低分析

偏航液壓剎車器固定在偏航軸承內圈上，與機艙固定在一起；偏航剎車盤在偏航軸承外圈上與塔筒固定在一起。當機組停止偏航，偏航液壓剎車器和偏航電機的電氣剎車器均處于制動狀態，偏航液壓剎車器制動，在偏航剎車盤上產生足夠的摩擦扭矩使機艙與塔筒處于相對靜止狀態。因此，在正常情況下，機艙與塔筒之間沒有相對運動。偏航齒輪箱高速軸端與偏航電機主軸連接在一起，固定在機艙端的偏航電機的電氣剎車雖然處于閉合狀態，但是偏航齒輪箱內部各齒輪不會受力。當機組故障或停機，且液壓站處于失壓狀態時，通過偏航電機的電氣剎車使機艙固定，阻止機艙沿塔筒軸向轉動，這時，因葉片處于順槳位置，葉輪所受到沿塔筒軸向的旋轉力小，因此，無論機組運行還是停機時，偏航齒輪箱內部各齒輪不受力或受力很小。

由于障礙物等因素的作用，故障機組所處機位的風況變化大、湍流度大。而葉輪直徑相對較大。當機組運行過程中，葉輪處于開槳狀態，風速較高且偏航停止時，偏航液壓剎車器產生的制動扭矩不足以抵抗葉輪沿塔筒軸向的旋轉扭矩，即：偏航液壓剎車器剎不住車，不能使機艙完全靜止，在塔筒軸向有旋轉運動，巨大的脈動載荷以及強大的沖擊載荷就會傳遞到偏航齒輪箱內部的每一個齒輪上，在偏航齒輪箱內部的齒輪受力嚴重，在交變載荷和擠壓的作用下，造成偏航齒輪箱內部多個齒輪斷齒，導致偏航齒輪箱損壞。

所以，障礙物等因素造成故障機組所在機位風況變化頻繁，機組報振動停機次數多，機組的故障率很高。

由于陣風和湍流等原因造成故障機組功率曲線差，且發電量低。一方面，由于陣風的作用，風的變化速度較快，葉輪慣性很大，使得葉輪轉速不能緊跟風速的變化，從而偏離最佳葉尖速比，造成風電機組的效率降低，功率曲線變差[7]，發電量低。

另一方面，湍流強度是描述風速隨時間和空間變化的程度，反應脈動風速的相對強度。湍流強度越大，風電機組的滿負荷發電風速越高，對功率曲線的影響也就越大[7]，從而造成故障機組效率低、功率曲線差。因障礙物在主風方向，由于障礙物的阻擋作用，葉輪獲得的能量少，發電量低。

4 可能的處理方案

由于障礙物與風電場風況原因使機組的齒輪箱屢次損壞，故障頻發，為了避免部件的疲勞破壞，延長機組壽命，在對機位的環境因素進行充分評估的條件下，并考慮到機組所能承受的湍流強度，可采取以下措施：

（1）在原址上將該機型換成適應湍流強度級別更高或葉輪直徑更小的機型（如：70/77型風電機組）；

（2）將該機組移到湍流強度較小的機位；

（3）由于湍流強度受地面障礙物和地面粗糙度影響較大，塔筒高度增加，機組的有效湍流強度減小。因此，在機位基礎和塔筒強度允許的條件下，適當增加塔筒的高度，把有效湍流強度降低至機組允許的范圍之內；

（4）通過主控制器程序限定機組運行方位，機組僅在湍流強度較小的方位運行，禁止機組偏航到湍流強度與不平衡載荷大的方位運行。

5 結語

國內外的經驗教訓表明，由于風電場選址的失誤造成發電量損失和增加維修費用等將遠遠大于對場址進行詳細調查的費用。因此，風電場選址對于風電場的建設是至關重要的[8]。

故障機組因微觀選址不當，主風方向的障礙物使機組的湍流強度和葉輪不平衡力大大增加，再者，機組的葉輪直徑較大，進一步加劇了故障機組的部件損壞和故障幾率。

新建風電場時，應重視風電場微觀選址和機組選型。在考慮葉輪直徑對增加發電量所帶來的好處的同時，還應充分考慮機組的安全等級要求；在風電場微觀選址時，應重視風電場湍流強度的實際測量，當風電場機位湍流強度超過了IEC標準A類湍流強度安全要求時，一般不應安裝風電機組，或進行特殊設計，以減少機組的故障幾率、大部件損壞，延長機組的使用壽命，降低風電場的長期度電成本。

[1]鐘素梅.風電場的機組選型與場址選址工作探討[J].中國西部科技,2011,10(6):45-46.

[2]于力強,蘇蓬.風電場選址問題綜述[J].中國新技術新產品, 2009,(7):156.

[3]國際電工委員會.風輪:第12部分:風輪發電的動力性能測試IEC61400-12-1-2005[S].2005.

[4][美]Tony Burton,等.風能技術[M].武鑫,等譯.北京:科技出版社,2007.

[5]王志新.現代風力發電技術及工程應用[M].北京:電子工業出版社,2010.

[6]章凱,劉瑋,董德蘭.風電場風電機組有效湍流強度超標處理方式的技術方案探討:陜西省新興能源與可再生能源發展學術研討會論文集[C].西安:陜西省科學技術學會,2011.

[7]王明軍,高原生.風力發電機組實際運行功率曲線影響因素分析[J].風能,2013,(4):74-79.

[8]黎作武,賀德馨.風能工程中流體力學問題的研究現狀與進展[J].力學進展,2013,(43):472-525.

Damage and Cause Analysis of a Wind Farm Gearbox

Wang Mingjun，Guo Yake，Mei Guogang
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In the new wind farm,the reasonable selection of micro-sitting and type of WTG will be benefical to reduce alternating load and fatigue damage of the unit.Wind turbines work under natural environmental conditions，whose working conditions vary greatly in different wind farms,different seats.Micro-sitting of wind farms is directly related to component damage and life time of WTG.Wind conditions vary greatly among different seats in the wind farm,the type of the WTG or the length of the blade should be determined ac?cording to wind conditions of the respective seats.This paper takes a wind farm as an example，and describes a major impact for com?ponent damage in micro-sitting of wind farms and the type selection of WTG.

gearbox,turbulence intensity,fatigue damage,impeller diameter

TK83

B

1674-9987（2016）04-0070-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.015

王明軍（1967-），男，高級工程師，1991年畢業于沈陽工業學院機械工程系機制工藝與設備專業，2006年獲得西安交通大學熱能與動力工程專業工程碩士學位，現主要從事風力機組的現場技術、服務和培訓工作。