風力發電機組齒輪箱冬季油溫高故障分析與處理

陳淑娜，李東，田帥

1.華銳風電科技（集團）股份有限公司，北京，100872；2.國材（北京）檢測認證服務有限公司，北京，100037

0 引言

隨著風電技術的快速發展，風電裝機容量越來越大，齒輪箱是風力發電機組的核心部件之一，由于結構的特殊性以及在復雜工況下承受各種復雜載荷，需要對齒輪箱的油溫、油壓、油位、噪聲和振動、功率、轉速等進行監控，確保風電齒輪箱的性能是各廠家極為關注的問題。風力發電機組在夏季出現油溫高比較常見，但某風場3MW風力發電機組，在夏季運轉正常，而在冬季批量出現齒輪箱油溫高報故障，機組控制系統一旦監測到齒輪箱油溫高于最大值，便會報故障，并限功率運行，導致風機在低溫大風工況下功率不到額定功率的1/2。針對此問題，本文通過對該風場多臺機組運行數據進行追蹤分析，發現了問題的關鍵原因，提出了一種結構優化方案，徹底解決了機組冬季油溫高限功率的問題。

1 齒輪箱發熱形式與潤滑冷卻系統原理

1.1 發熱形式

齒輪箱發熱形式主要有以下兩種：

（1）由摩擦副在運行過程中產生的摩擦功率損失，主要包括齒輪嚙合引起的功率損失和支撐軸承摩擦生熱引起的功率損失；（2）傳動機構攪拌潤滑油產生的功率損失。

1.2 潤滑冷卻系統

齒輪箱運行中會產生大量熱量，熱量會通過熱傳導形式引起齒輪箱內零部件和潤滑油溫度升高，齒輪箱箱體表面的散熱量非常有限，需要通過潤滑冷卻系統循環吸收多余的熱量。風力發電機組齒輪箱冷潤滑冷卻系統基本結構如圖1所示。

其主要由油泵-電機組（4）、安全閥（6）、組合過濾器（11.1、11.2、12）、溫控閥（13），風冷油換熱器（14）以及管路（1.1-1.5）構成；泵的吸油管與齒輪箱用軟管相連，回油口與齒輪箱也用軟管相連。

工作原理如下：齒輪箱潤滑系統工作時，油泵-電機組（4）向系統提供壓力潤滑油，當系統壓力超過安全閥（6）設定壓力值時，安全閥打開，齒輪油直接通過安全閥回流至齒輪箱油池內，避免油壓過高破壞系統中其他元器件，當過濾器濾芯壓差大于設定值（如3.5bar）時，濾芯上的單向閥打開，齒輪油只通過50微米粗濾，當齒輪箱油溫升高，濾芯壓差≤3.5bar時，潤滑油經過10微米（11.1）和50微米（11.2）兩級過濾。當齒輪箱油溫低于45℃時，齒輪油經過溫控閥低溫回路到達齒輪箱分配器，當齒輪油箱溫度達到 45℃時，溫控閥（13）開始動作，油液一部分經仍然經過低溫回路到達分配器，另一部分經高溫回路經油冷風扇（14）冷卻后到達齒輪箱分配器，直至溫度上升至60℃，溫控閥低溫回路關閉，高溫回路全開，油液全部流經風冷油換熱器（14）后再進到齒輪箱進行潤滑；當冷卻器（14）的壓差達到 6bar 時，旁通閥（5.3）開啟，齒輪油不經散熱器器而直接進到齒輪箱。

1.3 風冷油換熱器傳熱原理

風冷油換熱器通常采用翅片結構[1]，傳熱效率高，結構緊湊，風電行業較為常用的是鋸齒型翅片、波紋型翅片。

根據傳熱學[2]，傳熱過程是指熱量從壁面一側的流體通過壁面傳到另一側流體的過程，傳熱過程中所傳遞的熱量如下：

式中：

?1——潤滑油傳遞給翅片的熱流量，W；

?2——冷卻空氣帶走的熱流量，W；

C ——潤滑油的比熱容，J/（kg·K）；

M ——潤滑油的質量流量，kg/s；

tf1——熱交換器進口油溫（K）；

tf2——熱交換器出口油溫（K）；

A——熱交換器散熱片的表面積，m2；

h——熱交換器散熱片表面傳熱系數，W/（m2·K）；

tf3——隔板與潤滑油接觸內表面的溫度（K），與潤滑油的油溫和流速成正比；

tf4——熱交換器散熱片與空氣接觸外表面溫度（K）。

根據換熱器的特點，可近似認為?1與?2實時相等。

1.4 額定換熱量計算

由換熱器傳熱原理可知，齒輪箱滑油冷卻系統的如果要滿足熱平衡狀態，熱交換器的換熱量?1或?2應該等于齒輪箱自身產生的熱量?。3MW風電機組齒輪箱設計要求齒輪箱運行效率不低于97%，綜合考慮齒輪箱、發電機和變頻器的效率損失，可得齒輪箱輸入軸功率約為3300kW，在機組額定運轉工況下，齒輪箱自身產生的熱量Q=3300kW×3%=99kW。從而在熱交換器設計過程中，額定散熱量應不低于99kW才能滿足使用要求[3]。

2 齒輪箱冬季油溫高問題分析

2.1 潤滑系統機艙內布置形式

該風場3MW機組潤滑冷卻系統在機艙內的布置形式如下圖2所示。

2.2 硬件故障排查

首先對潤滑系統硬件進行故障排查，排除溫控閥故障、散熱片堵塞、濾網堵塞、齒輪油品降低、機械部件磨損、溫度傳感器故障、濾芯污染等原因[4,6]。除個別機組因為溫控閥失效引起油溫高外，其余機組均未發現硬件故障。據現場反饋，夏季該風場潤滑冷卻系統冷卻效果明顯優于附近的其他風機，無報高溫故障。

2.3 運行數據分析

對該風場多臺機組近一年運行數據進行分析，發現該風場油溫高現象在夏季大風高溫情況下并未出現，而是出現在冬季低溫大風情況下，圖3和圖4為該風場40#、50#機組在2017.5.1-2018.5.1一年的運行數據：

在2017年7月份左右，在環境溫度35℃以上，風速15m/s以上工況下，齒輪箱油溫均低于75℃，而在2018年2月份左右，在環境溫度-18℃，風速18m/s工況下，齒輪箱油溫接近80℃。

2.4 故障分析

潤滑系統通過溫控閥控制油液流向，在油溫低于溫控閥開啟溫度時，油液全部通過低溫回路進入齒輪箱分配器入口，隨著油溫逐漸升高油液全部通過冷卻器回路，進行冷卻后再進入齒輪箱分配器，冷卻器放置在機艙尾部，吸入外界空氣進行熱交換后排出機艙，當溫度極低時，高溫油液被迅速冷卻，越靠近冷卻器出油口油溫越低，齒輪油粘度隨溫度變化較大，低溫時粘度急劇增大，使得換熱器芯體內部阻力大大增加，加之分配器入口阻力較大、潤滑管路較長等綜合因素，產生較大阻力，進而導致系統溢流閥開啟，一部分流量未經冷卻直接回流至齒輪箱[7]，整體系統流量不能全部回至齒輪箱分配器，從而引起齒輪箱油溫高。

綜合分析系統內部阻力較大，是導致報油溫高的主要原因，阻力較大的原因為：風冷油換熱器設計余量大，潤滑管路長，在冬季低溫工作時，油液被迅速冷卻，齒輪油運動粘度會隨著溫度的降低而逐漸增大，并且溫度越低粘度增加得越快，粘度的增加導致油品的流動性變差，由于粘度與溫度之間是指數關系，因此溫度越低，液體的粘度增加越快[3,5]，如下圖5所示。

從而造成齒輪油不能充分被冷卻，故而報故障。

3 解決方案

3.1 優化方案

該方案是基于整體安裝結構不變、物料盡可能少變動的原則進行調整，具體實施方案如下：

3.1.1 調整冷卻參數

根據齒輪箱理論計算發熱量和當地實際環境溫度，調整如下表1所示。調整為60mm寬，進出口位置外移；

?

3.1.2 更換散熱片[1]

安裝接口尺寸不變，根據調整后的冷卻參數重新設計芯體，厚度由95mm增加到113mm；翅片版間距加大，增加迎風面積；油主通道由80mm寬；

3.1.3 調整吸風溫度[2]

在冬季溫度較低時，打開冷卻器支架上的人孔門，將冷卻器由艙外吸風調整為艙內吸風。

3.2 優化后運行數據分析

見圖9-12。

4 結語

本文著重分析了某3MW機組齒輪箱冬季油溫高產生的原因，并據此提出相應的改造方案，對改造前后運行數據進行對比分析，改造后的散熱器，既解決了冬季油溫高限功率情況，又滿足夏季大風高溫工況下的散熱需求，有效解決了齒輪箱冬季油溫高限功率的問題，對于該系列風電齒輪箱冬季油溫高具有重要的指導意義。

針對本文所研究風電機組存在的系列問題，在后續產品設計不僅要考慮冷卻能力不足的問題，還要充分考慮過冷的問題，將散熱余量控制在合理范圍內對，從而提升機組設計的合理性。