風機變槳、主軸軸承潤滑系統改造

郝家東 皇甫瑋

（華能國際電力股份有限公司河北清潔能源分公司，河北 石家莊 050000）

風電機組變槳潤滑油泵、主次分配器損壞嚴重、變槳潤滑系統失效或者變槳軸承內廢舊油脂無法及時排出以及軸承內腔油脂干涸皂化，會影響新鮮油脂在滾珠表面建立油膜，并導致軸承滾珠點蝕和保持架損壞。隨著注油量逐年增加，軸承中的廢潤滑油將隨內腔壓力的增加而增加。大部分廢潤滑油從密封圈溢出，油封對軸承的密封效果將會降低，灰塵等雜質就會進入變槳軸承內，導致軸承出現點蝕、撕裂等現象[1]，最終損壞軸承。

大多數機組主軸軸承密封系統由迷宮密封和“V”形密封圈組成，經過幾年的運行時間，注油、溫升、軸向竄動等問題就會造成主軸密封泄露。并且主軸軸承采用的是被動廢油收集方式，由于廢油排出的螺桿長且內孔較細，因此廢油排放時的阻力較大，主軸軸承轉動時，潤滑油中的基礎稀油容易從油封中排出，黏滯劑則會留在軸承內[2]。隨著溫度升高，基礎稀油被分離，廢油將會發生皂化變質，從而造成油路堵塞，進而導致新的潤滑油脂難以注入，主軸軸承的使用壽命降低。只有定期吸出廢油，加注新鮮潤滑油，才能延長軸承使用壽命。

1 變槳軸承潤滑系統

1.1 變槳潤滑系統工作原理

變槳潤滑系統原理圖如圖1所示。變槳潤滑系統是風力發電機的潤滑系統，主要應用于潤滑風力渦輪機中的變槳系統。變槳系統是用來控制風力渦輪機槳葉角度的系統，使其能夠根據風速和風向的變化來優化風能轉化效率。當潤滑泵啟動時，油脂通過潤滑主管路輸送到單線分配器。單線分配器末端的油壓傳感器動作，并將信號反饋，主管路壓力繼續升高至安全溢流壓力，確保油脂能經過單線分配器定量分配到各潤滑點。各潤滑點供油結束后，潤滑泵停止工作，主管路泄壓，輔助卸荷閥輔助單線分配器泄壓，以定量儲存潤滑脂，系統整個供油過程結束并進入下一個工作循環。

圖1 變槳潤滑系統原理圖

將原來遞進式的潤滑系統改為單線式，增加彈簧式潤滑泵、單線式分配器及附屬管路。單線分配器優點如下：1）單線分配器采用新型集成式全并聯結構，結構緊湊，易于擴展，可有效節約安裝空間。2）采用單點獨立供油模式，任意支路的故障不影響其他支路的正常運行。3）每個出油口均連接指示桿，可明確指示出單線分配器的運行情況。4）可靠性高、片式連接、維修方便且維護成本低，能夠滿足設備在各種條件下的潤滑要求[3]。單線分配器由進口管道、出口管道、分配室、控制閥和支撐結構組成。進口管道負責引入流體，出口管道負責將流體分配到不同位置或系統。分配室位于進口和出口間，通過分配孔控制流體的流量和方向。控制閥用于調節各出口的流體流量和開關狀態，手動或自動操作的閥門均可。支撐結構用于穩定和固定單線分配器的組件，通常是堅固的框架或底座。可以根據具體需求定制單線分配器的結構，以滿足不同的流體分配需求，提高系統的效率和可控性。單線分配器結構如圖2所示。

圖2 單線分配器結構

1.2 變槳廢油收集系統工作原理

變槳廢油收集系統原理圖如圖3所示。采用真空抽取方式，其工作原理分為排油階段和吸油階段。排油階段是液壓泵啟動后，動力管A加壓，壓力油推動階梯活塞，將吸排脂器內收集的廢油壓送到吸排脂器自帶的集油瓶中。排油過程結束后，二位四通閥換向，動力管B加壓。壓力油推動階梯活塞向反方向移動，在吸排脂器內形成真空，將軸承內的廢舊油脂抽吸到吸排脂器內，吸油過程結束。油壓傳感器動作，并將信號反饋到監控器，液壓泵停止工作，監控器計數加1，系統工作結束，進入下一個工作循環。

圖3 變槳廢油收集系統原理圖

系統自帶程序，休止時間、運行時間可根據潤滑注脂量進行調節，并帶有液位傳感器，具有低液位自動報警功能。同時吸脂器末端帶有傳感器（油壓信號報警），可實時監測系統的運行狀態，在風機軸承轉動過程中，能將廢舊油脂定時、定量吸出。根據潤滑的注脂量調整吸脂量，確保每天的吸脂量與注脂量相等，保證軸承內部的油脂處于動態平衡狀態，從而降低軸承使用率，并提高機組運行可靠性[4]。

2 主軸軸承潤滑系統

2.1 主軸密封系統工作原理

主軸密封系統整體結構如圖4所示。密封改造系統的設計應先考慮排油、抗壓，還要兼顧防（軸）竄動等。針對現有條件，對GJEX型雙剖分徑向密封系統做出適當調整以匹配現有結構。主軸密封系統主要由密封環、支承環、固定輔件和定位塊組成。其中，密封環提供徑向密封，是整個密封系統的關鍵部位；支承環與密封環配合連接，固定密封環；固定輔件借用現有螺栓孔將支承環固定于設備端蓋，從而固定好整個密封系統；定位塊提供安裝過程中的同軸度定位，保證密封系統安裝精準。

圖4 主軸密封系統整體結構

主軸密封系統具體結構如圖5所示，密封環為剖分式徑向密封。密封環肩部為橡膠夾布材質，內有剖分式鋼骨架。骨架增強了密封環整體強度，確保了密封性能，同時其插銷式設計可保證在線安裝時能夠精準對接。密封環肩部外圓凸出部位為配合裝配支承環而設計，均布的定位凹槽配合支承環內圓定位凸臺，使密封環與支承環相對靜止。密封環剖分面材質為純橡膠，與橡膠夾布材質相比，具有更好的粘接效果。密封環副唇比標準形式的夾布油封更靠近主唇，可在一定范圍內規避軸竄帶來的對密封的不利影響。

圖5 主軸密封系統具體結構

支承環采用六瓣式設計，每一瓣支承環均包括軸向定位凸臺、定位塊連接孔、輔助固件連接孔以及防轉凸臺等結構。其中一瓣設計有排油槽，安裝時置于正下方，以保證定向排油。支承環靠近端蓋一面設置膠條槽，配合裝配“O”形密封圈，以防止油脂從端面處泄漏。支承環一端凸出，另一端設置相應的凹槽并預埋螺母柱。裝配時六瓣支承環通過螺桿被連接為一個整體。

固定輔件可采用鑄件，配合支承環將整個密封系統固定于設備端蓋。根據現有相關部位結構設計固定輔件的結構形式，并相互配合。下端采用螺紋孔，確保與支承環能可靠連接。上端開通孔，通過連接螺桿固定于設備端蓋。較大的通孔可起到調節密封系統同心度的作用。

定位塊用于確保密封系統與軸之間的同心度。定位塊與支撐環之間采用錐銷/錐孔過盈配合連接。其中一個錐銷較短，主要配合定位，以便于安裝完成后拆卸定位塊。

該密封系統基于成熟的GJEX雙剖分徑向密封系統，不同之處在于其固定輔件時根據現有設備結構引進的，其他功能與結構均與GJEX雙剖分徑向密封系統一致。GJEX雙剖分徑向密封系統提供針對風力發電機組主軸軸承進行密封，外加主動式廢油收集裝置，可及時清除軸承內部廢舊油脂，減少軸承故障，減緩軸承損壞的發展趨勢。

2.2 主軸軸承潤滑系統廢油收集改造

主軸軸承潤滑系統廢油情況如圖6所示。原始主軸軸承采用自由滴落的方式收集磨損后的廢舊油脂，但油脂有較強的附著性，粘附在轉軸表面，無法完全滴落到下方的收集盒內，并且在主軸轉動過程中還會將沒有及時滴落的油脂甩出，導致塔筒內主軸下方廢油收集盒處污染嚴重。

圖6 主軸軸承潤滑系統廢油情況

該文在主軸軸承上安裝廢油收集裝置，將原來的被動式改為主動式。廢油收集裝置主要由換向閥、液壓泵、廢油收集裝置、控制器、壓力傳感器以及管路接頭附件等組成。

在監控程序的控制下系統開始工作，液壓泵啟動運行，吸排油裝置由電磁換向閥和2根動力油管交替驅動。當一根動力油管有來自液壓泵的壓力時，另一根油管通向油箱進行泄壓。油缸的活塞將活塞泵的柱塞推到最左端，使活塞泵內的廢油排出，進入廢油收集瓶。完成后電磁換向閥反轉，左動力油管與液壓泵相連，用于產生油壓。右動力油管與油箱泄壓缸活塞連接，將活塞泵柱塞壓到最右端。活塞泵工作腔內產生負壓吸力，從而將廢潤滑油脂從軸承內吸出。

廢油收集裝置：廢油收集裝置固定在軸承圓周上的廢油排放孔上，由雙作用油缸和柱塞泵組成。雙作用缸活塞的兩端分別與動力油管連接。柱塞泵設有與軸承廢油排放孔連接的吸油口，柱塞泵右端設有出油單向閥。雙作用缸的活塞與柱塞泵的柱塞鉸接。

控制器：控制器通過程序定時控制廢油收集系統運行。系統2次操作的時間間隔可調，休息時間可調。它可以通過接收傳感信號來增加或減少操作次數。通過LCD界面可了解動態操作，如氣壓、液位和故障碼等，維護時可進行手動操作。

3 結語

將被動式廢油收集系統改為主動式，以達到節約成本和風資源利用最大化的目標。對風機變槳、主軸軸承潤滑及廢油收集系統進行改造，可減少軸承故障，減緩軸承損壞的發展趨勢、減少油污對環境的污染、降低維修成本、提高設備可靠性并延長機組主軸軸承的使用壽命，從而提高公司盈利能力。