风电齿轮箱润滑冷却系统结构优化.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：魏永红（1977），女，南京孚奥智能技术有限公司，本科，工程师，主要专注于新能源及大型电力电子领域技术及产品的革新、发展及管理。-191-风电齿轮箱润滑冷却系统结构优化 魏永红 南京孚奥智能技术有限公司，江苏 南京 210000 摘要：摘要：通过了解风力发电机组齿轮箱运行故障及风险，结合齿轮箱润滑、冷却系统工作原理，提出对润滑、冷却系统进行优化设计；根据实际情况选择合理的优化方案，优化冷却器的设计、油泵和过滤器的配置、润滑冷却系统的控制策略以及润滑油的选择等，从而降低齿轮箱故障，避免齿轮箱因轴承超温或者轴承磨损导致风力发电机组停机，同时延迟齿轮箱及润滑油使用寿命。关键词：关键词：风电齿轮箱；润滑冷却系统；结构设计；优化方案 中图分类号：中图分类号：TM315 1 概述 1.1 背景介绍 风电行业在全球范围内的发展速度非常快，特别是在中国。截至 2021 年，中国的风电装机规模已经连续 12 年稳居世界首位，其中陆上风电装机规模突破了3 亿千瓦，海上风电装机更是跃居世界首位。此外，中国风电行业的年均新增装机容量也保持了快速增长，尽管面临走向平价上网等压力与困难，2020 年 9 月国家明确碳达峰、碳中和时间表以来，我国风电年新增装机容量依然保持在 5500 万千瓦左右。风电行业的发展不仅体现在装机规模的扩大，还体现在发电量的增长。过去 10 年来，我国风电发电量占全国总发电量比重提高了近 4 个百分点，消纳利用情况持续向好。另外，像风力、太阳能、地热等可循环利用的能源，无需产生任何污染和温室气体，它们被视为自然的环保型能源。1.2 风电齿轮箱的重要性 风力发电机机组目前有两种技术路线，其一是直驱型即叶轮直接带动发电机进行发电；其二是双馈型，即叶轮旋转经过增速齿轮箱提高转速再驱动发电机进行发电。双馈型风力发电机机组齿轮箱作为机组驱动链重要设备其状态稳定性直接影响到风机的正常运行，一旦齿轮箱出现故障风机只能停机。由于机舱距离地面较高，齿轮箱的维修难度及成本非常高，重大故障需要将齿轮箱从机舱中吊装下来返厂维修。所以齿轮箱作为风力发电机组的关键部件，其稳定性运行至关重要1。1.3 润滑冷却系统的作用 齿轮箱润滑冷却系统是电动泵驱动齿轮箱润滑油循环，向齿轮箱各个润滑点提供满足压力、流量和清洁度要求的润滑油，在利用外界冷空气将齿轮箱运行产生的热量散热到空气中，从而达到润滑冷却效果，使得发电机组正常、稳定持续运行。2 风电齿轮箱润滑冷却系统概述 2.1 润滑冷却系统的基本组成 润滑冷却系统作为齿轮箱关键部件，其主要应用于风力发电机组齿轮箱的润滑、冷却系统中；系统向齿轮箱的轴承、齿轮啮合处等摩擦点提供过滤后的清洁润滑油，保证齿轮箱持续平稳运行。润滑冷却系统的基本组成主要包括：电机泵组、双精度过滤器、风冷却器、压力传感器、压力表、管路组件（包括管路总成、排气软管、过渡接头、球阀等）2。此外，润滑系统中的滤清器则承担着过滤杂质的任务，它能够清除润滑油中的杂质、磨屑、油泥及水分等杂物，确保送到各个润滑部位的都是干净清洁的润滑油。而冷却器则可以有效地控制油液的工作温度，保证润滑系统的正常运行。总的来说，润滑冷却系统通过以上这些基本组成部分协同工作，实现对设备的高效保护，延长其使用寿命，提高设备的运行效率。2.2 润滑冷却系统的工作原理 润滑系统主要由泵过滤装置、风冷却器及管路组件等组成。其中，泵过滤装置由齿轮泵、电机、阀组中国科技期刊数据库 工业 A-192-和双精度过滤器等组成，主要用于向齿轮箱各个润滑点提供满足压力、流量和清洁度要求的润滑油3。（1）当润滑油温度40时，根据润滑油的粘度特性此时过滤器前后的压力差4bar，滤芯中的旁通阀（开启压力值 4bar）被推开，润滑油只经过 50m的粗过滤。（此时安装在过滤器上的压差发讯器会出现更换滤芯报警提示，该报警信号不作为滤芯更换判断依据）。（2）当润滑油温度40时，润滑油依次经过 10m 的精滤和 50m 的粗滤。若在此阶段压差发讯器出现报警提示，说明滤芯已堵塞需及时更换滤芯。（3）齿轮泵出口设有安全阀，当压力超过 12bar时，安全阀开启溢流，保护系统安全。（4）过滤器顶部设有排气阀，可及时排除过滤器中的气体。（5）过滤器底部设有单向阀，防止在系统停机时润滑油对滤芯的反冲击以及更换滤芯时润滑油外漏。（6）过滤器出口设有温控阀，温控阀可根据温度变化控制两路油液流向的比例。当润滑油温度低于 45时，润滑油少部分经过油/风冷却器大部分直接进入齿轮箱油液分配器；当润滑油温度高于 45时。温控阀开始切换，随着温度升高逐渐加大油液进入油/风冷却器的比例，直至油温达到 60时，润滑油完全经过油/风冷却器后进入齿轮箱分配器。（7）在齿轮箱分配器上安装有电子压力开关，当系统压力值低于设定值时，向机组中控系统发出故障报警信号。风冷却器是由轴向风叶、电机、铝合金散热翅片等组成，主要通过热交换将齿轮箱润滑油中的热量散发到空气中已达到降低齿轮箱工作稳定的目的。机组中控系统通过传感器时时监控整个润滑系统，当系统油温高于设定值时，风扇电机自动启动，当系统油温低于设定值时，风扇电机自动关闭，保证齿轮箱润滑温度处于一个设定范围内。2.3 润滑冷却系统的主要问题 润滑冷却系统常见运行问题主要有泄漏、温控阀失效、散热器冷却能力不足等，存在泄漏是因为密封圈老化、胶管老化、结构设计不合理等原因导致泄漏。温控阀失效是因为温包中的橡胶套损坏导致温控阀失效，冷热油路无法切换，导致全部或者部分润滑油不经过散热器冷却后直接流回齿轮箱，从而导致齿轮箱油温高报警。散热器冷却能力不足是因为散热板片堵塞，散热面积减小，散热性能降低，各零部件老化（尤其是散热板片翅片老化，其传热性能严重下降），散热性能降低。3 风电齿轮箱润滑冷却系统结构优化方法 3.1 优化润滑油的选择 优化润滑油的选择需要选择合适的润滑油类型和粘度等级。首先，我们需要考虑的是齿轮箱的运行环境，这包括负载、转动速度以及工作温度等因素。比如，在中转速、中载荷和温度不高的环境中，可以选择使用中粘度的润滑油；而在高载荷、低转速和高温的环境中，应该选择使用高粘度的润滑油或者添加了极压抗磨剂的润滑油。相对的，当处于负载较轻、运行速率较快且气候较冷的环境中，我们推荐使用较为黏稠的润滑油。其次选择润滑油时，环境因素也是一个关键的考量因素。比如，齿轮箱的技术需求是决定润滑油质量等级（API）的关键因素，而润滑油的粘度等级（SAE）则是由环境温度和齿轮箱的磨损状态所决定的。若使用黏性较高的润滑油，有可能提高行驶的阻碍，减少齿轮箱的功效；相反，这将导致齿轮箱的磨损程度提升。所以，在挑选润滑油的过程中，我们需要根据操作需求来确定最佳的黏性，同时也需要考虑到所处的气候条件和磨损状态。3.2 优化冷却器的设计 散热器采用波纹式，使得进入翅片的流体流动方向不断变化，气流产生扰动，从而加剧了湍流，提高了换热效率。同时，因齿距（孔隙）比较大有效防止柳絮杂物堵塞，一定程度上改善了散热片使用一段时间后的堵塞问题。优化冷却器的设计需要根据设备选择合适的冷却器类型和结构。首先，可以考虑采用高效紧凑的冷却器结构以提高散热效果。例如，冷却器的优化设计，可以根据其结构特点建立数学模型，并使用枚举法对优化模型进行求解。另外，根据不同的应用场景，选择不同类型的冷却器也很重要。在空冷器的设计中，例如，需要关注设计气温，这是设计空冷器时所采用的入口的空气温度，此外，还可以借助仿真软件对冷却器进行分析和优化。总的来说，优化冷却器的设计是一个系统工程，需要综合考虑各种因素以实现最优中国科技期刊数据库 工业 A-193-的效果4。3.3 优化油泵和过滤器的配置 优化油泵和过滤器的配置需要根据润滑冷却系统的需求，从而合理选择油泵和过滤器的参数。首先，对于油泵的选择，需要考虑其工作压力、流量、吸程等参数。例如，油泵的工作压力应略高于系统中润滑油的最大压力；流量则应根据系统的润滑要求进行选择，以确保润滑油能够及时、充足地供应到各润滑部位；吸程则应根据油箱液面高度和管道阻力等因素进行选择。其次，对于过滤器的选择，需要考虑其过滤精度、容量、压差等参数。例如，过滤器的过滤精度应根据系统对油品清洁度的要求进行选择；容量则应根据系统的润滑流量和过滤器的寿命进行选择；压差则应根据系统的工作条件和油泵的性能进行选择。此外，还需要注意定期更换过滤器，以防止滤芯堵塞影响系统的正常工作。同时，也需要定期检查和维护油泵，确保其正常运行。同时将温控阀取消，改为精密压力随动控温阀后，润滑系统高低温均能实现正常工作过程，即高温时所有润滑油全部通过散热器冷却，有效降低润滑油温度，提高散热能力，一定程度上解决齿轮箱油温高问题。3.4 优化润滑冷却系统的控制策略 优化润滑冷却系统的控制策略可以通过采用先进的控制算法，实现对润滑冷却系统的智能控制，以提高系统性能。例如，PLC 智能控制软件可以实现润滑系统故障通过声光报警实时反馈，保证润滑系统的完好运行。此外，智能化润滑技术可以根据齿轮箱的实时润滑状态精确调整润滑方案，提高设备的运行效率。例如，智能集中润滑可以降低运维成本，提高润滑效果的质量保障。总的来说，采用智能控制和模糊控制等先进算法，能够显著提高润滑冷却系统的运行效率和稳定性，降低维护成本，并延长设备的使用年限5。4 风电齿轮箱润滑冷却系统结构优化实例分析 4.1 实例介绍 某风电场的齿轮箱润滑冷却系统主要工作原理为电机带动润滑泵运行，并通过润滑管路将齿轮箱或副油箱中的润滑油输送到齿轮箱的各个润滑点。此外，润滑泵出口设置有单向阀，以避免润滑系统停运时，油液倒流、润滑泵反转。然而，在实际操作过程中，存在一些问题影响系统的正常运行。例如，由于机舱设计密闭性高，导致机舱内存在少量负压、进风不足、内外温差大等问题。这些问题的存在会使得风冷换热器的芯体堵塞，从而导致齿轮箱润滑系统油温过高并引发报警甚至停机。4.2 优化方案实施与效果评估（1）改进机舱设计：通过增加机舱的通风口，提高机舱内外空气的流通性，降低机舱内的负压和温差。通过对机舱内外空气流通性的改善，可以观察到机舱内负压和温差的降低，从而验证了改进机舱设计的有效性。（2）提升风冷换热器的换热能力：可以通过增大风冷换热器的面积或者改变其结构来提高其换热效率。对比优化前后风冷换热器的换热效率，可以评估出提升风冷换热器换热能力的有效性。（3）优化润滑系统的维护管理：定期对润滑系统进行检查和维护，确保润滑泵、管路等设备的正常运行，及时发现并解决问题。通过对润滑系统运行状态的监控，可以观察到润滑系统的稳定运行，以及齿轮箱油温的降低，从而验证了优化润滑系统维护管理的有效性。5 风电齿轮箱润滑冷却系统结构优化的发展趋势 首先，润滑冷却系统的智能化可以通过物联网、大数据等技术，实现对润滑冷却系统的实时监测和智能控制。通过对润滑状态的实时监测和分析，智能化润滑技术可以精确调整润滑方案，以达到最佳的润滑效果。同时，智能化润滑技术还可以将采集到的润滑数据进行分析和统计，为润滑方案的优化提供依据。其次，润滑冷却系统的绿色环保可以通过采用环保型润滑油和高效的散热技术，降低系统对环境的影响。例如，使用生物降解型润滑油和高效换热器，可以降低系统的能耗和排放。为了解决这个问题，可以研发低耗能环保润滑冷却系统。例如，某公司研发的冷却系统采用了高润滑低冷风技术，解决了生产过程中的高温问题，同时也满足了生产工艺的润滑要求。使用该系统可以提高生产效率，延长轴承使用寿命三到四倍，提高产品合格率，降低企业成本6。随着全球环境的日益恶化，研究低污染与无污染的冷却润滑技中国科技期刊数据库 工业 A-194-术成为当前绿色制造中的重要课题之一。通过油气冷却润滑技术的绿色润滑冷却方案，可以有效解决这一问题。另外，集成化润滑冷却系统可以通过将润滑冷却系统与其他关键部件（如变频器、电机等）集成在一起，实现整体优化。集成式设计需要润滑油满足齿轮箱润滑冷却需求。因此，选择合适的润滑油对于集成化润滑冷却系统的运行至关重要。6 结束语 目前，这个阶段恰逢风力发电机组制造技术进步的黄金期，其市场扩张具备极高的可能性。同时，中央政府也在提升绿色能源的应用上的政策扶持，这都将推动各行各业提升其自主创新的实力。在风能发电装置中，润滑系统能确保全部机器的工作效率。如果希望增强风能发电新能源，打破当前的关键难题，就必须由专业的科研人员来改善风电齿轮箱组的稳健特性，并减少零部件出错的可能，以此来开发出具备高品质、高标准的全套科研方法。参考文献 1赵万东.风电机组齿轮箱高温问题处理分析J.电子技术,2023,52(10):236-237.2 吴 晓 军.基 于 大 数 据 的 风 电 齿 轮 箱 状 态 监 测 与 故 障 诊 断 研 究 J.现 代 工 业 经 济 和 信 息化,2022,12(10):62-63,66.3祝志超.基于数据驱动的风电齿轮箱故障诊断策略研究D.无锡:江南大学,2022.4伍源,朱才朝,谭建军等.环境参数对风电齿轮箱传动系统疲劳损伤的影响 J/OL.重庆大学学报,1-162023-12-12http:/