1.5MW雙饋型風電機組現場更換齒輪箱方案

2014-02-18 06:41:00胡仕明梅國剛

風能 2014年10期

文 | 胡仕明梅國剛

文 | 胡仕明梅國剛

風電機組主齒輪箱故障，由于受機艙內維修條件限制，現場維修及更換零部件十分困難，絕大多數故障需整體更換齒輪箱返廠維修。

齒輪箱的傳統更換方式：先在裝配車間準備一套新傳動鏈（包含主軸、主軸軸承、軸承座、齒輪箱及相關附件）運往風電場，用450t以上主吊車一臺及50t以上輔助吊車更換傳動鏈，然后把更換下傳動鏈運回車間拆解。這種更換方式主要有以下缺點：需大型車運輸傳動鏈、增加車間拆裝環節、需450t大型吊車及輔助吊車、增加拆裝和更換相關附件等增加了更換成本。現目前更換傳動鏈直接費用約35萬－40萬；由于更換傳動鏈必須拆葉輪，需要較大平地擺放，受現場地理位置限制；因更換傳動鏈現場裝拆部件較多，更換時間相對較長；需一套新裝配的主軸系，更換下來沒有損壞的主軸系需進行維護、維修才能再次投入使用。

基于上述現狀，如果在機艙內實施齒輪箱的更換，不僅能節約更換的成本，還可以縮短更換時間，且減少葉輪的拆卸，因而不受擺放葉輪場地限制。根據1.5MW雙饋型風電機組結構特點現場更換齒輪箱需考慮以下因數：安全性分析；現場拆裝可行性分析；拆裝專用工裝設計；拆裝工藝流程。

方案設計

一、1.5MW雙饋型風電機組結構

如圖1所示，該類型機組結構較為緊湊，傳動鏈主要由主軸系、齒輪箱、聯軸器、發電機組成，主軸與齒輪箱聯結為鎖緊套方式。

二、現場更換齒輪箱方案

在現場實施單獨更換齒輪箱時，齒輪箱拆離后，塔筒以上部件的綜合重心發生了變化，但只要在塔筒承受載荷支撐點范圍內，機架與塔筒聯結螺栓強度足夠即可。而

圖1 1.5MW雙饋型風電機組外形結構圖

整個葉輪的重量必需以軸承為支點在機架上得到平衡，避免葉輪的傾翻危險。利用機架結構，設計專用工裝固定主軸，主軸不動，實現葉輪重量平衡后，在機艙內依靠工裝和液壓千斤頂使齒輪箱與主軸分離，無須拆卸葉輪和主軸軸系，只要揭開機艙罩殼，把拆下的齒輪箱吊下即可。該方案與傳統維修方案相比，減少了葉輪和主軸軸系的拆吊工作，吊車噸位也可減至為200t，從而減少了主軸系（主軸、主軸軸承、鎖緊盤、軸承座，油封、螺母等輔件）的物資準備和運輸，這樣節約了成本，減少了更換的時間。

現場更換齒輪箱載荷安全性分析

機組齒輪箱拆離后，由于機艙、葉輪綜合重心發生了變化，對塔筒、機架會產生一個傾覆力矩。

建立坐標系如圖2，原點設在塔筒軸線和塔筒頂面的交點，不隨機艙轉動。經計算，在機組還沒有拆離任何部套之前，重心（機艙和葉輪）位置：，

從數據看出，整個葉輪和機艙的重心位置在X方向變化最大，但仍處在塔筒頂部直徑范圍內（塔筒頂部直徑為Φ2900mm左右）。

其產生的傾覆力矩：

現場拆裝可行性分析

一、拆裝需考慮的要點

（一）主軸不動，齒輪箱脫離，需考慮機艙內后移空間，主軸與齒輪箱連接是靠鎖緊套，如圖3所示。

因齒輪箱后移受到機架空間的限制，所以必須拆除后端的滑環、潤滑泵及電機、濾油器、加熱器、甚至部分端蓋，保證齒輪箱后端有足夠的空間位置，即L2≥L1，以便于實施主軸與齒輪箱的分離措施。

（二）當齒輪箱后移時，需拆卸齒輪箱兩側彈性支承座與機架連接螺栓，用吊車把齒輪箱吊起，起吊高度約為9mm，避免彈性支承座與機架之間產生干涉，以利于分離措施的實施。在采取這項措施之前，須對主軸軸承受影響程度進行評估。

主軸軸承是采用的是雙列調心滾子軸承，它可承受較大的徑向載荷，同時也能承受一定的軸向載荷。該類軸承外圈滾道是球面形，故具有調心的能力，當軸系受到彎曲或傾斜力而使內圈中心線與外圈中心線相對傾斜在 1°－2.5°之內時，主軸軸承仍能正常工作。如圖4所示各部的支承點及距離計算。

主軸傾斜角度а=аrctg(9/2470)≈0.2°，主軸軸承不會受到影響。

二、拆裝需要設計專用工裝

（一）在齒輪箱分離過程中，雖鎖緊套螺栓已松開，但葉輪部位稍重，齒輪箱前端主軸存在向上的力，會導致脫離困難，因此需要專用工裝固定主軸。另外，該工裝更大的作用是避免葉輪傾翻危險，由于以上的原因，在工裝的結構、裝卡位置設計時，需對工裝、機架、連接螺栓的強度進行校核。

（二）鎖緊套將齒輪箱行星架連接在主軸上，在機組運行一段時間后，行星架可能產生部分變形，以及初始裝配等原因，可能會造成與主軸分離困難。這時需要專用頂開工裝來施加頂開力量。選擇100t雙杠同步式液壓千斤頂，兩側同時施加力量。

圖2 塔頂坐標系

圖3 齒輪箱與相關部件裝配關系

專用工裝設計

一、主軸壓緊工裝

（一）結構設計

如圖5所示，以機艙內機架、主軸結構、空間位置、千斤頂的安放等綜合考慮來設計專用固定工裝，工裝安裝中心位置距離前端軸承支撐中心點L最小1.4m，最大1.9m，按1.68m（如圖4所示）設計。

結構如圖6。

工裝圓弧部分與主軸仿形，接觸受力，葉輪的傾翻力矩通過12顆螺栓與卡在機架上的基座聯結，通過基座傳遞到機架上。

（二）工裝強度計算分析

1.5MW系列風電機組，葉輪質量最大約34.61t，重心距主軸承中心1.67m。1.5MW主軸重量7.15t，重心距主軸承中心0.515m。

專用工具中心距主軸承中心1.68m，因此為達到平衡，在豎直方向加載的力為(34.61*1.67-7.15*0.515)/1.68=32.21t，即315.7kN。

圖4 傳動鏈支撐點示意圖

圖5 壓緊工裝位置設計

圖6 壓緊工裝結構圖

取1.3倍的安全系數，則在專用工具處需加載的最大向下壓力為410.4kN。

建立該夾具的三維幾何模型，如下圖7。

施加載荷進行計算，結果如圖8。

如圖8的應力分析圖顯示，最大應力41.8MPa，在底板與機架接觸的部位，小于主體結構材料Q235－B的屈服強度，主體結構安全。

最大變形0.108mm，在夾具與主軸接觸的兩側，變形較小。

二、分離齒輪箱工裝

頂開齒輪箱，著力點一端設在主軸軸承內圈固定的鎖緊背冒上，另一端設在行星架端面。由于兩點之間安裝有前后可浮動的壓緊工裝，所以傳力必須通過壓緊工裝、液壓千斤頂才能對行星架施加頂開力量。結構設計如圖9所示。

工裝采用100mm厚鋼板，材質Q235－B，作為兩端支撐板，并設計成半圓弧，增加接觸面積，直接安放于主軸上，不需用吊車。中間長支撐采用Φ133×20無縫鋼管承受壓縮力量，材質Q235－B，根據空間結構設計工裝長度。100t雙杠同步式液壓千斤頂通過兩個U型板緊靠壓緊工裝和齒輪箱行星架端面，增加接觸面積，保證工裝、齒輪箱行星架受力均布和平穩。經過強度校核，均能滿足使用要求。

施工時，緩慢加壓千斤頂，頂緊后使用游標卡尺測量工裝側U型板與行星架側U型板的間距，確保間距相等，受力均衡。