海上風力發電機組集中潤滑系統的研究★

王書勇， 王岳峰

（太原重工股份有限公司技術中心， 山西 太原 030024）

引言

海上風電具有資源豐富、發電利用小時數高、不占用土地、不消耗水資源和適宜大規模開發的特點[1]。同時海運適合大噸位和大尺寸部件的運輸，因此海上風機的容量有大型化的發展趨勢。但是海上風機需要考慮鹽霧腐蝕、臺風破壞等不利影響。由于海上風機遠離岸邊，給后期的運行維護工作增添了很大的難度。因此對海上風機各零部件及系統的可靠穩定及長期運轉提出了更高的要求。集中潤滑系統保證風機各零部件運動能夠長久可靠運轉。一套可靠的集中潤滑系統可以降低摩擦阻力和能源消耗，減少表面磨損，延長零部件的使用壽命，保證設備正常運轉，降低后期維護工作的難度和危險性。因此集中潤滑系統是風機設備中的重要組成部分。本文以海上高速永磁風力發電機組集中潤滑系統為例進行研究。

1 集中潤滑系統

1.1 海上風力發電機組需要潤滑的零部件（見表1）

1.2 系統要求

1）海上風力發電機組設備昂貴，現場不便對主要部位進行拆卸維修；

2）工作環境惡劣，經受高低溫和鹽霧腐蝕、臺風考驗；3）必須確保可靠穩定的長期運轉，具有冗余設計；4）要注重對風力發電機組平時的維護，而不是維修。

2 集中潤滑系統的設計

發電機軸承、變槳軸承、主軸軸承、偏航軸承潤滑均屬于脂潤滑。本文僅以齒輪箱集中潤滑系統和變漿軸承集中潤滑系統設計為例簡述海上風力發電機組集中潤滑系統的設計[2]。

2.1 選擇潤滑方案

2.1.1 齒輪箱集中潤滑系統

風力發電機增速器屬于大型的封閉齒輪箱，齒輪傳動的齒面會產生高溫和較大接觸應力，若潤滑不良很可能會在其運轉初期齒面出現一些微點蝕麻點，進而使噪音增大，引起毀壞性的膠合與點蝕失效。潤滑可以減小齒輪的摩擦、磨損，同時也可以起到冷卻、防銹、降低噪聲、改善齒輪的工作狀態，延長齒輪的使用壽命等作用。

齒輪箱失效的形式有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形。針對以上工況，齒輪箱采用機械泵+電機泵相結合的潤滑方式，對齒輪箱中所有的齒輪、軸承均采用強制噴油潤滑；采用兩套電機泵，在一臺泵損壞時風機仍能降功率運行，等風速小的時候進行維修或更換；采用水冷卻方式對齒輪箱中的潤滑油進行冷卻；齒輪箱安裝旁路精濾裝置，獨立循環系統，持續過濾齒輪箱中的潤滑油，改善潤滑油清潔度水平，延長潤滑油使用壽命。在齒輪箱箱體外壁上安裝黏度傳感器，在主油路上安裝金屬/非金屬磨粒傳感器，在過濾器進出油口并聯安裝油液清潔度水分傳感器，通過這些傳感器對齒輪箱的潤滑油狀態進行實時監測，從而監測齒輪箱的運行狀態[3]。

在介質壓力及溫度不同的情況下,設備運行的工況也不同，具體如下：

1）當發電機轉速＜200 r/min時，同時齒輪箱油壓≥0.05 MPa時，齒輪箱可以啟動運轉；若油壓＜0.05 MPa時，報警，停機檢查。當發電機轉速＞500 r/min時，同時油壓＜0.12 MPa時，報警，持續30 min后停機。

2）當齒輪箱油溫＜-15℃時，風力發電機組不運行。

3）當齒輪箱油溫在-15～10℃之間時，齒輪箱內的電加熱器工作，油泵間歇啟動。油液沖開組合過濾器旁通閥,通過粗過濾后，直接回齒輪箱。

4）當齒輪箱油溫≥20℃時，油泵啟動，關閉加熱器。

5）當齒輪箱油溫≤45℃時，忽略從過濾器堵塞指示器發出的信號（因為在低溫時過濾器元件周圍較高的油黏度和與之有關的較高的壓差，會錯誤發出實際上未發生的過濾器污染指示）。

6）當油溫≥45℃時，過濾器堵塞指示器才進行監測。如果在這個溫度條件下，堵塞指示器發出報警信號（濾芯內外壓差≥0.3 MPa），說明濾芯已堵塞，應及時更換維護。

7）當齒輪箱油溫＜45℃，油液不經過油水換熱器直接進入分配器進行潤滑。

8）當齒輪箱油溫≥45℃，溫控閥(安裝于油路塊內)開始切換，隨著溫度升高逐漸加大油液進入換熱器的比例；直至油溫達到60℃，油液完全經過油水換熱器進入分配器進行潤滑。

9）當齒輪箱油溫≥80℃時，風機立即停機報故障。

10）旁路精過濾油泵出口與過濾器進口之間的壓力開關發訊，壓力≥0.2 MPa時，需檢查更換過濾器濾芯。

2.1.2 變漿軸承集中潤滑系統

變槳軸承及軸承內齒圈潤滑，潤滑泵安裝于輪轂內部，隨葉輪一起旋轉，旋轉速度為0～12 r/min。變槳裝置一共有三套變槳軸承，每個軸承有16個潤滑點，還有1個潤滑小齒輪對軸承內齒圈進行潤滑。

一般風機變槳軸承及軸承內齒圈潤滑有兩種潤滑方式：遞進式和單線式集中潤滑系統。遞進式集中潤滑系統是通過潤滑泵依次連接各級分配器，將潤滑脂提供送到各潤滑點。在主分配器上設置柱塞探測器，用來監控整個系統的工作狀態。單線式集中潤滑系統采用全并聯結構，任一點的故障不影響其他潤滑點的正常工作，還可單獨調整每個點的供油量，每個潤滑點都可設置指示桿，可直接找到故障點，維修方便，維護成本低，只需單獨更換故障點，無需整組更換分配器組，擴展容易，不易堵塞，可方便實現冗余設計[4]。

針對海上風機變槳潤滑系統工況，采用單線式集中潤滑系統。工作時，主機PLC控制油脂泵接通24 V DC電源，此時電磁閥接通電源，油脂泵開始工作，壓力潤滑脂通過電磁閥進入主管路，在設定的時間內，主管路壓力升高直至設定壓力，所有注油閥完成一次定量注脂，此時壓力開關反饋信號至主機PLC，延遲一定時間后，PLC控制將油脂泵電源斷開，主管路壓力油脂泄壓回油箱。變槳軸承內齒圈潤滑通過潤滑小齒輪把潤滑脂傳遞到變槳驅動齒輪，最后傳遞到內齒圈。潤滑小齒輪不同的齒上鉆有不同角度的出油孔，從而保證了潤滑脂被均勻地涂到需潤滑的齒面上[5]。

2.2 選擇潤滑泵

2.2.1 油泵流量的計算

齒輪箱潤滑采用的是油潤滑，排量根據軸承及齒輪數量、位置，齒輪箱散熱等因素確定油泵流量。可參考下式確定：

式中：Q為潤滑泵的流量，L/min；K為考慮系統漏油、泵的磨損及計算誤差的系數，一般取1.05～1.5，根據設備類型而定為各潤滑點需油量總和，可參照有關零部件的需油量計算，L/min。

2.2.2 脂潤滑泵選擇和計算

變漿軸承潤滑泵需要旋轉，因此潤滑泵選擇油箱和潤滑泵一體式，油箱內置壓油盤和刮臂，潤滑泵可以在任意方向安裝，也可以在旋轉部件上安裝。安裝在旋轉部件上時，它的功能通過離心力作用來實現。

滾動軸承生產廠家推薦了定期添加軸承潤滑脂量的估算式：

式中：m為潤滑脂量，g；D為軸承外徑，mm；B為軸承寬度，mm；X為再潤滑周期系數，X在0.000 6～0.005之間取值，與潤滑間隔有關，環境條件不好時，系數適當增大。

潤滑脂泵的最小流量可按下式估算：

式中：Q1為全部分配器給脂量的總和，mL；Q2為損失油脂量的總和，mL；Q3為系統管路內油脂的壓縮量，mL；T為潤滑泵的工作時間，min，一般取5～8min為宜[6]。

2.3 確定潤滑系統工作制

齒輪箱潤滑系統根據介質壓力及溫度不同處于不同工作狀態，主要通過壓力傳感器和溫度傳感器來實現。

根據風力發電機組運行工況以及軸承需脂量計算，油脂潤滑采用以下工作制：變槳軸承潤滑系統每天啟動8次；主軸軸承潤滑系統每天啟動20次；偏航軸承潤滑系統每天啟動3次。

2.4 繪制集中潤滑系統的原理圖（見圖1、圖2）

圖1 齒輪箱集中潤滑系統原理圖

2.5 廢油回收及處理

齒輪箱潤滑油換油不得遲于齒輪箱運轉36個月，除非油樣經過測試可以繼續使用。

脂潤滑采用集油瓶和接油盤進行廢脂收集，運維人員定期清理。

2.6 潤滑油脂的選擇

齒輪箱潤滑油選用Mobil SHC XMP 320工業齒輪油，它具有很好的極壓抗磨性能、良好的冷卻性能和清洗性能、良好的熱氧化穩定性、良好的水解安定性、抗乳化性能、很好的黏溫性能和低溫性能、較長的使用壽命、較低的摩擦系數，能降低齒輪傳動中的功率損耗。

圖2 變槳軸承集中潤滑系統原理圖

脂潤滑選用風電軸承專用潤滑油美孚SHC潤滑脂460WT。它作業溫度范圍-30～+150℃，具有出色的低溫泵送性能和很低的啟動及運轉扭矩，它還具有出色的黏附性、結構穩定性和抗水性，在高溫和低溫條件下提供出色的防磨損、防銹和防腐蝕保護。

3 結語

海上風力發電機組采用集中潤滑方式，實現了自動化、集中化、遠程報警和控制，提高了系統的冗余設計。經過長期的運轉實踐證明，系統運行穩定可靠，潤滑效果良好，為今后海上風機潤滑系統設計提供了很好的驗證平臺。