海上風電變槳機箱的設計與研究

劉純斌 謝 珍

（1、國能信控互聯技術（河北）有限公司，河北 固安 065500 2、國能信控互聯技術有限公司，北京 100039）

風力發電機組結構主要由葉片、輪轂、變槳系統、齒輪傳動系統、發電機等部件和系統組成。風電變槳系統作為風電機組中最重要的控制系統，受國內外風電相關行業和研究機構的關注。變槳機箱作為連接輪轂與槳葉的重要部件，通過變槳驅動作用，改變槳葉受風的角度實現風機發電。海上風電變槳機箱的工作環境非常惡劣（高低溫、高鹽霧、高潮濕、強紫外線等），其結構力學性能、系統抗擾能力均關系到風力發電機的正常運行、發電效率等[1]。

目前，國內海上機組多以電動變槳系統為主，而關鍵的電控系統都集成在箱體內部。控制箱體為內部電氣單元提供保護，箱體強度直接影響整個風機運行的運行安全。隨著風電行業的不斷發展，機組容量也在不斷擴大，風機葉片不斷加長，那么滿足大容量風機的變槳控制系統設計是我們首要考慮的目標。

本文主要以某型號的海上風電變槳機箱為例對其進行設計和研究，通過設計驗證和試驗數據，得出海上風電變槳機箱各項性能指標均滿足其安全運行的結論。

1 變槳機箱的設計

海上風電變槳箱一般是連接彈性支撐安裝在輪轂腹壁上，跟著軸承的轉動承受瞬態載荷，在瞬態載荷的的作用下，箱體易發生疲勞、磨損、振動開裂等不可估量的經濟后果，因此，在設計階段重點考慮其抗振動及強度剛度性能，加上海上風電運行的外部環境復雜多變，在防腐、防霉、防潮、IP 防護、EMC 抗擾等方面應依據規范要求設計[3]。

1.1 機箱框架設計

機箱的框架結構類型是機箱剛度的決定條件，一般框架分為螺紋連接型和整體焊接型兩種，螺紋連接型框架把單獨的結構通過螺紋連接在一起，這種結構的加工難度小于整體焊接型，但是它的剛性沒有整體焊接型的框架好。而在整體焊接型的工藝中，框架加工中最重要的部分是控制焊接變形以及焊接工藝造成的外觀缺陷。為了保證機箱的抗振性能，提高機箱的整體剛度，最終確定機箱框架采用整體焊接型，由整體焊接式底托與整體焊接的箱體部分焊接形成機箱框架，在底托和箱體連接采用間斷焊接（圖1）。

圖1 機箱框架設計圖

1.2 材料的選擇與特性

在國內，一般陸上風電變槳機箱主體材料為SUS304，海上風電因外部環境惡劣，運行工況復雜，且維護成本高昂，我們選擇材料特性更好的SUS316 代替SUS304。

SUS316 的耐腐蝕性優于SUS304，而且SUS316 還耐海洋和侵蝕性工業大氣的侵蝕，在高溫環境下，SUS316 更具有耐氧化性和耐熱性。

常規機箱材料基本以冷軋鋼板、熱軋鋼板為主，其機械抗拉強度為不小于270N/mm2，而在海上風機變槳的設計中，基材選用機械抗拉強度高于270N/mm2的板材，從而增加箱體結構的強度和剛度。而SUS316 的抗拉抗拉強度高于520N/mm2。

1.3 防護性能設計

海上風電面臨風沙，海浪，潮汐，流等多重載荷考驗，對風電機組的設備要求很高，潮濕對設備的防霉考驗，鹽水對設備的腐蝕等。海上風電設備的維護檢修難度很大，費用高昂，直接影響風電運行成本。

1.3.1 防潮防霉菌設計

霉菌一般在25～35℃，相對濕度80%以上的環境條件下，繁殖迅速，其分泌的弱酸會使電路板的金屬細線腐蝕，損壞電路功能。要保持設備運行環境的密封性和干燥性。變槳機箱內部要有良好的通風循環，箱體內部采用加熱風扇通過合理的風道設計，保證良好的通風條件。

在變槳機箱內部增加設計氣相腐蝕抑制劑和凝露濕度抵抗器的安裝位置，密封空間內的氣流非常重要，氣流從空間帶走防蝕氣比分散劑釋放的速度更快，從而形成直接的分散路徑。當密封空間充滿間隔或物體時，會加長氣相腐蝕抑制劑分散路徑，能抑制腐蝕的分子，這些分子能在密封空間內的金屬表面形成防護薄層。這個肉眼看不見的防護層能防止水分以及環境元素與金屬表面發生發應，從而防止腐蝕。密封空間打開時分子自動消散。而凝露濕度抵抗器能有優異的吸濕特性，即使濕度很高，也能保持吸收水分，不會達到飽和[5]（圖2）。

圖2 防潮防霉設計單元

1.3.2 防腐蝕設計

海上風機大部分設備暴露于外部的腐蝕環境中，風機設備運行環境從上到下依次為：海洋大氣區（C5-M）、飛濺區、潮差區、全浸區（Im2）和海泥區。輪轂、槳葉及變槳設備處在海洋大氣區，由于高濕度、高鹽霧腐蝕，屬ISO12944-2 分類標準C5-M 環境，腐蝕性是高濕度中等污染工業大氣C3 腐蝕性的3～4 倍，是中等含鹽度的工業區和沿海區域C4 腐蝕性的2 倍[2][4]。

變槳系統機箱整體按腐蝕等級C5-M配置。變槳機箱底托，箱體框架，箱蓋等外部件，均采用SUS316 不銹鋼材質。重載、格蘭、結構件采用SUS304、H62、表面鍍銀等高防腐性的材質。非高強度緊固件采用SUS316 材質。箱體與箱蓋之間的密封材料采用氟橡膠密封膠條。

同時保證箱體內部的濕度，重啟后先啟動加熱器控制箱內濕度。電氣控制采用重載連接器進行電纜連接，減少或屏蔽導電體與空氣的接觸面積。

1.3.3 IP 等級防護設計

海上風電變槳機箱使用的環境復雜且易變，因此對結構對環境的適應能力有著非常高的要求，所以防塵防水是產品最基本功能要求。依據GB/T 32077-2015 風力發電機組 變槳距系統標準相關規定，產品的防護等級滿足IP54，插入式連接要求的防護等級為IP65，所有的外部傳感器和開關要求防護等級IP65。

變槳箱的密封主要涉及箱體蓋板密封、接插件、設備安裝螺孔、外部傳感器。箱體的結構為底托加箱體框架焊接的形式，焊接間斷處打防水密封膠，箱體上所有設備的安裝孔均采用盲孔設計，保證整個箱體的密封性。箱蓋密封采用EPDM 材質電磁屏蔽密封條，不僅配合防塵防水，還帶有電磁適應性，同時在箱蓋內側設計壓緊凹槽，有效增加接觸面積。插入式連接件、外部傳感器均選用滿足IP65 防護要求的供應商（圖3）。

圖3 IP 防護設計

2 變槳機箱的工藝實現

變槳機箱不僅需要在設計上保證，更要通過加工工藝實現。機箱生產流程總結如下:(1)落料-(2)裁剪-(3)折彎-(4)鉚接-(5)拼焊-(6)打磨-(7)噴丸-(8)涂裝-(9)組裝。在焊接型箱體框架結構中，焊接可靠性是箱體框架強度的保證，因此焊接質量需要嚴格控制。為保證質量，對焊接的把控主要分為三個階段進行：

2.1 焊前準備，首先作業人員要有符合生產的資質，包括焊接人員和檢驗人員，做到作業人員持證上崗，其次要對各種類型的焊接做技術評定，做到實施工藝的可靠性，同時還需要編寫工藝指導文件。

2.2 過程控制，定制必要的各類型焊接工裝，控制焊接精度及焊接變形；按照金屬材料焊接工藝要求進行作業。

2.3 焊后檢驗，質量控制過程中對各類型焊縫進行檢查，處理焊接缺陷，保證整體框架的質量要求，確保按圖紙要求執行。對逐個焊縫的狀況進行記錄，包括對返工后的狀況的檢查，有效地控制了機箱焊接過程中的焊接質量（圖4）。

圖4 整體設計圖

3 抗振動試驗數據

依據GB/T 32077-2015 風力發電機組 變槳距系統 風力發電機組、GB/T 11287-2000 電氣繼電器 第21 部分：量度繼電器和保護裝置的振動 沖擊 碰撞和地震試驗 第1 篇：振動試驗（正弦）、GB/T 14537-1993 量度繼電器和保護裝置的沖擊與碰撞試驗，對變槳機箱進行振動和沖擊試驗[3]。

3.1 振動響應：GB/T 11287 中3.2.1 規定的嚴酷等級為1的振動響應試驗；標準要求——交越頻率以下的位移振幅0.035mm，加速度5m/s2（0.5G），每一軸線方向的掃頻循環數為1 次，試驗數據見圖5。

圖5 振動響應圖譜

3.2 振動耐久（正弦）：GB/T 11287 中3.2.2 規定的嚴酷等級為1 的振動耐久試驗；標準要求——頻率范圍為10Hz～150Hz，加速度為10m/s2（1G），每一軸線方向掃頻循環數為20 次，試驗數據見圖6。

圖6 振動耐久（正弦）圖譜

3.3 沖擊響應：GB/T 14537 中4.2.1 規定的嚴酷等級為1的沖擊響應試驗；標準要求——加速度49m/s2（5G），脈沖的持續時間11ms，每個方向上的脈沖數為3 次，試驗數據見圖7。

圖7 沖擊響應圖譜

3.4 沖擊耐久：GB/T 1453 中4.2.2 規定的嚴酷等級為1 的沖擊耐久試驗；標準要求——加速度為147m/s2（15G），脈沖持續時間11ms，每個方向上的脈沖數為3 次，試驗數據見圖8。

圖8 沖擊耐久圖譜

試驗結論：本次試驗未出現變槳箱體機械性能上的損壞，箱內器件安裝、接線牢固。

4 結論

通過海上風電變槳機箱的設計與跟蹤，得出下面的結論:

4.1 根據上述要求設計出的海上風機變槳機箱能夠滿足海上嚴酷環境的要求。

4.2 海上風電變槳機箱已經開始應用于海上風電。

4.3 已逐步建立海上風電變槳機箱設計、工藝、鑒定等方面的技術規范。

4.4 生產工藝，是確保產品質量的關鍵路徑。