風電機組齒輪箱磨損的數據特征分析與研究

王 亭

（明陽智慧能源集團股份公司，廣東中山 528400）

0 引言

齒輪箱是非直驅型風力發電機組的核心設備，承擔著傳遞扭矩及增加轉軸轉速的功能。在某種程度上，齒輪箱的正常與否直接關系到風電機組的安全穩定運行。在出廠交付至風電整機商之前，齒輪箱一般會經過各類功能與性能測試，合格后方可順利出廠。隨著風電機組的投入并網運行，齒輪箱在多年長期帶負荷運行過程中，有可能會出現磨損異常，本文則以存在磨損的機組為例，通過分析齒輪箱相關參數，找出在齒輪箱磨損上，機組參數的真實表現。據此可以反映齒輪箱的磨損程度，必要時則啟動停機檢修流程，避免齒輪箱的故障持續擴大，防止帶來更大的損失。

安裝某機型的風電機組的風場，自并網投運以來，其運行狀況一直良好。而其中某臺機組（以001#機組命名編號）在近期的例常巡檢中，發現其負荷出力相較其他機組略微偏低。經全面檢查，確認該風機齒輪箱存在磨損異常，故以該機組為例，分析該機組在剛投入和發生磨損故障后部分參數的變化，進而得出齒輪箱磨損故障的數據特征。

1 潤滑油箱油位

齒輪箱中的潤滑油在機組正常運行期間，一方面在齒輪箱的齒間形成油膜、防止干磨，一方面帶走齒輪箱運行過程中產生的熱量，所以潤滑油在一定程度上可以反映齒輪箱的運行狀態。調取出現齒輪箱磨損的風機潤滑油液位觀察后可以發現，在機組剛投入運行和發生磨損故障異常后潤滑油油位出現較大偏差，且整體呈現上升趨勢（圖1）。

圖1 齒輪箱磨損的風電機組油位時序圖

發生磨損故障后，齒面上的碎屑會落入齒輪箱底部，此時潤滑油油箱的油位會隨之發生變化，隨著故障的嚴重程度加劇，油位的上漲趨勢也愈發明顯（已剔除計劃性的潤滑油加注的影響）。

如果風電機組齒輪箱存在斷齒故障，則進入潤滑油油箱中雜物會更多，此時潤滑油油箱油位上升趨勢會更加明顯，且油位的上漲趨勢劇烈，所以通過油位的上漲，則可以判斷機組是否存在磨損或者斷齒異常，當然此時需要排除是人為加注潤滑油導致的油位突然上漲。

2 齒輪箱軸承溫度及潤滑油溫

齒輪箱發生磨損前后，碎屑會堵塞濾網并會影響齒輪的嚙合情況。對齒輪箱潤滑油系統進油口A1～A4 口油壓的均值等重要數值進行統計分析，以查找異常趨勢，相關數據見表1。其中，時段1 是風力發電機組投運初期，時間段2 則是與故障機組發生齒輪箱磨損故障后相同的時間區間（下同），并且時間段2 要求發電功率大于3000 kW。

表1 001#機組潤滑油壓重要數據統計分析

通過表1 可知，齒輪箱A1～A4 口的油壓在故障發生前后，其在最大值、最小值、均值、中位值以及方差數值變化趨勢是一致的（同時增大或同時減小）。

另外，潤滑油壓方差，故障發生后基本為故障發生前的2 倍以上，相關數據也說明，齒輪箱磨損的機組其油壓在數值分布更加分散。從系統角度來看，齒輪箱磨損會對原有系統的穩定性造成較大影響。

3 齒輪箱軸承溫度及潤滑油溫

從圖2 可以看出，齒輪箱主軸承溫度、發電機前后軸承溫度在磨損故障發生前后，其數值并未出現明顯的上漲，但由于軸承產生的熱量被潤滑油冷卻系統帶走，所以有可能齒輪箱磨損會導致軸承運行期間產生的熱量增加，但由于受潤滑油冷卻系統的影響，軸承溫度升高的異常并未凸顯，而在潤滑油冷卻系統上會有所體現。

圖2 001#機組軸承溫度趨勢

為此，進一步分析潤滑油冷卻系統。從圖3 可以看出，冷卻風扇啟停在風電機組剛投運初期，啟動次數明顯少于齒輪箱磨損故障發生后（風扇運行時信號為“1”，停運時為“0”）。由于風電機組潤滑油冷卻系統的控制邏輯并未發生改變，這說明齒輪箱在發生磨損后產生的熱量明顯多于投運初期。

圖3 齒輪箱油溫及冷卻風扇啟停時序圖

為從數據上說明風扇運行情況的變化，本節將選取該故障風機以及2 臺正常風機M、N 機組進行對比，其中篩選發電功率大于3000 kW的一段時間的運行數據，計算在該功率區間下的累計運行時長及風機運行時間占比進行對比分析，齒輪箱磨損異常的機組，數據分析結果見表2。其中，時段1 是風力發電機組投運初期，時間段2則是與故障機組發生齒輪箱磨損故障后相同的時間區間（下同）；冷卻風扇累計運行時長/機組運行時長。

從表2 可以看出，在時間段1，3 臺機組的所處的環境溫度大致相同，此時冷卻風扇運行時間占比相差不大，其中001#機組略微偏大；但在時間段2，雖然3 臺機組所處的環境溫度也大致相同，但此時001#機組的冷卻風扇運行時間占比與M、N 兩臺機組差距已明顯增大最大偏差達8.62%，而M、N 兩臺機組的運行時間占比相差不大，偏差僅0.90%。說明在時間段2，存在齒輪箱磨損的001#機組，其需要帶走的熱量明顯已多于另外兩臺機組。

表2 3 臺機組潤滑油冷卻風扇運行時長占比統計分析

4 發電折算功率對比分析

一般情況下，當環境風速小于額定風速時，風力發電機組的功率隨風速的增加而增大；當環境風速大于額定風速后，風力發電機組葉片經變槳系統的控制，其機組功率不再隨風速的增加而增大，轉而維持在額定負荷。所以，為了評估齒輪箱磨損對風力發電機組的影響，其環境風速不能大于額定風速，否則無法評估齒輪箱磨損對發電折算功率的影響。

本節將選取風速在一定范圍內（低于額定風速），計算在該風速區間內的累計并網運行時長，對故障發生前后的發電量分別進行統計，并計算其折算功率（發電量/并網運行時長）?？芍摍C組在風速大于10.5 m/s 時即可實現滿發，功率已達到上限。故為甄別齒輪箱磨損對發電機折算功率是否存在影響，本文選取風速為8～9 m/s（低于額定風速），計算在該風速段內并網運行累計時長、發電量，并在此基礎上計算折算發電功率（表3）。

表3 001#機組在選定風速內運行情況分析

從表3 可以看出，齒輪箱磨損異常發生后發電機折算功率比投運初期時間段內減少了190 kW，前后變化比例為6.7%。

為綜合分析數據，對該風場其他2 臺風機（正常運行）在選定風速內（8～9 m/s）也進行發電折算統計分析。在選定風速段內，選取了2 個時間段，X、Y 機組發電折算情況對比分析見表4。

從表4 可以看出，在上述兩個時間段內，X 風機折算功率變化為91 kW，相較于齒輪箱磨損的故障機組變化也較小；在上述兩個時間段內，Y 機組折算功率變化為-35 kW，同樣相較于齒輪箱磨損的異常機組變化也較小。

表4 X 機組和Y 機組在選定風速內運行情況分析

一般來說，齒輪箱發生磨損故障，其嚙合效率會降低，從輪轂傳遞過來的機械能一部分會轉化為熱能散失掉。而從本節分析出來的數據結論來看，出現齒輪箱磨損機組的發電折算功率變動較為明顯，X、Y 兩臺正常的風電機組發電機折算功率波動則明顯較小。

5 結束語

從重要參數齒輪箱油位、齒輪箱油壓、齒輪箱軸承溫度、潤滑油油溫與冷卻風扇啟動情況以及發電折算統計分析可以得知，對于存在齒輪箱磨損故障的機組，其在參數方面，故障發生前后會有不同程度的異常。針對齒輪箱磨損異常，其監控狀態數據異常特征可以總結如下：

（1）齒輪箱油位變化趨勢比較明顯，即當出現磨損時其一般會呈現逐漸上漲的趨勢。

（2）齒輪箱油壓也會出現波動，但需要考慮磨損的位置對A1～A4 口具體影響。

（3）齒輪箱軸承溫度和潤滑油溫在異常發生前后，其趨勢并未發生較大波動，而潤滑油冷卻風扇運行時長占比上漲明顯，這說明由磨損引發的故障效應，最終在冷卻風扇的作用下將熱量傳遞至自然環境。

（4）通過計算發電折算功率，可以大致看出，發電機在齒輪箱磨損異常后傳動效率也會下降。