風(fēng)電集成式傳動(dòng)鏈中齒輪箱與發(fā)電機(jī)接口處的壓力平衡裝置

梅興育

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司,上海 200241)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化是當(dāng)前風(fēng)電新能源行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),目前主流機(jī)組在5～10 MW之間,未來幾年預(yù)計(jì)在10～20 MW之間。大兆瓦機(jī)型,機(jī)組體積龐大,質(zhì)量大、物料成本高、制造、安裝和運(yùn)維難度大。集成式傳動(dòng)鏈把軸系(主軸、軸承座、主軸承)、齒輪箱和發(fā)電機(jī)集成在一起,減少了軸承和聯(lián)軸器等關(guān)鍵貴重部件的使用;節(jié)省了軸承座、齒輪箱、發(fā)電機(jī)獨(dú)立的箱體端蓋,從而減輕軸系、齒輪箱和發(fā)電機(jī)重量。主軸和齒輪箱、齒輪箱和發(fā)電機(jī)直接剛性連接,避免了使用聯(lián)軸器等部件,減少了中間環(huán)節(jié)造成的能量損耗,提高了傳動(dòng)鏈的整體傳動(dòng)效率。軸承是易損件,容易造成傳動(dòng)鏈故障,減少軸承使用直接降低了傳動(dòng)鏈的機(jī)械故障概率,可靠性也得到了提高。集成式傳動(dòng)鏈達(dá)到了輕量化、高可靠性、低故障率、低成本和高效率等開發(fā)目標(biāo)。但傳動(dòng)鏈高度集成化的同時(shí)帶來設(shè)計(jì)難度高、制造精度高、耦合度高、安裝維護(hù)困難等問題。本文重點(diǎn)討論齒輪箱和和發(fā)電機(jī)之間形成環(huán)形腔體的壓力平衡問題[1]。

1 集成式傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)

集成式傳動(dòng)鏈由5大模塊組成,分別是軸系(1)、齒輪箱(2)、發(fā)電機(jī)(3)、潤滑系統(tǒng)(4)和冷卻系統(tǒng)(5),如圖1所示。

圖1 集成式傳動(dòng)鏈

齒輪箱和軸系之間的連接方式(無聯(lián)軸器)是齒輪箱低速級(jí)行星架和主軸通過銷子和螺栓剛性連接(共用主軸承),齒輪箱低速級(jí)齒圈和軸承座通過銷子和螺栓剛性連接。齒輪箱和發(fā)電機(jī)之間也沒有聯(lián)軸器連接,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和齒輪箱高速級(jí)輸出軸通過螺栓剛性連接,發(fā)電機(jī)定子和齒輪箱后箱體通過螺栓剛性連接。潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)放置在齒輪箱頂部和兩側(cè),或者放置在機(jī)艙機(jī)架上。

2 發(fā)電機(jī)內(nèi)發(fā)生油氣附著現(xiàn)象

集成式傳動(dòng)鏈中齒輪箱(1)和發(fā)電機(jī)(2)的定轉(zhuǎn)子之間形成一個(gè)環(huán)形腔體(31),腔體邊界是齒輪箱輸出軸(11)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(21)、發(fā)電機(jī)定子(22)、齒輪箱的后箱體(13)、透蓋(12)及油封(14)的結(jié)合位置,如圖2所示。

圖2 齒輪箱和發(fā)電機(jī)裝配接口

齒輪箱(1)包含輸出軸(11)、透蓋(12)、后箱體(13)、油封(14)、軸承(15)、軸套(16),后箱體(13)和透蓋(12)之間的連接螺栓(7)等部件。發(fā)電機(jī)(2)包含轉(zhuǎn)子(21)、定子(22)等部件。齒輪箱后箱體(13)和發(fā)電機(jī)定子(22)連接螺栓(6),輸出軸(11)和轉(zhuǎn)子(21)連接螺栓(5)。(0)是氣體流向示意,從發(fā)電機(jī)內(nèi)部環(huán)形腔體(31)流向外部。

在樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證階段,我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)重大問題:發(fā)電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子(21)和定子(22)上有油氣附著。因?yàn)榧墒絺鲃?dòng)鏈發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和齒輪箱輸出軸共用一組軸承,這組軸承內(nèi)置在齒輪箱端,所以發(fā)電機(jī)本身沒有潤滑油需求,同時(shí)檢查外部環(huán)境沒有油氣污染源。顯然這些附著在發(fā)電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和定子上的油氣來自于齒輪箱,推測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)改變氣壓把齒輪箱油氣吸出來了。

為此我們?cè)诃h(huán)形腔體(31)內(nèi)做了壓力監(jiān)測(cè),在0°處、45°處、90°處、135°處、180°處、225°處、270°處及315°處8個(gè)方位設(shè)置8個(gè)測(cè)壓點(diǎn),做5次測(cè)試。所用測(cè)壓設(shè)備是數(shù)字壓差計(jì)(精度±0．1%),測(cè)壓計(jì)一端通過管路接到測(cè)壓點(diǎn),另一端連通自然大氣,所測(cè)的壓差數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 環(huán)形腔體(31)壓力測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)表 單位:kPa

從表1可以看出環(huán)形腔體(31)處是負(fù)壓區(qū),齒輪箱本身因?yàn)橛泻粑鲿?huì)自我調(diào)節(jié)達(dá)到壓力平衡,但發(fā)電機(jī)組工作時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(21)高速旋轉(zhuǎn),在齒輪箱(1)和發(fā)電機(jī)(2)之間形成的環(huán)形腔體(31)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓,負(fù)壓產(chǎn)生了吸力,齒輪箱內(nèi)的油氣穿過油封(14)逸散出來附著在發(fā)電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子(21)和定子(22)表面上。眾所周知,發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面嚴(yán)禁有附著物,而來自于齒輪箱的油氣會(huì)形成油污附著在發(fā)電機(jī)磁鋼、線圈上,進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)散熱、發(fā)電甚至引起發(fā)電機(jī)絕緣性能下降。

3 齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間的壓力平衡裝置[1]

如何避免從齒輪箱逸散出的油氣附著在發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子和定子表面的現(xiàn)象發(fā)生,其實(shí)需要解決齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間的環(huán)形腔體產(chǎn)生負(fù)壓的問題。為此,我們?cè)邶X輪箱(1)和發(fā)電機(jī)(2)之間形成的環(huán)形腔體間設(shè)置壓力平衡裝置。此壓力平衡裝置是一個(gè)組合應(yīng)用裝置,分為兩部分。

第一部分是在齒輪箱(1)和發(fā)電機(jī)(2)結(jié)合位置設(shè)置迷宮密封(4);迷宮密封(4)的動(dòng)環(huán)(212)設(shè)置在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(21)上,靜環(huán)(121)設(shè)置在齒輪箱端蓋(12),迷宮通道(8)數(shù)量越多密封效果越好。

第二部分是在轉(zhuǎn)子(21)上設(shè)置一圈透氣孔(211),在滿足轉(zhuǎn)子(21)強(qiáng)度和剛度前提下盡可能多設(shè)置透氣孔(211)數(shù)量,具體示意如圖3和圖4所示。

圖3 齒輪箱和發(fā)電機(jī)裝配接口

圖4 迷宮密封

齒輪箱(1)包含輸出軸(11)、透蓋(12)、后箱體(13)、油封(14)、軸承(15)、軸套(16)、迷宮密封靜環(huán)(121)、后箱體(13)和透蓋(12)之間的連接螺栓(7)等部件;發(fā)電機(jī)(2)包含轉(zhuǎn)子(21)、透氣孔(211)、迷宮密封動(dòng)環(huán)(212)、定子(22)等部件;迷宮密封(4)中,靜環(huán)(121)和動(dòng)環(huán)(212)形成了迷宮通道(8);齒輪箱后箱體(13)和發(fā)電機(jī)定子(22)連接螺栓(6)、輸出軸(11)和轉(zhuǎn)子(21)連接螺栓(5)。(01)是外腔體(311)的氣體流向示意,從發(fā)電機(jī)內(nèi)部流向外部。(02)是內(nèi)腔體(312)與外部的氣體流向示意,內(nèi)腔體(312)氣體從透氣孔(211)流到發(fā)電機(jī)外部,同時(shí)外部大氣從透氣孔(211)進(jìn)入到內(nèi)腔體(312),兩個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了氣體交換。

從圖3我們可以看到,迷宮密封(4)把環(huán)形腔體分為外腔體(311)和內(nèi)腔體(312)。發(fā)電機(jī)組工作時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(21)高速旋轉(zhuǎn),理論上因?yàn)橛辛嗣詫m密封(4)把外腔體(311)和內(nèi)腔體(312)的氣流通道隔斷,而透氣孔(211)通向發(fā)電機(jī)外部,釋放了內(nèi)腔體(312)的壓力,最終內(nèi)腔體(312)的壓力與大氣壓力平衡,避免內(nèi)腔體(312)產(chǎn)生負(fù)壓把齒輪箱(1)的齒輪油油氣吸入發(fā)電機(jī)進(jìn)入外腔體(311)而附著在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(21)和定子(22)內(nèi)表面上。為了驗(yàn)證這個(gè)推測(cè),我們分別對(duì)外腔體(311)和內(nèi)腔體(312)做了壓力測(cè)試。

首先我們對(duì)外腔體(311)做了壓力監(jiān)測(cè),在0°處、45°處、90°處、135°處、180°處、225°處、270°處、315°處等8個(gè)方位設(shè)置8個(gè)測(cè)壓點(diǎn)(此處測(cè)壓點(diǎn)和表1測(cè)試的位置相同),同樣做5次測(cè)試。所用測(cè)壓設(shè)備是數(shù)字壓差計(jì)(精度±0．1%),測(cè)壓計(jì)一端通過管路接到測(cè)壓點(diǎn),另一端連通自然大氣,所測(cè)的壓差數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 外腔體(311)壓力測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)表 單位:kPa

同理我們對(duì)內(nèi)腔體(312)做了壓力監(jiān)測(cè),在0°處、45°處、90°處、135°處、180°處、225°處、270°處及315°處8個(gè)方位設(shè)置8個(gè)測(cè)壓點(diǎn),同樣做5次測(cè)試。所用測(cè)壓設(shè)備是數(shù)字壓差計(jì)(精度±0．1%),測(cè)壓計(jì)一端通過管路接到測(cè)壓點(diǎn),另一端連通自然大氣,所測(cè)的壓差數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 內(nèi)腔體(312)壓力測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)表 單位:kPa

從表2和表3的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,設(shè)置了迷宮密封(4)和透氣孔(211)后,外腔體(311)仍是負(fù)壓,因?yàn)樨?fù)壓是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(21)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力不平衡。有了迷宮密封(4)把外腔體(311)和內(nèi)腔體(312)的氣流通道隔斷后,如有泄漏,泄露源在內(nèi)腔體(312)的油封(14)處,但縱然有油氣泄露也無法進(jìn)入外腔體(311)從而污染發(fā)電機(jī)。

內(nèi)腔體(312)的壓力是正壓,非常接近一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,相比較沒有壓力平衡裝置時(shí)此區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓(表1),可以避免把齒輪箱內(nèi)的油氣吸出來進(jìn)而附著在發(fā)電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子(21)和定子(22)內(nèi)表面上。

樣機(jī)在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行13個(gè)月后,我們觀察外腔體(311)和內(nèi)腔體(312),沒有發(fā)現(xiàn)有油氣附著在發(fā)電機(jī)內(nèi)部定轉(zhuǎn)子表面。

4 結(jié)論

大型化集成式傳動(dòng)鏈在輕量化、高可靠性,低成本和高效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì),同時(shí)也帶來了一些技術(shù)挑戰(zhàn),如本文所述的齒輪箱內(nèi)的油氣穿過油封附著在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子上的問題,本文通過在齒輪箱和發(fā)電機(jī)之間設(shè)置組合壓力平衡裝置,并經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證,有效解決了油氣附著在發(fā)電機(jī)內(nèi)表面的問題,為后來集成式傳動(dòng)鏈研究提供技術(shù)基礎(chǔ),對(duì)我國風(fēng)電事業(yè)發(fā)展有積極推動(dòng)意義。

本組合壓力平衡裝置解決了因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致的油氣附著在發(fā)電機(jī)內(nèi)表面的問題。如果齒輪箱的油封因?yàn)槟p失效,本論文所研究的組合壓力平衡裝置還是不能阻止齒輪油泄漏到發(fā)電機(jī)內(nèi),故需要發(fā)明一種裝置去避免這種情況發(fā)生,當(dāng)齒輪油泄露時(shí)能及時(shí)把油排出去,避免齒輪油污染發(fā)電機(jī),同時(shí)需有智能傳感器發(fā)出漏油信號(hào)給到風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng),提示工作人員及時(shí)維護(hù)。