风电机组粘度对变距减速器功率损失的计算*

杨建秋

(兰州电机股份有限公司，甘肃兰州 730050)

风电机组粘度对变距减速器功率损失的计算*

杨建秋

(兰州电机股份有限公司，甘肃兰州 730050)

针对风机运行于低温环境下，变桨减速器对机组变桨距调节控制和变速恒频控制的影响，分析、研究、计算减速器齿轮箱润滑油粘度造成输出功率的损失，统计不同的低温环境下的功率损失值，通过风机WP4100控制系统调节转矩，解决低温环境下变距控制系统的性能对风机的影响。

风电机组;减速器齿轮箱润滑油粘度;功率损失

1 引言

风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组正是用于将风能转化为电能。风轮是风电机组最主要的部件，变桨距控制通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来调节迎角，由此来控制翼型的升力，以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。在风力发电机组正常运行时，叶片由于向小迎角方向变化而限制功率，一般变距范围为0°～90°，从起动角度0°到顺桨。当达到最佳运行时，已达到额定功率，不再变桨了。功率输出的好坏，与叶片变距速度有关［1］。叶片变距速度反应快，从而产生很小的风轮回转质量惯性力矩，近而调节质量保持不变，保证风机安全、稳定运行。

在不同地域运行的风电机组承受着十分复杂恶劣的交变载荷，除风速随时变化外，其它环境气温条件，如热、太阳光、机械、化学、电以及其它物理作用都会影响风力发电机组的正常运行［2］。甘肃景泰兴泉风大唐电场场地海拔1 713.4～1 883.5 m，年平均气温8.6℃，低于－20℃全年平均温度的天数超过9天，温度有15℃的偏差，特别是在极端环境条件下与其它因素共同作用会更加剧影响，下限温度的变化，就需要考虑风电机组的相应改变。

特别是当环境气温下降，变桨减速器润滑油受到外力(电机驱动)作用而发生相对移动时，油分子之间产生的阻力，使润滑油无法顺利流动，其阻力增大，粘度随之增大，对减速器齿轮箱输出功率减小，从而造成低速重载传动润滑油搅拌损失，功率损失，常常造成使叶片变距系统动力特性变化，使得变距速度降低，影响风轮回转质量惯性力矩，进而影响了功率调节和发电量［3］。需分析、研究、计算减速器齿轮箱润滑油粘度造成输出功率的损失，统计出不同的低温环境下的功率损失值，通过风机WP4100控制系统调节转矩，解决低温环境下变距控制系统的性能对风机的影响。

2 变距减速齿轮箱功率损失计算

计算理论依据如下:

(1)GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2: 2001齿轮－热承载能力 第2部分 热负荷能力计算［4］。

(2)润滑油粘度随温度变化特性的理论基础等。

以兰州电机有限责任公司生产的FD65－1000风电机组1.0 MW三叶片、水平轴、上风向、变距变速、主动偏航风电机组为对象，进行在低气温下润滑油粘度变化，计算齿轮箱功率损失值计算分析、研究，调节风轮回转质量惯性力矩，以保持最佳运行状态。

2.1 风电机组基本参数

基本参数为:额定功率1.0 MW;叶轮毂高度65.037 m;片长度31 m;叶轮直径64.42 m;切入风速3.5 m/s;额定风速12.5 m/s;切出风(10 min均值)25 m/s;风轮额定转速21.5 r/min;切出极限风速(5 s均值)35 m/s;抗最大风速(3 s均值)59.5 m/s;风轮工作转速范围12～21.5 r/min;变距范围 －2°～95°;扫风面积3 257 m2。

2.2 变距减速器参数

变距减速器制造厂家南高齿，传速比1 100.001;尖峰输入功率15 kW;输入转速0～2 500 r/min;正常输出力矩3 200 N·m;最大输出力矩20 000 N·m;减速机润滑油Mobilgear SHC 630;减速机润滑油粘度VG 460;减速机润滑油粘度ISO 150;累计传动误差55.5°;变距电机 SEW传动设备(天津)有限公司DFV112M4/SBM/TF/STH/PLG;交流3×230VAC，4 kW;额定电流15.2A;额定工作转速1 420 r/min;刹车扭矩55 N·m。

2.3 计 算

根据GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2: 2001，齿轮箱总的功率损失PV公式:

式中:PVZ0为齿轮无载荷功率损失;PVZP为齿轮有载荷功率损失;PVL0为轴承无载荷功率损失;PVLP为轴承有载荷功率损失;PVD为密封件的独立载荷损失;PVX为齿轮箱其他零件功率损失。

以上各项功率损失的计算中，PVZP和PVL0与润滑油粘度相关的有:

与润滑油粘度相关的扭矩损失Toil:

2.3.1 齿轮有载荷功率损失

式中:PA为输入功率;μmz为平均摩擦系数;HV为齿轮损失系数。

且当Vt＞50 m/s时，取V∑=50 m/s;当F/b≤150 N/mm时，取μmz=150 N/mm。按减速器齿轮箱内齿轮型式选择表1所示计算参数。

表1 齿轮型式

润滑油的动力粘度ηoil查表2所示，动力粘度u即运动粘度v与密度p的乘积值:u=vp，动力粘度单位厘泊;Ra为齿轮表面粗糙度;XL为润滑油系数，XL为1.0时，用于矿物油，为0.8时，用于聚烯烃和脂类，为0.75［6/V∑］0.2，用于二醇类化合物，为1.3时，用于磷酸脂类，为1.5时，用于牵引油系列。

2.3.2 轴承无载荷功率损失公式

此时限制条件TVL0·n≥200 mm2/s。

其中:voil为润滑油的运动粘度。dm为轴承平均直径;摩擦系数f0，查表3所知。

Mobil SHC 630的运动粘温曲线如表2所示。

表2 运动粘温曲线 /cSt

依据以上公式，风轮变距减速器齿轮箱，一套三台在不同的低温下，计算出不同的变距减速器齿轮箱功率Pv损失数值表4所示。

表3 摩擦系数f0

表4 功率Pv损失

风电机组运行在整个冬季气温变化不同，以及每天气温变化不同，使得变距减速器齿轮箱功率Pv损失数值不同，经统计平均为0.23%，使得控制变距传动动力特性发生了变化，影响机组输出功率。

3 转矩调节

风电机组在变桨距控制系统，变桨距进行调节功率。若退桨速度过慢则会出现过功率或过电流现象，甚至会烧毁发电机;若桨距调节速度过快，不但会出现过调节现象，使输出功率波动较大，而且会缩短变桨轴承的使用寿命。进而会影响发电机的输出功率，使发电量降低。由于环境气温下降，使变桨减速器输出功率减小，需对机组采用不同的环境气温下降转矩值，同时还需考虑三只变桨轴承启动摩擦力矩值，见表5所示。综合各种因数，调节Mita WP4100控制系统参数，常温和低温转矩参数见截屏图片，如图1、2所示。

表5 启动摩擦力矩实际测量值

图1 常温下转矩参数

图2 低温下转矩参数

4 总结

机组运行的环境气温下降，变距减速器齿轮箱输出功率损失，通过调节转矩，使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振动，优化了输出功率，稳定发电机的输出功率的同时，改善了桨叶和风机的受力状况。

［1］ 姚兴佳，宋 俊.风力发电机组原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［2］ 熊礼俭.风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册［M］.北京:中国科技文化出版社，2005.

［3］ ［美］Tony Burton.武 鑫.风能技术［M］.北京:科学出版社，2007.

［4］ GB/Z 22559.2－2008/BS ISO/TR 14179－2:2001［S］.齿轮热承载能力.

Power Loss Calculation for Wind Turbine Viscosity Related to the Variable Pitch Reducer

YANG Jian－qiu
(The office for wind power products，Lanzhou Electric Co.，Ltd，Lanzhou Gansu 730050，China)

When wind turbine is running at low temperature environment，the influence variable pitch reducer producing on adjustment of wind turbines pitch and VSCF is put forward，the power loss caused by reducer gear lubricating oil viscosity is analyzed，researched and calculated，the power losses at different low temperature environment are counted.The torque is adjusted by wind turbines WP4100，which can solve the influence that the performance of variable pitch control system on wind turbine.

wind turbines;reducer gear lubricating oil viscosity;power loss

TH123

A

1007－4414(2013)05－0065－03

2013－08－21

杨建秋(1964－)，男，甘肃兰州人，工程师，主要从事风电机组机械设计方面的工作。