刍议某厂家1.5MW机型风电机组润滑油冷却系统

文 | 明艳英，李兴国，朱振东

刍议某厂家1.5MW机型风电机组润滑油冷却系统

文 | 明艳英，李兴国，朱振东

截至2014年底，我国安装风电机组76241台，累计装机容量1.14609亿千瓦，1.5MW机组占不同功率机组累计装机容量的61%。

某厂家装机台数较多，装机容量较大，在制造商排名中名列前茅，1.5MW机型市场保有量大。该1.5MW机型风电机组存在齿轮箱润滑油夏季温度高问题，导致机组降负荷或停止运行，影响安全生产，浪费清洁能源，产生较大经济损失。

本文对其润滑油冷却系统进行分析，力求找出产生问题的原因，为解决问题提供依据。

简介

一、风电机组

机组类型：常温型

额定功率：1.5 MW

额定风速：11 m/s

切入风速：3 m/s

切出风速：20 m/s

额定转速：17.4 rpm

发电机额定速度：1810 rpm

叶轮直径：77.4 m

轮毂高度：80 m

罩体尺寸：10162×3642×3782mm

支撑筒直径：φ3282mm

二、齿轮箱

齿轮箱是将风轮转化的动能传递给发电机并使其达到所需要转速的传动机构，由两级行星和一级平行轴齿轮组成，三级传动。

型号：PWE1577/PPSC1280

传动比：—104

额定功率：1.7 MW

额定转矩：933 kNm

外型尺寸：3698×1984×1684 mm

贮油量：600L

润滑油牌号：mobilgear SHC XMP 320合成油

润滑油比热：1.88J/(kg·℃)

润滑油密度：0.915kg/l。

油/风冷却器生产单位：HYDAC贺德克

油/风冷却器型号：OK-EL10L-S/2.1/400-50/SOXX RAL5003型（板翅式）

油/风冷却器额定冷却能力：63kW（油进口和空气进口温度差40℃，油泵流量105l/min）。

三、齿轮箱润滑

齿轮箱主轴轴承为浸油润滑，平行轴轴承和齿轮为 压力润滑，其余轴承和齿轮为压力和浸油复合润滑。齿轮箱贮存的润滑油通过油泵加压、过滤（或冷却）后引入各润滑点实现压力润滑，润滑油压不低于0.8bar。

油温超过55℃，齿轮箱产生的热量大于自然散失的热量，润滑油进入油/风冷却器强制散失多余的热量。此时，油泵额定转速1450rpm，额定流量105l/min，电机功率6kW。

冷却器安装齿轮箱顶部，抽吸机舱内的空气，机舱形成负压，外界空气渗入维护风量平衡。

由于齿轮箱、联轴器、发电机等设备（元件）散热，虽然油/风冷却器连续排出机舱内高温空气，机舱空气温度也高于外界环境温度。

为保证电气元件安全工作，机组要求机舱温度不能高于55℃。

齿轮箱要求具有较好的换热环境；其它厂家类似机型机组要求，齿轮箱处空气流速>3m/s，补充空气温度＜35℃。

齿轮箱要求：高速轴承温度≥90℃度时，机组最高80%额定负荷运行，≥95℃停止运行。齿轮箱油温≥75℃时，机组最高80%额定负荷运行，≥80℃停止运行。

机组产热

机舱内连续产热设备包括齿轮箱、联轴器、发电机、变频柜等，间歇产热设备包括变桨装置、巡航装置等。影响齿轮箱润滑油温度的设备是齿轮箱、联轴器、发电机和变频柜等。

一、齿轮箱

我国规定，在额定工况下，对于三级平行轴或一级行星+两级平行轴齿轮传动的齿轮箱，机械效率应不小于97%；余下3%损耗功率转化为产热功率。

某厂家1.5MW机型机组齿轮箱由两级行星+一级平行轴齿轮组成，结构略有差异，损耗功率估算：

行星齿轮传动损耗率0.8%，两级行星齿轮传动损耗功率为27.2kW；

平行轴齿轮传动损耗率0.85%，一级平行轴齿轮传动损耗功率为14.45kW；

轴承传动损耗率0.1%，不考虑行星架轴承，主轴2只和平行轴4只轴承传动损耗功率为10.2kW；总损耗功率等于51.85kW。

折算机械效率96.95%，估算结果与我国规定相近，所以按机械效率97%计算齿轮箱产热功率较为合理。齿轮箱产热功率51kW。

为散失上述热量，油泵需要高速运行，此时电机功率6kW，这部分功率转化为热能散失。

所以齿轮箱产热能力是齿轮损耗功率和油泵功率之和，即57kW。

二、发电机和变频柜

发电机为双馈异步发电机，额定输出（1810rpm）功率为1.52MW，速度范围1000 rpm-2000rpm，效率≥97%，最大发电机损耗≤45kW，即发电机产热能力45kW；

机舱中变频柜和控制柜中的电气、控制元器件，主要是3×500kW变频器，在工作时产生大量的热量，资料介绍产热能力19 kW。

发电机全封闭式发电机，散热能力差，要求机舱通风顺畅，电机表面积灰能及时清除。变频柜和控制拒内也要求建立良好的空气流场。

三、联轴器

联轴器连接齿轮箱输出轴和发电机输入轴，传递动能，补偿两轴之间的轴向和角度偏差。

联轴器一般采用德国CENTALINK联轴器，属弹性万向联轴器，允许轴向偏移±20mm，角度补偿瞬时最大≤3.0°。

联轴器两端是“LINK”连杆，连杆一端与中间短轴连接，另一端与齿轮箱轴（或发电机轴）上法兰连接。连杆主要部分是球型万向轴承和缓冲衬套，利用这种结构补偿两轴之间的偏差。

一般情况下，弹性联轴器传动效率0.99%-0.995%，万向联轴器传动效率（角度补偿≤3°）0.97-0.98。考虑到CENTALINK联轴器质量好，风电行业安装和检修水平高等特点，联轴器机械效率取为0.995%，额定功率1.5 MW时，联轴器损失功率1500×(1-0.995%)=7.5kW。

联轴器旋转的同时，扰动周边空气，将损失功率转化为散热功率，提高空气温度，所以联轴器产热能力7.5kW。

四、产热总功率

机组产热总功率就是上述齿轮箱、发电机和变频柜、联轴器产热功率之和，即57+45+19+7.5=128.5kW。

产热设备向机舱散热

一、齿轮箱

齿轮箱散热功率分析，限定机组满负荷运行，油温为最高允许温度75℃，外界环境温度35℃。

不考虑凸起的安装环高度，近似考虑齿轮箱是3700×φ1600mm柱形，表面积S1=22.61m2。

压力润滑点分布在齿轮箱中上部，部分润滑油飞溅到齿轮箱内壁，回流至齿轮箱下部油池。在油池储油和飞溅油的共同作用下，箱体表面温度较为均匀。向机舱散热见公式1。

式（1）中：

P1-齿轮箱散热功率/kW；

α1-齿轮箱表面对流换热系数/W/(m2·℃)；对于对流不受妨碍的静止空气，概略值为15W/(m2.℃)-25W/(m2.℃)，由于齿轮箱具有较好的换热环境，取25W/(m2·℃)。

t1-齿轮箱表面温度/℃；取64.54℃（出/入油温75/54.07℃）。

t2-机舱温度/℃；取45℃（估算）。

齿轮箱散热功率P1=11.05kW。

二、发电机和变频柜

机组通过水/风冷却器，散失发电机和变频器产生的热量；虽然水冷散失了大部分热量，但发电机和变频柜的外表面同时也向机舱散失热量。

水/风冷却器最高介质温度70℃，发电机最高进水温度50℃，变频柜最高进水温度45℃。

发电机呈φ900×1800mm筒形，表面积6.36m2，考虑变频柜散热，表面积达9m2。估算经验值0.8kW/m2-1.2kW/m2，发电机和变频柜散热功率9kW。

三、联轴器

上面计算可知，弹性万向联轴器机械效率0.995%，损失功率1500×(1-0.995%)=7.5kW。

联轴器旋转的同时，扰动周边空气，将损失功率转化为散热功率，提高空气温度。所以，联轴器向机舱散热功率7.5kW。

四、产热设备向机舱散热

产热设备向机舱散热总功率为上述齿轮箱、发电机和变频柜、联轴器向机舱散热功率之和，即11.05+9+7.5= 27.55kW。

机组散热

一、罩体

产热设备向机舱散热，加热机舱空气，提高空气温度；一部分热量通过罩体散失到机舱外大气中，一部分热量通过油/风冷却器排放到机舱外大气中。罩体散热见公式2。

式（2）中：

S2—罩体表面积/m2；170m2。

α1—对流换热系数/W/（m2·℃），计算见公式3。

式（3）中：

αw—机舱外空气与罩体的对流换热系数，W/（m2·℃）；良好的强制对流换热，取100W/(m2·℃)。

δ—罩体厚度/mm；8mm。

λ—罩体导热系数/W/（m2·℃）；0.35W/（m2·℃），玻璃钢材料。

αn—机舱内空气与罩体的对流换热系数，W/(m2·℃)；流畅的自然对流/6W/(m2·℃)。

计算可得：α1=5W/m2·℃

Δt1—机舱内外温度之差/℃；10℃。

罩体散失热量：8.5kW；

二、水/风冷却器

发电机和变频柜产热能力为64kW，向机舱散热9kW。

水/风冷却器散热55kW。

水/风冷却器实际出力为额定出力的86%。

三、油/风冷却器

机组产热总功率128.5kW，罩体散热8.5kW，水/风冷却器散热55kW，其余65kW需要油/风冷却器散失。

齿轮箱发热功率57kW，油/风冷却器实际散热65kW。

冷却57kW发热功率，机组配置63kW油/风冷却器，冷却65kW发热功率，需要配置71.5kW油/风冷却器。油/风冷却器实际出力为额定出力的114%。

结论

油/风冷却器额定出力63kW，实际散热71.5kW，冷却器选型偏小。

冷却器选型偏小的原因是没有考虑联轴器、发电机和变频柜向机舱散热，扣除罩体散热后，对冷却器增加的散热负荷。

齿轮箱发热功率57kW，平衡散热片污染导致的冷却能力下降，额定冷却能力为散热功率的1.1倍，油/风冷却器额定出力63kW。油/风冷却器额定出力与实际出力65 kW相接近。这是冷却器对污染敏感的原因。

油/风冷却器即要排出机舱高温空气，又要冷却润滑油；这种“又背又抱”的工作方式，客观上浪费了冷却器的出力。油/风冷却器额定出力63kW，通过冷却器散失的热量65kW，包括产热设备向机舱散热19.05kW，油/风冷却器实际出力为额定出力的72.94%。

由于发电机和变频柜向机舱散热，水/风冷却器实际出力小于额定出力。

油/风冷却器是板翅式冷却器，工作最佳空气洁净度30万级，机舱空气质量不能保证。

（作者单位：明艳英：阜新发电有限责任公司；李兴国，朱振东：阜新美迪原环保科技有限公司）