海上风力发电机组集中润滑系统的研究★

王书勇， 王岳峰

（太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024）

引言

海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源和适宜大规模开发的特点[1]。同时海运适合大吨位和大尺寸部件的运输，因此海上风机的容量有大型化的发展趋势。但是海上风机需要考虑盐雾腐蚀、台风破坏等不利影响。由于海上风机远离岸边，给后期的运行维护工作增添了很大的难度。因此对海上风机各零部件及系统的可靠稳定及长期运转提出了更高的要求。集中润滑系统保证风机各零部件运动能够长久可靠运转。一套可靠的集中润滑系统可以降低摩擦阻力和能源消耗，减少表面磨损，延长零部件的使用寿命，保证设备正常运转，降低后期维护工作的难度和危险性。因此集中润滑系统是风机设备中的重要组成部分。本文以海上高速永磁风力发电机组集中润滑系统为例进行研究。

1 集中润滑系统

1.1 海上风力发电机组需要润滑的零部件（见表1）

1.2 系统要求

1）海上风力发电机组设备昂贵，现场不便对主要部位进行拆卸维修；

2）工作环境恶劣，经受高低温和盐雾腐蚀、台风考验；3）必须确保可靠稳定的长期运转，具有冗余设计；4）要注重对风力发电机组平时的维护，而不是维修。

2 集中润滑系统的设计

发电机轴承、变桨轴承、主轴轴承、偏航轴承润滑均属于脂润滑。本文仅以齿轮箱集中润滑系统和变浆轴承集中润滑系统设计为例简述海上风力发电机组集中润滑系统的设计[2]。

2.1 选择润滑方案

2.1.1 齿轮箱集中润滑系统

风力发电机增速器属于大型的封闭齿轮箱，齿轮传动的齿面会产生高温和较大接触应力，若润滑不良很可能会在其运转初期齿面出现一些微点蚀麻点，进而使噪音增大，引起毁坏性的胶合与点蚀失效。润滑可以减小齿轮的摩擦、磨损，同时也可以起到冷却、防锈、降低噪声、改善齿轮的工作状态，延长齿轮的使用寿命等作用。

齿轮箱失效的形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形。针对以上工况，齿轮箱采用机械泵+电机泵相结合的润滑方式，对齿轮箱中所有的齿轮、轴承均采用强制喷油润滑；采用两套电机泵，在一台泵损坏时风机仍能降功率运行，等风速小的时候进行维修或更换；采用水冷却方式对齿轮箱中的润滑油进行冷却；齿轮箱安装旁路精滤装置，独立循环系统，持续过滤齿轮箱中的润滑油，改善润滑油清洁度水平，延长润滑油使用寿命。在齿轮箱箱体外壁上安装黏度传感器，在主油路上安装金属/非金属磨粒传感器，在过滤器进出油口并联安装油液清洁度水分传感器，通过这些传感器对齿轮箱的润滑油状态进行实时监测，从而监测齿轮箱的运行状态[3]。

在介质压力及温度不同的情况下,设备运行的工况也不同，具体如下：

1）当发电机转速＜200 r/min时，同时齿轮箱油压≥0.05 MPa时，齿轮箱可以启动运转；若油压＜0.05 MPa时，报警，停机检查。当发电机转速＞500 r/min时，同时油压＜0.12 MPa时，报警，持续30 min后停机。

2）当齿轮箱油温＜-15℃时，风力发电机组不运行。

3）当齿轮箱油温在-15～10℃之间时，齿轮箱内的电加热器工作，油泵间歇启动。油液冲开组合过滤器旁通阀,通过粗过滤后，直接回齿轮箱。

4）当齿轮箱油温≥20℃时，油泵启动，关闭加热器。

5）当齿轮箱油温≤45℃时，忽略从过滤器堵塞指示器发出的信号（因为在低温时过滤器元件周围较高的油黏度和与之有关的较高的压差，会错误发出实际上未发生的过滤器污染指示）。

6）当油温≥45℃时，过滤器堵塞指示器才进行监测。如果在这个温度条件下，堵塞指示器发出报警信号（滤芯内外压差≥0.3 MPa），说明滤芯已堵塞，应及时更换维护。

7）当齿轮箱油温＜45℃，油液不经过油水换热器直接进入分配器进行润滑。

8）当齿轮箱油温≥45℃，温控阀(安装于油路块内)开始切换，随着温度升高逐渐加大油液进入换热器的比例；直至油温达到60℃，油液完全经过油水换热器进入分配器进行润滑。

9）当齿轮箱油温≥80℃时，风机立即停机报故障。

10）旁路精过滤油泵出口与过滤器进口之间的压力开关发讯，压力≥0.2 MPa时，需检查更换过滤器滤芯。

2.1.2 变浆轴承集中润滑系统

变桨轴承及轴承内齿圈润滑，润滑泵安装于轮毂内部，随叶轮一起旋转，旋转速度为0～12 r/min。变桨装置一共有三套变桨轴承，每个轴承有16个润滑点，还有1个润滑小齿轮对轴承内齿圈进行润滑。

一般风机变桨轴承及轴承内齿圈润滑有两种润滑方式：递进式和单线式集中润滑系统。递进式集中润滑系统是通过润滑泵依次连接各级分配器，将润滑脂提供送到各润滑点。在主分配器上设置柱塞探测器，用来监控整个系统的工作状态。单线式集中润滑系统采用全并联结构，任一点的故障不影响其他润滑点的正常工作，还可单独调整每个点的供油量，每个润滑点都可设置指示杆，可直接找到故障点，维修方便，维护成本低，只需单独更换故障点，无需整组更换分配器组，扩展容易，不易堵塞，可方便实现冗余设计[4]。

针对海上风机变桨润滑系统工况，采用单线式集中润滑系统。工作时，主机PLC控制油脂泵接通24 V DC电源，此时电磁阀接通电源，油脂泵开始工作，压力润滑脂通过电磁阀进入主管路，在设定的时间内，主管路压力升高直至设定压力，所有注油阀完成一次定量注脂，此时压力开关反馈信号至主机PLC，延迟一定时间后，PLC控制将油脂泵电源断开，主管路压力油脂泄压回油箱。变桨轴承内齿圈润滑通过润滑小齿轮把润滑脂传递到变桨驱动齿轮，最后传递到内齿圈。润滑小齿轮不同的齿上钻有不同角度的出油孔，从而保证了润滑脂被均匀地涂到需润滑的齿面上[5]。

2.2 选择润滑泵

2.2.1 油泵流量的计算

齿轮箱润滑采用的是油润滑，排量根据轴承及齿轮数量、位置，齿轮箱散热等因素确定油泵流量。可参考下式确定：

式中：Q为润滑泵的流量，L/min；K为考虑系统漏油、泵的磨损及计算误差的系数，一般取1.05～1.5，根据设备类型而定为各润滑点需油量总和，可参照有关零部件的需油量计算，L/min。

2.2.2 脂润滑泵选择和计算

变浆轴承润滑泵需要旋转，因此润滑泵选择油箱和润滑泵一体式，油箱内置压油盘和刮臂，润滑泵可以在任意方向安装，也可以在旋转部件上安装。安装在旋转部件上时，它的功能通过离心力作用来实现。

滚动轴承生产厂家推荐了定期添加轴承润滑脂量的估算式：

式中：m为润滑脂量，g；D为轴承外径，mm；B为轴承宽度，mm；X为再润滑周期系数，X在0.000 6～0.005之间取值，与润滑间隔有关，环境条件不好时，系数适当增大。

润滑脂泵的最小流量可按下式估算：

式中：Q1为全部分配器给脂量的总和，mL；Q2为损失油脂量的总和，mL；Q3为系统管路内油脂的压缩量，mL；T为润滑泵的工作时间，min，一般取5～8min为宜[6]。

2.3 确定润滑系统工作制

齿轮箱润滑系统根据介质压力及温度不同处于不同工作状态，主要通过压力传感器和温度传感器来实现。

根据风力发电机组运行工况以及轴承需脂量计算，油脂润滑采用以下工作制：变桨轴承润滑系统每天启动8次；主轴轴承润滑系统每天启动20次；偏航轴承润滑系统每天启动3次。

2.4 绘制集中润滑系统的原理图（见图1、图2）

图1 齿轮箱集中润滑系统原理图

2.5 废油回收及处理

齿轮箱润滑油换油不得迟于齿轮箱运转36个月，除非油样经过测试可以继续使用。

脂润滑采用集油瓶和接油盘进行废脂收集，运维人员定期清理。

2.6 润滑油脂的选择

齿轮箱润滑油选用Mobil SHC XMP 320工业齿轮油，它具有很好的极压抗磨性能、良好的冷却性能和清洗性能、良好的热氧化稳定性、良好的水解安定性、抗乳化性能、很好的黏温性能和低温性能、较长的使用寿命、较低的摩擦系数，能降低齿轮传动中的功率损耗。

图2 变桨轴承集中润滑系统原理图

脂润滑选用风电轴承专用润滑油美孚SHC润滑脂460WT。它作业温度范围-30～+150℃，具有出色的低温泵送性能和很低的启动及运转扭矩，它还具有出色的黏附性、结构稳定性和抗水性，在高温和低温条件下提供出色的防磨损、防锈和防腐蚀保护。

3 结语

海上风力发电机组采用集中润滑方式，实现了自动化、集中化、远程报警和控制，提高了系统的冗余设计。经过长期的运转实践证明，系统运行稳定可靠，润滑效果良好，为今后海上风机润滑系统设计提供了很好的验证平台。