风电低温机组齿轮箱油温加热方式研究与探讨

孙仲泽

东方电气风电有限公司 四川德阳 618000

风力发电机组常处于风资源丰富但环境温度极低的区域，而且常因电网故障等原因使得机组处于无电源状态或待机状态。如果环境温度过低，机组再次启机时需长时间加热齿轮箱润滑油以保证合适粘度的润滑油为齿轮箱提供良好的润滑，否则齿轮箱会因润滑不良导致寿命降低。但另一方面，加热时间过长，等待温度达标的阶段即白白浪费了发电机会，还要从电网消耗电能。因此减少润滑油的加热时间可以大大提高发电收益。本文从就两种温升途径对提高齿轮箱温度等展开分析和探讨。

1 风机齿轮箱润滑油的选定

1.1 润滑油的选定原则

润滑油具有减少摩擦、降低温度和清洁磨损物等的作用。粘度是润滑油最主要的性能指标，它反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能力[1]。机械部件对润滑油的选定基本是根据运行所需的润滑油的粘度来选定某牌号的润滑油。润滑油的牌号是指在40℃时测定的运动粘度的平均值。高速轻载的设备一般选取粘度值较小的润滑油，工业用的重载设备多选取粘度值高的润滑油，并添加极压添加剂等添加剂以提高润滑油的性能和稳定性。润滑油粘度的选定，一般是根据载荷和转速，并考虑其工作温度来选定。

1.2 粘度与温度

润滑油的粘度与温度有密切的关系。润滑油粘度随温度而变化，当温度升高时，粘度下降。粘度和温度之间关系可用美国材料试验标准(ASTM)的数值和图表来表示，称为粘温曲线。对于风机齿轮箱，根据额定功率、运行转速以及工作环境等因素以及长久以来的经验决定了风电齿轮箱选用牌号为320 的工业润滑油，即该款润滑油在40℃时的运动粘度为320cSt。由于不同品牌的320 润滑油配方的不同，粘温曲线也有所区别。

1.3 启机条件

目前风机齿轮箱通常都要求启机油温需达到10℃以上。在高寒地区，风机停电较长时间后，润滑油油温将迅速下降。极端条件下机舱内温度可能下降至-30℃左右。因此，启机前需要将齿轮箱润滑油油温升高到10℃以上，很显然这个时间的长短决定了启机的快慢，也关系到目前各双馈机组厂商的市场竞争力。因此需要考虑多种途径既要将该时间缩短，又要保证不损坏齿轮箱和润滑油，甚至要考虑对风机的影响。

2 加热器加热方式

2.1 热量核算

目前的低温型机组通常配备机舱加热器，该加热器的功率的选择已充分考虑了机舱内各电气部件等的空气温度要求。风机齿轮箱通常配置2-3 支加热器，总功率约为2kW，其位于齿轮箱的后下部。按照润滑油的温升要求，以单纯靠加热器加热做一个简单的计算。假设齿轮箱油量为350L，从-30℃提升到10℃，加热功率2kW，进行热量核算。即加热器提供的热量与润滑油吸收热量和加热过程中的散热量之和相等。按照该条件，计算加热器将-30℃的润滑油提升至要求值10℃，需要加热的时间约为4h。

2.2 加热器加热的局限性

在润滑油的加热系统中，加热器功率的选择至关重要。对于油品粘度牌号越大，运行环境越低的润滑油，则应采用更低的表面功率密度值[2]。风机齿轮箱在-30℃环境下加热，属于自然对流换热方式，这样加热器周围局部温度可能会剧烈攀升，温度超过润滑油基础油的裂解温度和添加剂的挥发温度，最终将对润滑油造成破坏。根据粘温曲线，-30℃的粘度远大于最大电动泵的泵送粘度，所以，-30℃启动油泵是不可取的，以免对油泵造成损坏。

3 低速空转搅油加热方式

大部分的风机齿轮箱都配备了机械泵，它的存在可以提供电机油泵失效情况下的齿轮箱所需必要润滑。如果低温下低速转动途径可行，低温下低速空转既可以因为搅油加热改善温度情况，同时机械泵的转动可以改善油的流动状况。

3.1 热量总核算

理论上空转时电气负载为0，但考虑齿轮箱内部齿轮啮合时的摩擦、轴承的摩擦和齿轮的搅油损耗等[3]，实际上此时风机在空转模式下吸收的风能与风机中机械部件的效率损失维持着能量平衡。在总的效率损失中，齿轮箱内润滑油的搅油损失占了较大比重[4]。

根据油位，润滑油浸没了低速齿轮约1/5 部分，可以完全浸没行星轮。根据标准ISO/TR14179-1 考虑润滑油黏度、元件直径、齿轮浸润系数和排布系数的影响，将搅油损失的计算分成与轴、齿轮端面、齿面有关的3 个量。按高速轴转速为300rpm，-30℃的粘度80000cSt 计算得到，搅油损失约为5．2kW。随着油温的升高，该值会逐步下降。

3.2 小结

一般来讲，滑动或滚动的表面形成的油膜厚度取决于ZN/P 值。针对低温状态的齿轮箱润滑油，高粘度将有利于形成较厚的润滑油膜。因此低温下齿轮啮合的润滑条件满足，但是齿面热量需要润滑油散热。因此，以空转状态加热，齿轮箱最好以空载低速运行为佳。

4 结语

综上所述，风机断电后启机准备阶段，单纯靠齿轮箱加热器提升齿轮箱油温是不可取的。为了减少单纯靠加热器加热的缺点，必须配合润滑油循环系统以及齿轮箱合理的低速空转提高润滑油的加热效果和循环效率，以便均匀地提升齿轮箱润滑油的温度。低温下齿轮箱润滑油状态的改善为及早启机提供了必要条件，以最终实现及早并网发电，提高发电量。