风电机组变桨轴承漏脂原因及改进措施

罗 敏

（国电电力湖南新能源开发有限公司，长沙 410000）

0 引言

在“双碳”背景下，国内风电产业得到快速发展，风电机组的功率不断提升，而功率的提升对风机的子系统提出了更高的要求。变桨系统是风电机组的重要组成部分，变桨轴承是变桨系统中的核心部件，对于变桨系统变桨动作的连贯性及稳定性有重要的影响。由于风电场运行环境恶劣，长期运行导致的轴承密封圈老化、润滑脂变质，加上变桨轴承的受力不均、润滑方式不当等因素会导致轴承密封圈处出现漏脂现象。如果不及时采取相应的措施，就会导致轴承内润滑脂减少，出现轴承润滑不良，影响变桨轴承的使用寿命。轴承出现故障后，不仅维修成本高，还有可能引发变桨系统的其它故障，进而影响机组运行。因此，对风电机组变桨轴承漏脂原因进行总结分析，并提出相应的改进措施，提高轴承的使用寿命，对于风电机组安全运行有重要的意义。

1 变桨轴承漏脂现象

变桨轴承是轮毂与叶片的重要连接部件，多采用双排四点接触球轴承，具有承载力强、回转阻力小等特点，在兆瓦级的风电机组中应用比较广泛。由于风电机组的运行环境恶劣，为保证轴承的润滑稳定性，轴承密封圈多采用丁腈橡胶密封圈。该密封圈的耐磨性好，采购成本低，安装方便，其内外双唇结构能防止润滑脂泄漏和外界大粒灰尘等异物进入到轴承内部，是轴承制造商优先选用的密封圈。变桨轴承设计有注脂孔和排脂孔，注脂孔和油管连接在一起，用于为轴承填充润滑脂，排脂孔处安装集脂瓶，用来收集多余的润滑脂。在实际运行中，运转多年的风电机组都存在不同程度的变桨轴承漏脂情况，根据其泄漏程度不同分为轻微渗脂和严重漏脂两种。轻微渗脂是大部分被排出的润滑脂都被收集到集脂瓶内，在密封圈周边只有少量的润滑脂，这种情况属于正常现象，因为轴承内部的润滑脂会随着轴承的旋转而出现温升，同时加上润滑脂本身的侵润性，会导致密封圈有少量的润滑脂渗出。严重漏脂现象是集脂瓶没有收集到或只收集到少量的润滑脂，大部分的润滑脂在密封圈处溢出，这就说明密封圈损坏或润滑系统不良等，需要进行认真排查，并采取相应的解决措施。

2 变桨轴承漏脂的主要原因

2.1 密封不良

密封不良的原因主要有密封圈老化磨损，密封圈结构设计不合理，密封圈安装不当等[1]。风电机组变桨轴承通常用的是丁腈橡胶密封圈，该材质密封圈的使用寿命一般为6年～8年，但风电机组的运行环境恶劣，密封圈更换不及时就会出现老化现象，导致润滑脂泄漏。另外，密封圈和密封摩擦面是接触式密封，长时间运行密封圈会出现磨损，密封性能下降，出现由于密封圈承压不足而导致润滑脂泄漏情况。变桨轴承密封圈多为双唇结构，内唇防止润滑脂泄漏，外唇阻止外界灰尘、水分等进入到轴承内部。虽然这种双唇结构的密封圈应用较多，但实际上这种密封圈的结构比较简单，防渗漏能力差，变桨轴承运行时的载荷变化及外界因素影响会导致密封圈变形，出现漏脂。密封圈安装不当主要是相关人员未按密封圈安装要求进行安装，导致密封圈出现受力不均，接口黏接不良等，注脂运行后易出现翘曲、鼓包等现象，润滑脂在翘曲部位溢出。另外，在叶片安装过程中，用到的液压拉伸器易损坏密封圈，液压拉伸器用来给变桨轴承的连接螺栓以及叶片施加压力。由于连接螺栓和轴承密封圈间的距离较近，拉伸器容易压到密封圈使其损坏，后续运行过程中密封圈的损坏处易出现漏脂。

2.2 轴承内部结构设计不合理

变桨轴承内部结构不合理主要表现在沟道设计不合理以及脂孔分布不合理两个方面。变桨轴承的沟道设计对于润滑脂的流动性有重要的影响，也影响密封圈承受的压力值。正常运行工况下，注脂和排废脂的压力差要小于密封圈承受的压力，这样的话，密封圈就不会出现漏脂情况。如果变桨轴承的内部沟道设计不合理，就会导致润滑脂的流动阻力加大，可能会由于内部压力分布不均出现排脂不畅的情况，导致润滑脂溢出。变桨轴承的注脂孔和排脂孔分布距离要合理，如果距离太短，注脂孔的压力过大会导致新润滑脂还未充分发挥润滑作用就被排出，造成润滑脂浪费；如果分布距离太长，加脂过程中，密封圈受到的局部压力就会过大，从而出现漏脂情况。另外，排脂孔的间距过大也会增大排脂阻力，会导致轴承内部由于排脂不畅而出现漏脂情况。

2.3 润滑脂选择及注入量不当

变桨轴承润滑脂的选择要结合风电场的实际运行环境，同时要考虑润滑脂的稠度、防腐蚀性以及抗氧化性等[2]。通常情况下，外部的环境温度对于润滑脂的稠度有较大影响，随着外界温度的下降，润滑脂的稠度就会增加，流动性就会变差。如果润滑脂选择不当，就有可能会出现稠度增加，甚至出现固化现象，导致排脂孔堵塞，废脂不能及时排出，使密封圈出现泄漏情况。变桨轴承在运行前需要加注适量的润滑脂，注入量过少会导致轴承润滑不足出现磨损的情况，但注入量过多可能会引发漏脂故障。润滑脂的注入量过多，轴承沟道内部润滑脂大量堆积，不仅会增加轴承的温升，还增大其摩擦转矩，在变桨轴承载荷不断变化的情况下，密封圈会出现漏脂现象。

2.4 润滑方式设计不合理

变桨轴承的润滑方式一般采用人工润滑和集中润滑系统润滑的方式。人工定期加注润滑脂的方式虽然维护成本低，但是润滑脂加注量与加注的周期一般根据轴承供应商提供的维护标准来设定。由于不同风电场的运行环境不同，加注量不能满足轴承的实际所需。而且人工加注润滑脂，为增加润滑效果，往往加注量比较大，而且注脂量不均匀，加上轴承出厂前已加注的润滑脂，导致轴承内部润滑脂堆积，出现密封圈漏脂情况。集中润滑系统润滑的方式是自动加注润滑脂，比起人工注脂方式，该润滑方式的注脂量比较均匀，可根据变桨轴承的运行工况及时加注润滑脂。但是在机组停机状态下，集中润滑系统仍按设定好的程序进行注脂，会导致轴承内部的润滑脂堆积，同时轴承沟道内的通道压力增加，注脂压力也会相应增加，当注脂压力超过密封圈的密封压力时，就会导致密封圈周边出现泄漏[3]。在实际运行中，输脂管中未排空的空气也会随着润滑脂进入到轴承内部，增加轴承沟道的压力，导致密封圈被撑开，出现漏脂现象。此外，废润滑脂收集不当也容易导致出现漏脂情况。安装在排脂孔周围的集脂瓶会收集排出的废润滑脂，但随着机组运行时间的增加，废油脂收集效果不好。目前常用的在轴承密封圈外面安装环形收集盒的方式也不能有效地防止润滑脂流失，而且环形收集盒拆卸和清理起来比较困难，增加了维护难度。

3 减少风电机组变桨轴承漏脂的措施

3.1 密封圈的改善措施

变桨轴承密封圈要选择抗磨损、抗老化的材料。定期检查密封圈有无老化、破损、翘曲等情况，及时更换新的密封圈，在安装过程中要严格按照安装标准进行，防止出现安装不当导致润滑脂泄漏的情况。目前变桨轴承密封圈采用的双唇结构，结构比较简单，防渗漏能力较差，可将密封圈结构进行优化改进，改为一道防尘唇、三道封油唇的多唇结构，增加其润滑脂防泄漏能力。防尘唇末端与内圈的外圆紧密结合，既防止外部杂质进入到轴承内部，又防止泄漏的润滑脂继续向外泄漏。第一道封油唇前端和轴承内圈外圆表面接触，末端与轴承外圈内圆表面接触，防止润滑脂从内外圈与封油唇间的缝隙中渗漏。第二、三道封油唇与内圈外圆上的密封槽紧密接触，防止第一道封油唇失效后泄漏的润滑脂继续向外泄漏[4]。优化改进后的密封圈虽然为多唇结构，但加工工艺易于实现，而且多唇结构密封圈能够满足变桨轴承多负荷状态下的密封要求，密封效果好。针对液压拉伸器对密封圈的损坏情况，可与供应商沟通后缩小拉伸器的拉伸头，同时在机组叶片现场安装时，要确保拉伸器与密封圈之间留有足够的安全距离。

3.2 轴承的完善优化

轴承的完善优化主要从轴承沟道设计优化和脂孔尺寸优化两个方面入手。轴承沟道的设计影响润滑脂的流动性，通常变桨轴承沟道多为圆弧过渡，这种沟道设计不利于润滑脂的流动。某风电场采用的变桨轴承的沟道为圆弧过渡式，经过实际验证后发现润滑脂的流动性不好，与轴承供应商沟通后，进行轴承沟道优化设计，在原来的圆弧过渡式的基础上增加了矩形沟槽。经过试验后表明，润滑脂的流动性大大增强，润滑脂可以顺利地排出。对于轴承脂孔的优化设计，主要体现在排脂孔优化方面。润滑脂是由稠化剂、添加剂以及基础油组成的，具有一定的粘稠度，只有在足够外力作用下才会流动，而且流经的截面面积越小，排出时的阻力就会越大。因此，要适当加大排脂孔外侧与集脂瓶相连接的螺纹孔直径，减少排脂压力。GB/T29717-2013《滚动轴承 风力发电机组偏航、变桨轴承》规定，排脂螺纹孔的规格为M14mm×1.5mm，可根据风电场实际需要，在此基础上增加排脂螺纹孔直径[5]。在脂孔分布上，选用注脂孔和排脂孔间隔均匀分布的方式，降低排脂压力。

3.3 合理选择润滑脂及注入量

润滑脂的品质对于轴承的运行具有重要的作用，变桨轴承的工况具有高载荷、低转速的特点，因此润滑脂的选择要考虑油脂的添加种类、黏度等，同时还要考虑其防锈性能、稳定性、耐磨性、抗水性以及泵送性等，确保其性能良好，使用温度范围在-40℃～150℃，能满足轴承的润滑要求[6]。变桨轴承在不同运行环境下要选择不同添加剂的润滑脂，通常海上风机要优先选择钙基脂，因为其不易溶于水，而在空气干燥环境下运行的变桨轴承可选择钠基脂。变桨轴承润滑脂的注入量要合适，根据实际的运行经验得出，变桨轴承的润滑脂最大注入量占轴承内部空间的60%～70%为宜。

3.4 优化润滑系统控制方式

对于变桨轴承润滑方式建议采用集中润滑方式，尽可能减少或不采用人工注脂方式。对于集中润滑系统的控制方式进行优化，将注脂方式改为轴承运行时注脂，机组停运或长时间停机时不注脂。这样的话，轴承内部不会出现大量的润滑脂累积，而且在轴承运行时注脂所需要的压力（0.6×105Pa左右）远远小于密封圈的密封压力（2.8×105Pa左右），不易发生密封圈漏脂情况[7]。对于注脂的频率以及注脂量需要，根据变桨轴承的实际运行状况（变桨角度、速度等）来确定。由于外界温度对润滑脂的稠度有较大影响，因而机组维护人员要根据外界温度的变化来调整润滑系统，外界温度低时，润滑脂比较稠，其泵送性也会变差，需要提高注脂频率，确保轴承内润滑脂充足，外界温度高时，润滑脂的泵送性好，需要降低注脂频率。

4 结束语

在风电机组运行中，导致变桨轴承漏脂的原因较多，外界环境影响也是导致其漏脂的主要因素之一。因此，需要加强日常维护，根据风电场运行实际制定科学的维护措施，杜绝变桨轴承的严重漏脂现象。