WT2000系列风电机组齿轮箱空中更换技术研究

宋建秀，申亮，欧惠宇，何贻春，张杰，吕杏梅，黄翀，丁松，胡鸿达

(中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部，湖南株洲 412000)

0 前言

随着风能产业的蓬勃发展，风力发电机组装机量迅速攀升，同时风力发电机组大部件维护与检修的工作也越来越多。其中，双馈异步风电机组主齿轮箱(增速箱)整体更换的成本一直居高不下。齿轮箱更换工艺的降本增效成为了风电运维行业的迫切需求。

1 关键装备的研发设计与制造

1.1 关键装备的需求分析

风电主齿轮箱在风电机组上主流的安装形式与位置如图1所示。主轴承和齿轮箱两侧的弹性支撑组成了风力机风轮的三点支撑。

图1 一种双馈异步风力发电机组主传动系统组成

一般的齿轮箱更换作业流程为：拆卸风轮→拆卸主轴齿轮箱总成→旧齿轮箱与主轴分离→新齿轮箱与主轴对接→吊装主轴齿轮箱总成→吊装风轮。为了降低成本及提高效率，文中采用更加简洁的作业流程：塔上分离旧齿轮箱与主轴→塔上对接新齿轮箱与主轴。

为了实现上述方案，需要一种结构来临时代替齿轮箱的作用——固定主轴的后端，因此对主轴固定工装的需求应运而生。并且，该主轴固定工装也是齿轮箱空中更换的核心装备[1-7]。

1.2 工装的结构设计

参考了行业的多种设计思路[8-14]，经过多次改进和优化迭代，WT2000系列风电机组齿轮箱空中更换用主轴固定工装的最终结构设计如图2所示。

图2 主轴固定工装的外形结构

所设计工装在风电机组前机架上的安装效果如图3所示。

图3 主轴固定工装在前机架上的安装效果

主轴固定工装设计方面需要注意以下事项：

(1)基本形状方面：①需要考虑底板、底板的螺栓及垫片与风机偏航制动盘的干涉问题。②门架底部的螺纹孔边沿需要倒角，以便于螺栓的安装。③门架底部的螺纹孔的螺纹要足够长。

(2)实际环境的适应性方面：①为了适应制造的误差和形变，底板的门架连接孔最好设计成腰孔，以方便门架左右调节。②为了适应制造的误差和形变，门架的两腿底部需要设计一些5 mm的垫板，以实现门架的高度可调。③在实际应用中，主机架的底面与转轴中心的高度尺寸及主轴的粗细可能存在误差。所以，门架的设计必须考虑其适应性、可调节性(左右方向靠腰孔调节；高度方向靠垫板调节；粗细靠“调整环”、“铜瓦”调节)。④如果过于依赖脚底部的垫板调节高度，则螺栓长度偏短，造成螺纹啮合长度不足。所以可以将螺栓适当加长、螺纹深度适当加深，以增加可调节的范围。

1.3 工装的强度校核与仿真

以WT2000D116/D121风力发电机组齿轮箱空中更换工装为例进行强度校核，其结果如下。

工装校核与仿真所用的载荷来源于整机载荷，而整机载荷的来源为风机所处风场风况数据。运用有限元分析方法进行工装的仿真与校核。设计中采用14 m/s风速对应的极限工况载荷。依据工装受力情况，选择Myzmax工况进行极限强度计算校核。

约束边界的施加：在全局坐标下，约束前机架与偏航轴承接触面上6个方向的自由度。

极限强度分析结果如下：(1)工装主门框计算结果，如图4所示。(2)工装下底板计算结果，如图5所示。(3)连接螺栓计算结果，如图6所示。(4)前机架计算结果，如图7所示。(5)计算得到的结构件极限强度如表1所示。(6)螺栓极限强度计算结果如表2所示。

表1 结构件极限强度

表2 螺栓安全裕度

图4 工装主门框应力云图

图5 工装下底板应力云图

图6 工装底板连接螺栓应力云图

图7 工装应用时的前机架应力云图

综上可知，工装主门框、下底板、前机架、连接螺栓在极限载荷工况下的安全裕度大于0，极限强度满足要求。

1.4 工装的生产制造

为了减小该工装在现场的使用难度，保证作业效率，在生产制造本主轴固定工装时需要严格控制以下项目的精度：(1)主门框两条腿的长度误差；(2)主门框两条腿的长度差异量；(3)主门框两条腿的宽度尺寸精度；(4)主门框顶部圆弧的居中度；(5)主门框顶部圆弧左右对称中心线相对于水平面的垂直度；(6)两块底板上表面的水平度。

2 齿轮箱空中更换工艺研究与运用

WT2000系列风电机组齿轮箱空中更换工艺流程如图8所示。齿轮箱与主轴在空中分离的实际效果如图9所示。

图8 WT2000系列风电机组齿轮箱空中更换工艺流程

图9 齿轮箱与主轴在空中分离的实际效果

一些步骤的探索及取得的研究成果如下：

(1)拆卸主机架下方、偏航平台上方的690 V动力电缆，并给主轴固定工装底板让位。这些电缆可以分为两束，分别用5×104N的手拉葫芦向前上方和后上方牵引，以使电缆产生曲线，给主轴固定工装底板让位。

(2)齿轮箱两侧弹性支撑的轴瓦在安装时有预压缩量(5～6 mm)，所以拆卸轴瓦时，主轴需要上抬一定的距离，在设计工装时就应该考虑该位置的活动空间。

(3)主轴承允许1°以内的偏翘，因此主轴后端允许上下方向的动作，动作幅度(距离)可以计算得出。

由于主轴后端需要上翘，则主轴的前端需要下沉，此时，主轴前端的风轮锁孔会与风轮锁销发生干涉。所以风轮锁销需要提前后退一定的距离，后退距离可以根据主轴前端需要下沉的距离和风轮锁销的锥形几何尺寸计算出来。

如果风轮锁销的后退距离不足，风轮锁销将承受一部分的“风轮-主轴总成” 的前倾覆转矩，降低主轴固定工装承受的载荷。

但是风轮锁销后退过多也不合适，会削弱风轮锁的防风轮主轴旋转的作用。

(4)齿轮箱与主轴分离向后移动时，可能与后机架发生干涉，在作业之前必须充分考虑该问题。若干涉不严重，可以将齿轮箱后底部的附件都拆卸掉；若干涉比较严重，可以考虑将齿轮箱后箱体拆卸，或者将后机架的干涉部分切除，事后再补焊上。

(5)主轴固定工装安装完成之后，为了保证工装的可靠性，可以增加主轴固定工装的现场静载试验(见图10)。步骤如下：①安装主轴固定工装，与主轴紧密接触；②将齿轮箱两侧的弹性支撑松掉，保证不向齿轮箱施加压力(轴瓦无压力即可，但不要留过大间隙)；③用吊车给齿轮箱施加2.5×104kN的拉力，将齿轮箱的重力全部抵消。

图10 主轴固定工装的现场静载试验方法

消除齿轮箱重力和弹性支撑的向下压力之后，主轴固定工装进入载荷最大状态(危险状态)，此时可以考验工装的承载能力。仔细检查工装，如果没有任何异常，表示测试通过；如果有任何失效迹象，则该工装无法使用。

该试验方法可以及时撤销，避免主轴与风轮的重大危险。在测试主轴固定工装承载能力的同时，还可保证风机的安全。

3 不足与展望

所研制的主轴固定工装在以下几个方面还存在优化、改进空间：

(1)工装的安装、拆卸要更加容易；

(2)工装的结构、用材可以更加合理、高效；

(3)增加工装的通用性，使其与不同机型的适配性更强；

(4)冗余保护设计：只靠一条腿即可将主轴抱住，则两条腿会形成非常安全的冗余保护；

(5)设计特殊结构，使主轴夹紧装置与主轴表面形成紧密、大面积的接触，避免应力集中。

4 结论

针对WT2000系列风电机组，研制了适配的齿轮箱空中更换用主轴固定工装；探究了齿轮箱空中更换作业中的新操作工艺和方法，并取得了一定的成果。

该研究成果大大降低了WT2000系列风电机组齿轮箱更换的作业成本(包含吊车成本和时间、人工成本)，降低了维修期间的发电量损失，促进了风电整机行业大部件运维检修技术的进步。