某風(fēng)電場齒輪箱損壞及原因分析

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

某風(fēng)電場齒輪箱損壞及原因分析

王明軍，郭雅克，梅國剛

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

在新建風(fēng)電場時，合理的微觀選址和機(jī)組選型有利于減小機(jī)組的交變載荷與疲勞損壞。風(fēng)電機(jī)組工作在自然環(huán)境條件下，在不同的風(fēng)電場，不同的機(jī)位，工況差別很大，風(fēng)電場微觀選址直接關(guān)系到部件損壞和機(jī)組壽命。機(jī)位之間風(fēng)況差別很大的風(fēng)電場，應(yīng)根據(jù)不同機(jī)位的風(fēng)況條件決定各個機(jī)位機(jī)組的葉片長度或機(jī)型。文章以某風(fēng)電場為例，闡述風(fēng)電場微觀選址和機(jī)組選型對機(jī)組部件損壞的重大影響。

齒輪箱，湍流強(qiáng)度，疲勞損壞，葉輪直徑

0 前言

在風(fēng)電快速發(fā)展時期，不少風(fēng)電場因急于上馬，微觀選址沒有引起足夠的重視，機(jī)位沒有經(jīng)過嚴(yán)格篩選或者欠考慮。有的風(fēng)電場在微觀選址時，機(jī)位即使進(jìn)行了篩選，大都從降低投資成本和提高發(fā)電量方面考慮，而微觀選址對機(jī)組壽命和部件損壞考慮較少；在機(jī)組選型時，往往注意到增加葉輪直徑對增加發(fā)電量所帶來的好處，而忽視了風(fēng)電場極端風(fēng)況、平均風(fēng)速、風(fēng)能密度和湍流強(qiáng)度等因素對機(jī)組部件造成的損壞。在風(fēng)電場的實際運營過程中，不僅增加了機(jī)組的故障幾率，而且，還經(jīng)常出現(xiàn)大部件損壞現(xiàn)象，使風(fēng)電場的長期運營成本大大增加。

1 微觀選址不當(dāng)造成機(jī)組部件損壞

風(fēng)電場微觀選址質(zhì)量的高低，直接關(guān)系到風(fēng)電場發(fā)電量、建設(shè)投資的成本以及機(jī)組的使用壽命，一個高質(zhì)量的風(fēng)電場微觀選址，應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，使風(fēng)電場發(fā)電量最大化，兼顧考慮降低機(jī)位的道路、吊裝場地平整、集電線路等投資，同時應(yīng)避免風(fēng)電機(jī)組尾流、湍流過大以及因特殊地形造成對風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部件的損壞[1]。

1.1不同風(fēng)電場齒輪箱損壞狀況的比較

某風(fēng)電場安裝有某廠家82型1.5 MW風(fēng)電機(jī)組28臺，葉輪直徑82 m，2011年3月機(jī)組完成調(diào)試并網(wǎng)運行，其中有一臺機(jī)組不僅主軸軸承的端蓋螺栓和彈性支撐螺栓等容易松動，而且主齒輪箱低速軸端蓋螺栓還多次斷裂，該機(jī)組報振動故障頻繁。

2011年11月至2011年12月，先后3次出現(xiàn)齒輪箱端蓋螺栓斷裂現(xiàn)象，總共有8顆斷裂，還有幾顆出現(xiàn)了不同程度松動，造成主齒輪箱漏油非常嚴(yán)重。因主齒輪箱結(jié)構(gòu)及空間限制，現(xiàn)場無法更換主齒輪箱端蓋螺栓。2013年1月更換主齒輪箱后，2014年2月再次發(fā)生齒輪箱端蓋螺栓斷裂，該機(jī)組運行3年，更換2個主齒輪箱，每次齒輪箱的損壞部位均在齒輪箱端蓋螺栓處出現(xiàn)斷裂。斷裂的螺釘均位于低速軸的正下方和側(cè)下方。

故障機(jī)組的偏航齒輪箱也容易損壞，且損壞齒輪箱內(nèi)部的多個齒輪斷齒嚴(yán)重。當(dāng)風(fēng)速超過15 m/s時，時常會出現(xiàn)偏航液壓剎車器剎不住車，該機(jī)組的功率曲線差和發(fā)電量較低，報振動停機(jī)頻繁，故障率高。該機(jī)組的現(xiàn)場照片，如圖1所示。

圖1 故障機(jī)組的現(xiàn)場照片

另外，2012年2月，對該風(fēng)電場的所有主齒輪箱進(jìn)行了檢查，60%以上的主齒輪箱端蓋螺栓均出現(xiàn)了松動，其他機(jī)組的偏航齒輪箱也有損壞。然而，其他風(fēng)電場的同型號、同批次82型機(jī)組，在運行同樣時間之后，則未出現(xiàn)類似現(xiàn)象。

另一風(fēng)電場（機(jī)組分布，如圖2所示。輪轂中心高度處兩個測風(fēng)塔湍流強(qiáng)度，見表1）66臺77型機(jī)組，主齒輪箱、偏航齒輪箱等與事故機(jī)組基本一致。

圖2 另一風(fēng)電場部分機(jī)組現(xiàn)場照片

表1 另一風(fēng)電場實測的湍流強(qiáng)度值（2011年1月至2012年1月測風(fēng)數(shù)據(jù)）

從表1中的湍流強(qiáng)度值可以看出，盡管湍流強(qiáng)度比IEC標(biāo)準(zhǔn)（2005版）中的A類安全等級（16%）還要高，但是，該風(fēng)電場機(jī)組運行時間超過5年，未出現(xiàn)齒輪箱端蓋螺栓斷裂和偏航齒輪箱損壞，機(jī)組故障幾率明顯低于故障機(jī)組所在的風(fēng)電場。

通過以上分析表明：事故機(jī)組所處機(jī)位的風(fēng)況條件超出了該機(jī)位機(jī)型的安全設(shè)計等級。

1.2故障機(jī)組機(jī)位分析與主齒輪箱損壞

故障機(jī)組位于山坡旁的一側(cè)，如圖3所示，在山坡靠機(jī)位側(cè)垂直挖陷，從塔筒中心到山坡垂面距離大約為10 m，山坡頂端高出塔基大約35 m，障礙物在塔基等高平面上的寬度大約為60 m，長180 m，輪轂中心高度65 m。山坡（障礙物）位于機(jī)組的主風(fēng)方向，山坡是導(dǎo)致氣流畸變的主要障礙物。當(dāng)氣流流過障礙物時，不僅產(chǎn)生很強(qiáng)的湍流，而且，導(dǎo)致風(fēng)速沿塔筒高度方向變化很大。

圖3 障礙物與故障機(jī)組的相對位置示意圖

當(dāng)風(fēng)速較大時，在現(xiàn)場通過肉眼可觀察到，葉片旋轉(zhuǎn)到上面，葉片沿風(fēng)向彎曲；葉片旋轉(zhuǎn)到下面，葉片又逆風(fēng)向彎曲。因此，此機(jī)位的風(fēng)切變很大。葉片旋轉(zhuǎn)到低處時，葉片受到的軸向風(fēng)力較小；而葉片旋轉(zhuǎn)到高處時，葉片受到的軸向風(fēng)力較大。這大大加劇了葉輪平面所受到的橫向、縱向不平衡載荷。當(dāng)風(fēng)向變化或機(jī)組偏航時，葉輪所受到的不平衡載荷增加，交變載荷進(jìn)一步增大，該機(jī)組葉輪受到湍流的巨大沖擊和陣風(fēng)等不平衡載荷遠(yuǎn)大于其他機(jī)組。

如圖4所示，主軸與主齒輪箱采用鎖緊套剛性連接，軸承端蓋止口端頂緊軸承外圈，防止外圈軸向串動，端蓋用螺栓固定于齒輪箱前箱體上。葉輪受到的交變載荷可以通過主軸傳遞到齒輪箱的軸承端蓋上。葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)葉片每次通過葉輪的下部時，葉片受力會產(chǎn)生巨大變化，在葉輪上產(chǎn)生很大的交變載荷，主軸與齒輪箱前軸承內(nèi)圈連接在一起，齒輪箱前軸承內(nèi)外圈之間存在著一定的應(yīng)變或間隙，而齒輪箱端蓋與箱體之間沒有相對位移或間隙。主軸上的交變應(yīng)力通過一系列的中間環(huán)節(jié)最終傳遞到齒輪箱端蓋螺釘上，齒輪箱端蓋下部螺栓受到交變拉應(yīng)力，因長時間這種交變應(yīng)力的作用，齒輪箱低速端端蓋螺栓處就會產(chǎn)生疲勞損傷，最終導(dǎo)致齒輪箱正下方和側(cè)下方的螺栓斷裂。

圖4 齒輪箱端蓋螺栓在主軸上位置

從理論上講，障礙物是指針對某一地點存在的相對較大的物體。當(dāng)氣流流過障礙物時，由于障礙物對氣流的阻礙和遮蔽作用，會改變氣流的流動方向和速度，在障礙物的下游形成尾流擾動區(qū)，然后逐漸衰弱，在尾流區(qū)，不僅風(fēng)速會降低，而且還會產(chǎn)生很強(qiáng)的湍流，對機(jī)組運行十分不利。所以在選址時，必須注意避開障礙物的尾流區(qū)[1]。比較理想的距離是擾動區(qū)的長度約為17H（H為障礙物高度)，所以,在選址時，要盡量避開障礙物，一般應(yīng)在10H以上[2]。由于機(jī)組的機(jī)位距離障礙物很近，因此，該障礙物形成的尾流干擾區(qū)對機(jī)組的運行產(chǎn)生的影響很大，造成機(jī)組部件損壞，如：主齒輪箱、偏航齒輪箱故障幾率增加；由于障礙物對風(fēng)的遮蔽作用，使機(jī)組的功率曲線變差，發(fā)電量降低。

當(dāng)來流從障礙物方向通過時形成的尾流干擾區(qū)域很大，干擾區(qū)域的計算還可以通過IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量計算。IEC 61400-12-1要求有巨大障礙物的扇區(qū)必須排除，見圖5。需要考慮的尺寸有：距離障礙物的實際距離Le和等效風(fēng)輪直徑De。

障礙物的等效風(fēng)輪直徑定義為[3]:

式中：

De—等效風(fēng)輪直徑；Ih—障礙物的高度；Iw—障礙物的寬度。

通過式（1）也可驗證，故障機(jī)組所選機(jī)位處于障礙物形成的尾流干擾區(qū)。由擾流產(chǎn)生強(qiáng)大的交變載荷是造成機(jī)組主齒輪箱等部件損壞的主要原因。

圖5 障礙物形成的干擾區(qū)域圖[3]

2 湍流強(qiáng)度與機(jī)組部件損壞

風(fēng)電機(jī)組容易受到疲勞載荷的嚴(yán)重影響。由風(fēng)剪切力、偏航誤差、軸傾斜、塔架陰影和湍流引起循環(huán)葉片平面載荷。因此，許多風(fēng)電機(jī)組部件的設(shè)計都取決于疲勞載荷而不是極限載荷[4]。

短期平均風(fēng)速的波動或湍流會對載荷設(shè)計產(chǎn)生主要影響，因為，這是極端陣風(fēng)載荷和大部分疲勞載荷的來源，葉輪轉(zhuǎn)動會不斷產(chǎn)生局部剪切陣風(fēng)，使葉片的疲勞載荷加劇[4]。

由于風(fēng)電機(jī)組運行在復(fù)雜和多變惡劣的環(huán)境下，所以，機(jī)組所承受的載荷情況也是非常復(fù)雜的，不同的載荷情況對于機(jī)組各個部件的受力情況都有不同的影響，而確定載荷情況對于后續(xù)的設(shè)計來說是非常重要和基礎(chǔ)性的工作[5]。

在不同的環(huán)境條件下，機(jī)組的啟動和停止、發(fā)電機(jī)及變流器的接通和脫開、偏航和變槳距機(jī)構(gòu)的啟停以及機(jī)械剎車的投入等引起的瞬態(tài)載荷次數(shù)不同，風(fēng)電機(jī)組的運行和控制產(chǎn)生的沖擊載荷不同。由于事故機(jī)組所在的風(fēng)電場風(fēng)況變化和湍流強(qiáng)度較大，從而造成60%以上的主齒輪箱端蓋螺栓都出現(xiàn)了松動。

不同的機(jī)位，因風(fēng)況和環(huán)境條件不同，機(jī)組所受到的動態(tài)載荷差異很大[6]。由于故障機(jī)組所受到的動態(tài)載荷遠(yuǎn)比其他機(jī)組大，所以，主齒輪箱更容易損壞。

3 故障機(jī)組偏航齒輪箱損壞及發(fā)電量低分析

偏航液壓剎車器固定在偏航軸承內(nèi)圈上，與機(jī)艙固定在一起；偏航剎車盤在偏航軸承外圈上與塔筒固定在一起。當(dāng)機(jī)組停止偏航，偏航液壓剎車器和偏航電機(jī)的電氣剎車器均處于制動狀態(tài)，偏航液壓剎車器制動，在偏航剎車盤上產(chǎn)生足夠的摩擦扭矩使機(jī)艙與塔筒處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。因此，在正常情況下，機(jī)艙與塔筒之間沒有相對運動。偏航齒輪箱高速軸端與偏航電機(jī)主軸連接在一起，固定在機(jī)艙端的偏航電機(jī)的電氣剎車雖然處于閉合狀態(tài)，但是偏航齒輪箱內(nèi)部各齒輪不會受力。當(dāng)機(jī)組故障或停機(jī)，且液壓站處于失壓狀態(tài)時，通過偏航電機(jī)的電氣剎車使機(jī)艙固定，阻止機(jī)艙沿塔筒軸向轉(zhuǎn)動，這時，因葉片處于順槳位置，葉輪所受到沿塔筒軸向的旋轉(zhuǎn)力小，因此，無論機(jī)組運行還是停機(jī)時，偏航齒輪箱內(nèi)部各齒輪不受力或受力很小。

由于障礙物等因素的作用，故障機(jī)組所處機(jī)位的風(fēng)況變化大、湍流度大。而葉輪直徑相對較大。當(dāng)機(jī)組運行過程中，葉輪處于開槳狀態(tài)，風(fēng)速較高且偏航停止時，偏航液壓剎車器產(chǎn)生的制動扭矩不足以抵抗葉輪沿塔筒軸向的旋轉(zhuǎn)扭矩，即：偏航液壓剎車器剎不住車，不能使機(jī)艙完全靜止，在塔筒軸向有旋轉(zhuǎn)運動，巨大的脈動載荷以及強(qiáng)大的沖擊載荷就會傳遞到偏航齒輪箱內(nèi)部的每一個齒輪上，在偏航齒輪箱內(nèi)部的齒輪受力嚴(yán)重，在交變載荷和擠壓的作用下，造成偏航齒輪箱內(nèi)部多個齒輪斷齒，導(dǎo)致偏航齒輪箱損壞。

所以，障礙物等因素造成故障機(jī)組所在機(jī)位風(fēng)況變化頻繁，機(jī)組報振動停機(jī)次數(shù)多，機(jī)組的故障率很高。

由于陣風(fēng)和湍流等原因造成故障機(jī)組功率曲線差，且發(fā)電量低。一方面，由于陣風(fēng)的作用，風(fēng)的變化速度較快，葉輪慣性很大，使得葉輪轉(zhuǎn)速不能緊跟風(fēng)速的變化，從而偏離最佳葉尖速比，造成風(fēng)電機(jī)組的效率降低，功率曲線變差[7]，發(fā)電量低。

另一方面，湍流強(qiáng)度是描述風(fēng)速隨時間和空間變化的程度，反應(yīng)脈動風(fēng)速的相對強(qiáng)度。湍流強(qiáng)度越大，風(fēng)電機(jī)組的滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速越高，對功率曲線的影響也就越大[7]，從而造成故障機(jī)組效率低、功率曲線差。因障礙物在主風(fēng)方向，由于障礙物的阻擋作用，葉輪獲得的能量少，發(fā)電量低。

4 可能的處理方案

由于障礙物與風(fēng)電場風(fēng)況原因使機(jī)組的齒輪箱屢次損壞，故障頻發(fā)，為了避免部件的疲勞破壞，延長機(jī)組壽命，在對機(jī)位的環(huán)境因素進(jìn)行充分評估的條件下，并考慮到機(jī)組所能承受的湍流強(qiáng)度，可采取以下措施：

（1）在原址上將該機(jī)型換成適應(yīng)湍流強(qiáng)度級別更高或葉輪直徑更小的機(jī)型（如：70/77型風(fēng)電機(jī)組）；

（2）將該機(jī)組移到湍流強(qiáng)度較小的機(jī)位；

（3）由于湍流強(qiáng)度受地面障礙物和地面粗糙度影響較大，塔筒高度增加，機(jī)組的有效湍流強(qiáng)度減小。因此，在機(jī)位基礎(chǔ)和塔筒強(qiáng)度允許的條件下，適當(dāng)增加塔筒的高度，把有效湍流強(qiáng)度降低至機(jī)組允許的范圍之內(nèi)；

（4）通過主控制器程序限定機(jī)組運行方位，機(jī)組僅在湍流強(qiáng)度較小的方位運行，禁止機(jī)組偏航到湍流強(qiáng)度與不平衡載荷大的方位運行。

5 結(jié)語

國內(nèi)外的經(jīng)驗教訓(xùn)表明，由于風(fēng)電場選址的失誤造成發(fā)電量損失和增加維修費用等將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對場址進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的費用。因此，風(fēng)電場選址對于風(fēng)電場的建設(shè)是至關(guān)重要的[8]。

故障機(jī)組因微觀選址不當(dāng)，主風(fēng)方向的障礙物使機(jī)組的湍流強(qiáng)度和葉輪不平衡力大大增加，再者，機(jī)組的葉輪直徑較大，進(jìn)一步加劇了故障機(jī)組的部件損壞和故障幾率。

新建風(fēng)電場時，應(yīng)重視風(fēng)電場微觀選址和機(jī)組選型。在考慮葉輪直徑對增加發(fā)電量所帶來的好處的同時，還應(yīng)充分考慮機(jī)組的安全等級要求；在風(fēng)電場微觀選址時，應(yīng)重視風(fēng)電場湍流強(qiáng)度的實際測量，當(dāng)風(fēng)電場機(jī)位湍流強(qiáng)度超過了IEC標(biāo)準(zhǔn)A類湍流強(qiáng)度安全要求時，一般不應(yīng)安裝風(fēng)電機(jī)組，或進(jìn)行特殊設(shè)計，以減少機(jī)組的故障幾率、大部件損壞，延長機(jī)組的使用壽命，降低風(fēng)電場的長期度電成本。

[1]鐘素梅.風(fēng)電場的機(jī)組選型與場址選址工作探討[J].中國西部科技,2011,10(6):45-46.

[2]于力強(qiáng),蘇蓬.風(fēng)電場選址問題綜述[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2009,(7):156.

[3]國際電工委員會.風(fēng)輪:第12部分:風(fēng)輪發(fā)電的動力性能測試IEC61400-12-1-2005[S].2005.

[4][美]Tony Burton,等.風(fēng)能技術(shù)[M].武鑫,等譯.北京:科技出版社,2007.

[5]王志新.現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[6]章凱,劉瑋,董德蘭.風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組有效湍流強(qiáng)度超標(biāo)處理方式的技術(shù)方案探討:陜西省新興能源與可再生能源發(fā)展學(xué)術(shù)研討會論文集[C].西安:陜西省科學(xué)技術(shù)學(xué)會,2011.

[7]王明軍,高原生.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實際運行功率曲線影響因素分析[J].風(fēng)能,2013,(4):74-79.

[8]黎作武,賀德馨.風(fēng)能工程中流體力學(xué)問題的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2013,(43):472-525.

Damage and Cause Analysis of a Wind Farm Gearbox

Wang Mingjun，Guo Yake，Mei Guogang
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In the new wind farm,the reasonable selection of micro-sitting and type of WTG will be benefical to reduce alternating load and fatigue damage of the unit.Wind turbines work under natural environmental conditions，whose working conditions vary greatly in different wind farms,different seats.Micro-sitting of wind farms is directly related to component damage and life time of WTG.Wind conditions vary greatly among different seats in the wind farm,the type of the WTG or the length of the blade should be determined ac?cording to wind conditions of the respective seats.This paper takes a wind farm as an example，and describes a major impact for com?ponent damage in micro-sitting of wind farms and the type selection of WTG.

gearbox,turbulence intensity,fatigue damage,impeller diameter

TK83

B

1674-9987（2016）04-0070-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.015

王明軍（1967-），男，高級工程師，1991年畢業(yè)于沈陽工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系機(jī)制工藝與設(shè)備專業(yè)，2006年獲得西安交通大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)工程碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事風(fēng)力機(jī)組的現(xiàn)場技術(shù)、服務(wù)和培訓(xùn)工作。