風(fēng)電機組膜片式聯(lián)軸器技術(shù)特點、測試驗證及失效預(yù)防

楊 飛

(上海電氣風(fēng)電集團有限公司，上海 200233)

0 引言

風(fēng)電機組聯(lián)軸器用于連接齒輪箱的輸出軸和發(fā)電機的輸入軸，將齒輪箱輸出的扭矩傳遞到發(fā)電機，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，是風(fēng)電機組傳動鏈中的關(guān)鍵部件。風(fēng)電機組的聯(lián)軸器安裝如圖1所示。

圖1 聯(lián)軸器安裝示意圖

由于聯(lián)軸器的工況復(fù)雜，運行環(huán)境比較惡劣，因此出現(xiàn)失效的概率比較高。聯(lián)軸器的常見失效形式有頻繁打滑和膜片斷裂。其中，聯(lián)軸器頻繁打滑，超過聯(lián)軸器扭矩限制器允許的打滑次數(shù)，將導(dǎo)致扭矩限制器失效，機組無法正常運行。聯(lián)軸器膜片斷裂，輕則將導(dǎo)致聯(lián)軸器無法傳遞載荷，機組無法正常運行，重則導(dǎo)致聯(lián)軸器在運行過程中甩出，損壞其它部件，造成安全事故。因此，在風(fēng)電機組聯(lián)軸器設(shè)計過程中，需要了解其應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)要求；在聯(lián)軸器樣件制造完成后，需要進行相關(guān)的測試驗證；在聯(lián)軸器實際運行過程中，需要重點監(jiān)控可能導(dǎo)致聯(lián)軸器失效的因素。如發(fā)現(xiàn)問題，需及時進行整改。

1 膜片式聯(lián)軸器的技術(shù)要求

風(fēng)電機組聯(lián)軸器除了將齒輪箱輸出的扭矩傳遞到發(fā)電機外，還有補償齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸不對中和軸向位移、阻止發(fā)電機軸電流傳遞到齒輪箱、防止驅(qū)動鏈各部件扭矩過載的作用。以某1.65 MW風(fēng)電機組膜片式聯(lián)軸器為例，其主要技術(shù)參數(shù)如下[1]。

工作扭矩：額定扭矩8.65 kN·m，極限扭矩10 kN·m；角向補償能力：持續(xù)1°，瞬時3°；徑向補償能力：持續(xù)±9 mm，瞬時±26 mm；軸向補償能力：持續(xù)±7 mm，瞬時±20 mm；動平衡：G6.3(2 000 r/min，按ISO1940標(biāo)準(zhǔn))；扭矩限制：15 kN·m(1±5%)，打滑1 000次后降低不超過15%；工作轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min，極限轉(zhuǎn)速2 300 r/min；絕緣電阻：≥10 MΩ(10K VDC)；環(huán)境溫度：-40 ℃～+50 ℃；濕度：95%；防腐保護等級：C3H。

2 膜片式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點

某1.65 MW膜片式聯(lián)軸器，主要包括：脹緊套、剎車盤、膜片組、玻璃鋼中間管、扭矩限制器等主要部件，見圖2。脹緊套用于連接齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸；剎車盤用于和制動器配合實現(xiàn)機組的制動功能；膜片組用于實現(xiàn)聯(lián)軸器的補償功能；玻璃鋼中間管用于傳遞扭矩，并實現(xiàn)發(fā)電機和齒輪箱的電絕緣功能；扭矩限制器通過過載打滑，實現(xiàn)聯(lián)軸器過載保護的功能。

圖2 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖

3 膜片式聯(lián)軸器的測試驗證

聯(lián)軸器樣件制造完成后，需進行相關(guān)型式試驗，以確認聯(lián)軸器的實際性能與設(shè)計指標(biāo)是否相符。以該1.65 MW聯(lián)軸器為例，除了需要進行常規(guī)的材料機械性能測試和防腐性能試驗外，還需要進行相關(guān)型式試驗，聯(lián)軸器的型式試驗主要包括以下內(nèi)容：

(1) 絕緣電阻測試

聯(lián)軸器的玻璃鋼中間管是實現(xiàn)聯(lián)軸器電絕緣的關(guān)鍵部件，玻璃鋼中間體制造好后，需要進行絕緣電阻測試，要求玻璃鋼中間體兩端的絕緣電阻不小于10 MΩ(1 000 V DC)。

(2) 動平衡試驗

聯(lián)軸器整體裝配完成后，要求按ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)，在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下進行動平衡試驗，要求平衡等級為G6.3。

(3) 高低溫測試

高低溫測試主要是為了測試玻璃鋼中間管在高低溫環(huán)境下的復(fù)合材料耐高、低溫能力以及粘接性能。測試時要求將玻璃鋼中間管放置在高低溫箱中，控制高低溫箱的溫度在-45 ℃～55 ℃溫度范圍內(nèi)變化，連續(xù)8天。8天后對產(chǎn)品進行外觀檢查，如外觀檢查沒有發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，可進行下一步的極限載荷試驗和疲勞載荷試驗。

(4) 極限載荷試驗

極限載荷試驗主要是為了驗證聯(lián)軸器在同時承受極限扭矩和極限位移的情況下，承載能力是否能滿足要求。聯(lián)軸器極限載荷試驗參數(shù)如表1所示。聯(lián)軸器完成極限載荷測試后，需對聯(lián)軸器進行檢查，主要檢查項目有：膜片表面是否有裂紋和變形；聯(lián)軸器中間管是否有裂紋和變形；聯(lián)軸器中間管與連接法蘭之間的粘接是否有脫膠、裂紋等異常；檢查脹緊套螺栓、膜片連接螺栓、扭矩限制器螺栓是否有松動；檢查脹緊套等部件是否有異常屈服變形或裂紋。

表1 1.65 MW風(fēng)電機組膜片式聯(lián)軸器極限載荷試驗參數(shù)

(5) 疲勞載荷試驗

疲勞載荷試驗主要是為了驗證聯(lián)軸器在正常運行情況下的疲勞載荷承載能力。聯(lián)軸器在正常運行過程中，除了受扭矩載荷作用外，還需要受齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸的徑向位移和軸向位移載荷的作用。在聯(lián)軸器疲勞試驗時，除了施加扭矩載荷外，還需要在聯(lián)軸器試驗臺上施加徑向位移和軸向位移。聯(lián)軸器極限載荷試驗參數(shù)如表2所示。聯(lián)軸器完成極限疲勞測試后，需對聯(lián)軸器進行檢查，主要檢查項目與極限載荷試驗的檢查項目相同。

表2 1.65 MW風(fēng)電機組膜片式聯(lián)軸器疲勞載荷試驗參數(shù)

(6) 打滑扭矩試驗

聯(lián)軸器完成疲勞試驗后，需要在打滑扭矩標(biāo)定試驗臺上進行打滑扭矩試驗。在打滑扭矩標(biāo)定試驗臺上，使聯(lián)軸器打滑100次，記錄每次的打滑扭矩值，要求打滑扭矩波動范圍不超過設(shè)定打滑扭矩(15 kN·m)的5%。

4 膜片式聯(lián)軸器的主要失效型式和預(yù)防措施

風(fēng)電機組的運行工況復(fù)雜，在機組的設(shè)計、安裝、運行和維護的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能會導(dǎo)致聯(lián)軸器的失效。根據(jù)風(fēng)電機組的運行經(jīng)驗，膜片式聯(lián)軸器主要失效形式為扭矩限制器頻繁打滑和膜片斷裂。下面對這兩種失效形式的原因進行分析，并給出相應(yīng)的預(yù)防措施。

4.1 扭矩限制器頻繁打滑原因及預(yù)防措施

扭矩限制器頻繁打滑主要有以下原因：

(1) 聯(lián)軸器頻繁過載

如果聯(lián)軸器過載次數(shù)超過了扭矩限制器的許用打滑次數(shù)，由于摩擦片材料的過度磨損，將導(dǎo)致扭矩限制器的打滑扭矩進一步降低，扭矩限制器在額定載荷下也可能會出現(xiàn)頻繁打滑。

對于這種情況，需要對齒輪箱輸出軸的扭矩載荷進行監(jiān)測，檢查并消除造成扭矩載荷過大的原因。根據(jù)風(fēng)電機組的運行經(jīng)驗，造成齒輪箱扭矩載荷過大的主要原因有機組控制不穩(wěn)定造成的轉(zhuǎn)矩大幅度波動、發(fā)電機短路等。

(2) 扭矩限制器打滑扭矩設(shè)定值過低

風(fēng)電機組的應(yīng)用工況相對一般的工業(yè)傳動機械有其特殊性，風(fēng)電機組在運行過程中，受風(fēng)速波動的影響很大，其運行過程中比一般工業(yè)傳動機械更容易出現(xiàn)扭矩過載的情況，且過載幅度更高。在選取聯(lián)軸器打滑扭矩時，如果按照一般工業(yè)傳動機械的經(jīng)驗選取，打滑扭矩設(shè)定值可能會過低，機組在運行過程中會出現(xiàn)聯(lián)軸器頻繁打滑的情況。

在確定扭矩限制器打滑扭矩時，需要核對機組的扭矩疲勞載荷譜，保證打滑扭矩設(shè)定值大于扭矩疲勞載荷譜中的最大值。根據(jù)風(fēng)電機組的設(shè)計和運行經(jīng)驗，一般打滑扭矩設(shè)定值為齒輪箱輸出額定扭矩的1.5～1.8倍左右。

(3) 扭矩限制器打滑扭矩標(biāo)定不準(zhǔn)確

扭矩限制器預(yù)緊螺栓上緊時的摩擦系數(shù)，以及摩擦片的摩擦系數(shù)對扭矩限制器裝配后的實際打滑扭矩有很大的影響。如果上述摩擦系數(shù)離散度比較大，會造成扭矩限制器裝配后的實際打滑扭矩與理論值偏差很大。實際打滑扭矩比要求值偏小較多，會造成聯(lián)軸器頻繁打滑；實際打滑扭矩比要求值偏大，又起不到過載保護的作用。

在扭矩限制器裝配完成后，要求將聯(lián)軸器裝在標(biāo)定設(shè)備上進行標(biāo)定，如果標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)實際打滑扭矩與要求值偏差超出允許范圍，需要重新調(diào)整螺栓的上緊扭矩。

4.2 膜片斷裂原因及預(yù)防措施

聯(lián)軸器膜片斷裂主要有以下原因：

(1) 聯(lián)軸器不對中

在機組風(fēng)場安裝過程中，當(dāng)葉輪連接到主軸后，風(fēng)輪的重量會造成齒輪箱高速軸向上抬升。為避免風(fēng)輪安裝后風(fēng)輪重量對齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸對中的影響，要求在風(fēng)輪吊裝后，對齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸進行對中。

齒輪箱和發(fā)電機都是安裝在橡膠彈性支撐上的，橡膠彈性支撐在長期運行過程中，由于受到外界溫度、載荷等因素的影響，會發(fā)生蠕變或者損壞，從而影響齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸的對中。為避免橡膠彈性支撐蠕變對齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸對中的影響，要求機組每半年維護時，重新進行對中，并檢查齒輪箱和發(fā)電機是否有軸向竄動的情況；如果發(fā)現(xiàn)彈性支撐有損壞的現(xiàn)象，需要進行更換。

(2) 機組轉(zhuǎn)矩過載或轉(zhuǎn)矩異常波動

機組在運行過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩過載或轉(zhuǎn)矩異常波動等情況，會造成膜片的疲勞損傷超出設(shè)計范圍。為避免機組轉(zhuǎn)矩過載或轉(zhuǎn)矩異常波動給膜片造成損傷，應(yīng)在機組運行時對發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩進行監(jiān)控。如發(fā)現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩過載或轉(zhuǎn)矩異常波動的情況，應(yīng)檢查機組是否出現(xiàn)扭振或控制異常的情況，并及時進行調(diào)整。

(3) 膜片本身質(zhì)量問題

聯(lián)軸器膜片在運轉(zhuǎn)過程中受力十分復(fù)雜，既要承受扭矩載荷和聯(lián)軸器中間體的重力載荷，又要承受齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸不對中產(chǎn)生的位移載荷。膜片本身的質(zhì)量缺陷很容易造成其在運行過程中發(fā)生斷裂。因此在膜片制造過程中，需要對每個膜片進行表面裂紋檢查，同時對每個批次的膜片抽樣進行化學(xué)成分、低溫沖擊功、抗拉強度、屈服強度和金相檢查。

5 結(jié)語

風(fēng)電機組的聯(lián)軸器是整機中故障率比較高的部件，而且聯(lián)軸器發(fā)生失效后，對機組的安全、穩(wěn)定運行有很大的影響。失效型式和預(yù)防措施，可為其他風(fēng)電機組聯(lián)軸器的設(shè)計、測試驗證及降低失效率提供了參考。