浅谈风电机组主齿轮箱和液压站的润滑系统

来源：2022年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛

作者：晁卫

随着国民经济的快速发展，风电作为Z清洁的能源之一越来越引起重视，而风力机组是风能发电系统的重要组成部分，其运行维护极其重要。风力发电机组的工作环境极其恶劣，其长期处于极端高低温、湿气大、灰尘大的环境中，且大都处于较偏远地区，维修不便，因此确保其长期稳定可靠运转是Z基本的要求。风力发电机组属于大型转动设备，其润滑的重要性不言而喻。

众所周知，针对不同的润滑对象则需要配置不同的润滑剂，风电机组润滑系统主要包括两部分，一是主齿轮箱、偏航变桨齿轮箱和液压系统部件采用的液体润滑油润滑，二是主轴轴承、偏航齿圈、变桨轴承等采用的半固体的润滑脂润滑。风电机组各重要部位使用的润滑剂情况详见表1。

一、主齿轮箱润滑

除了直驱式风力发电机组外，其他形式的机组都要应用齿轮箱，齿轮箱是通过齿轮副进行动力传输的，风电机组主齿轮箱见下图1。

主齿轮箱的部件组成

常用齿轮副：主齿轮箱常用的齿轮副包括直齿和斜齿圆柱齿轮副、行星齿轮系两大部分。

(1)直齿和斜齿圆柱齿轮副由一对转轴相互平行的齿轮构成。直齿圆柱齿轮的齿与齿轮轴平行，而斜齿圆柱齿轮的齿与轴线呈一定角度。人字齿轮在每个齿轮上都有两排倾斜方向的斜齿。

(2)行星齿轮系是一个或多个所谓的行星轮绕着一个太阳轮公转，本身又自转的齿轮传动轮系，其原理图见下图2。

实际应用的风力发电机组主齿轮系中，Z常见的形式是由行星齿轮系和平行轴轮系混合构成的。在直齿轮、斜齿轮、人字齿轮中Z常用的齿形是渐开线齿形。这种齿形意味着当基圆匀速转动时，齿面产生匀速位移，接触线是一条直线。

齿轮箱分类：风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱;按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱;按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式、同轴式以及混合式等。

箱体和轴承构造：传动齿轮副置于箱体之中，要求箱体必须具备足够的刚性承受力和力矩，以防止变形，保证传动的质量。箱体在进行大批量生产时，常采用球墨铸铁和其他高强度铸铁的箱体，其减振性好，且易于切削加工，而进行单件、小批量生产时，常采用焊接或者焊接与铸造相结合的箱体。

为了便于装配和定期检查齿轮的啮合状态，在箱体上通常设有观察窗，且机座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用，另外会把齿轮箱安装在由高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座上，以达到减小齿轮箱传到机舱机座振动的目的，在箱体上还设有透气罩油位指示器、注油器和放油孔。齿轮箱上常采用的轴承有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承等，而在所有滚动轴承中，调心滚子轴承的承载能力Z大，且能够广泛应用在承受较大负载或者难以避免同轴误差和挠曲较大的支承部位。

密封装置：齿轮箱轴伸部位的密封装置一方面能够防止润滑油外泄，另一方面能防止杂质进入箱体内。常用的密封装置有非接触式密封和接触式密封两种。

(1)非接触式密封：常用的有气膜密封和滤膜密封，其可以实现密封介质的零泄漏，彻底消除对环境的污染，且所有的非接触式密封均不会产生磨损，使用时间长。

(2)接触式密封：接触式密封是使用密封件的密封，密封件应可靠、耐久、摩擦阻力小、容易装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。旋转轴常用唇形密封圈。

主齿轮箱润滑油的工况要求

作为风电机组核心传动部件，考虑到主齿轮箱摩擦副既有低速重载工况、又有高速轻载工况，且所处环境恶劣，对其使用的润滑油运动粘度、极压抗磨性能、抗乳化性能、氧化?定性和热安定性能、防锈防腐蚀性能、抗泡沫性能都有较高要求。

主齿轮箱润滑油监测指标和周期

(1)监测必做指标：运动粘度(40℃)、水分含量、元素含量、PQ 指数、红外分析，分析铁谱、清洁度、酸值为主齿轮箱油液监测的选做指标。

(2)监测周期：每年监测一次，监测结果异常的，根据油液报告进行复检;机组出质保前三个月需监测一次，作为出质保时大部件运行状态判定的依据之一，此次监测可包含在上述所规定的监测频次内。

二、偏航和变桨齿轮箱润滑

偏航机构与机组控制系统配合，转动机舱使风轮扫掠面与风向保持垂直，使风轮始终处于迎风状态，以保证风力发电机具有Z大的发电能力，偏航系统结构见下图3;变桨机构是通过改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使叶片剖面的攻角发生变化来迎合风速变化，从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善，变桨系统结构见下图4。

偏航和变桨齿轮箱部件的组成

风力发电机组偏航和变桨齿轮箱上有可直接安装伺服电机轴的电机法兰，齿轮箱上具有四级或五级行星传动机构，每级行星传动机构均具有太阳轮、行星轮、行星轴、行星架，齿轮箱的输入轴与一级太阳轮啮合。另外主流的偏航和变桨齿轮箱都采用了NGW行星传动，其具有功率密度大、结构紧凑、传动效率高、传动比大、运行平稳、抗冲击和抗振动能力强等优点。

偏航和变桨齿轮箱润滑油的工况要求

偏航和变桨齿轮箱均存在低速重载、启停较频繁、扭矩较大等特点。变桨齿轮箱随桨叶360度旋转，受到的冲击更大，且大部分时间在工作，理论上工况更恶劣，对可靠性要求更高;而偏航齿轮箱仅部分时间工作，立式安装在机舱内，维护较变桨稍方便一些。但由于被动偏航等非正常工况存在，对其使用的润滑油要有承载能力高、极压抗磨性能好、稠度大等特性，一般使用VG320或VG220合成型齿轮油。

偏航和变桨齿轮箱润滑油监测指标和周期

(1)监测必做指标：运动粘度、元素含量、PQ指数、红外分析。

(2)监测周期：机组出质保前需按机组数量20%的比例对全场机组偏航和变桨齿轮箱油进行抽检，对于检测结果不合格的应与整机厂商协商更换。

三、液压系统润滑

液压系统是以有压液体为介质，实现动力传输和运动控制的机械单元，其具有传动平稳、功率密度大、容易实现无级调速、易于更换元器件和过载保护可靠等优点，在大型风力发电机组中得到广泛应用。

在定桨距风力发电机组中，液压系统主要用于空气动力制动、机械制动，以及偏航驱动与制动;在变桨距风力发电机组中，液压系统主要用于控制变距机构和机械制动，也用于偏航驱动与制动。此外液压系统还常用于齿轮箱润滑油液的冷却和过滤、发电机水冷、变流器的温度控制、开关机舱和驱动起重机等，风电机组液压系统结构见下图5。

液压系统的部件组成

风力发电机的液压系统是一个公共服务系统，它为风力发电机上一切使用液压驱动力的装置提供动力，其主要功能是为变浆控制装置、安全浆距控制装置、偏航驱动和制动装置、停机制动装置提供液压驱动力。

液压系统由动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件组成。动力元件将机械能转换为液体压力能，如液压泵;控制元件控制系统压力、流量、方向以及进行信号转换和放大，作为控制元件的主要是各类液压阀;执行元件将流体的压力能转换为机械能，驱动各类机构，如液压缸;辅助元件为保证系统正常工作除上述3种元件外的装置，如油箱、过滤器、蓄能器、管件等。

液压系统润滑油的工况要求

在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是驱动风力发电机组的气动刹车和机械刹车;在变桨距风力发电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也制控机械刹车机构，其使用的液压油要具有良好粘温性能、防锈防腐性能、清洁度等性能，多采用VG32合成液压油。

液压系统润滑油监测指标和周期

(1)监测指标：包含运动粘度(40℃)、水分含量、元素含量、PQ指数、清洁度、红外分析。

(2)监测周期：机组出质保前三个月需对全部机组液压油监测一次，对于检测不合格的液压油应与整机厂商协商更换;使用时间达到5年时，对全部机组液压油定检1次，之后每两年检测1次，对于定检过程中发现的异常案例应按照油液监测报告建议适当增加取样频次或更换液压油。

四、结束语

通过对风电机组主齿轮箱、偏航变桨齿轮箱、液压系统润滑方面的简介，体现了润滑管理在风电场运行中重要性，做好润滑油的化验工作，掌握润滑油物化特性，能够及时发现机组大部件的磨损状况，可以有效提高风电机组运行的可靠性。

通过对风电机组齿轮箱、偏航变桨齿轮箱、液压系统的介绍，反应润滑对于风电机组大部件的安全稳点运行具有重要意义，直接关系到风电机组设备的可靠性和发电量，并且对运行中的润滑油的化验指标和周期加以阐述。