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采用高效过滤器控制风力发电机齿轮箱润滑系统清洁度
时间:2022-09-20 浏览:79
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风力发电作为绿色能源重要的组成部分,近几年来在中国得到了迅猛发展。风力发电产业投资大、风险高,发电机的设计使用寿命通常为 20 年,为了能在此期间有效地收回投资,确保风机长期、无故障运行便成为风力发电企业关注的焦点之一[1]。风力发电 场大多位于气候条件恶劣的荒山、戈壁、海滩等空旷地带,在恶劣的环境中,风力发电机运行的稳定性显得尤为重要。


作为风力发电机的重要组成部分,齿轮箱经常受到无规律的变向、变载荷的风力作用以及强阵风的冲击,可以认为,齿轮箱的寿命决定着整个风力发电机的使用寿命。实践证明,风力发电机齿轮箱如早期损坏往往现场无法修复,只能返厂维修,拆卸、吊装、往返运输产生的费用昂贵,经济损失相当严重。齿轮箱损坏主要由磨损引起,其原因除设计、制造、安装的缺陷外还要考虑齿轮箱润滑系统的清洁度。控制齿轮箱润滑系统的清洁度,使其保持在规范要求范围内,可以有效降低齿轮箱的磨损,延长齿轮箱使用寿命[2-3]


风力发电机是将风能转化为机械能,再将机械能转化成电能的发电设备。图 1 是典型齿轮风力发电机示意图。首先,叶轮吸收风能由主轴传送到齿轮箱,经齿轮箱多级变速将转速提高到发电机需要的转速,由发电机将机械能转化为电能,通过变压器升压输送至电网,供用电单位使用。


图1 典型风力发电机结构示意


齿轮箱是风力发电系统中最薄弱的环节,齿轮箱内轴承和齿轮的磨损达到一定程度将导致风力发电机停机。风力发电机设计寿命是 20 年,如缺乏正确的污染控制维护,对 MW 级风力发电机而言,典型的使用寿命可能是 5 年,失败通常从轴承和齿轮的磨损开始。


齿轮箱内轴承的早期磨损靠测频设备是很难诊断的,当轴承故障特征频率的谐波多量出现时,轴承已产生了严重故障,需要更换齿轮箱,造成很大的经济损失。而分析齿轮箱润滑油的磨损颗粒,可以间接地预测齿轮箱的早期磨损,采用高效过滤器去除磨损机械杂质,控制和保持齿轮箱润滑油的清洁度,减少轴承和齿轮的磨损,避免齿轮箱进一步损坏。


2.1

切断磨损的链式反应

当金属颗粒、砂粒、泥土和其他硬颗粒随流体进入轴承和齿轮的运动间隙时,机械磨损的链式反应就开始了(见图2)。


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图2 系统磨损的链式反应


如果磨损颗粒不能及时被去除,再次进入运动元件的间隙,会产生更多的磨损颗粒,这种磨损的链式反应会导致系统元件的过早失效。高性能过滤器可以去除这些有害的固体颗粒,切断磨损的链式反应,延长系统元件的使用寿命。


图 2 比较了一个系统配备低效过滤器和高效过滤器后,磨损链式反应的情况。左侧显示高污染物颗粒含量的流体 1 次通过过滤器以后,由于过滤效率为 50% (过滤≥2),不能有效地将系统产生的颗粒拦截,1 个循环过后系统的颗粒远远超过原始系统内污染物的数量;右侧高效过滤器的过滤效率为 99.5% (过滤比≥200),在 1 次通过过滤器以后,高效去除污染物颗粒,切断磨损链式反应。


因此,在齿轮箱润滑系统中采用精度为轴承和齿轮运动间隙尺寸的高效过滤器,可以有效切断磨损的链式反应,防止齿轮箱发生严重磨损。


2.2

齿轮箱润滑油中磨损颗粒分布

图 3 是实际运行时齿轮箱润滑油中污染物的颗粒分布曲线。从图3可见,尺寸小于或等于 10 µm 的污染物颗粒占颗粒总数的 90% 以上。当颗粒被允许再次进入系统循环时,它们将促进和引发轴承和齿轮表面的粘着和疲劳磨损,产生磨损链式反应。而磨损的链式反应会导致金属表面形成大量的微小凹点,在系统中产生非常多的尺寸为 250~350 µm 的大颗粒,继续循环产生越来越多的污染物颗粒,最终导致齿轮箱系统以及油品的失效。


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图3 实际运行中齿轮箱润滑油的颗粒分布


2.3

颗粒尺寸对轴承寿命的影响

风力发电机齿轮箱滚动轴承对油品中的污染物极其敏感。采用直升机齿轮箱滚动轴承,进行在转速为 106r/min 条件下的加速试验。试验结果如图 4 所示。当油品中尺寸为 10 µm 的运动间隙颗粒得到控制后,轴承的期望寿命急剧增长。同时还显示,采用过滤精度为 3 µm 的过滤器控制油液中污染物,与采用过滤精度为 10 µm 的过滤器相比,滚动轴承的使用寿命提高了300%[3]


图4 轴承使用寿命与过滤器的精度


美国齿轮制造协会 ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03 标准[4]广泛应用于齿轮箱设计制造业,其中规定运行中齿轮箱润滑油清洁度要达到或优于ISO4406–/16/13[5],还规定了齿轮箱润滑油在不同阶段的清洁度要求(见表1)。提出这些苛刻的清洁度要求,就是为了最大限度地保证齿轮箱远离磨损。


表1 齿轮箱润滑油清洁度要求


4.1

试验系统

现场试验选择 2 个场地,一是风沙严重的内蒙古某风场,另一个是沿海潮湿的山东某风场。试验系统为 1.5 MW 风力发电机齿轮箱润滑系统,安装颇尔公司(Ultipor®III牌号)绝对精度为 12 µm、过滤比→12(C) ≥ 1 000 的过滤器,滤芯型号为 HCY–143483FKS18H。齿轮箱润滑系统使用 Shell Omala * HD320 重负荷合成工业齿轮油,润滑油用量为 500 L 左右,系统流量为70~130L/min,风力发电机运行时齿轮箱润滑油温度为50 ℃左右。


4.2

试验方案

分别在内蒙古和山东 2 个风场选择 2 台运行时间、运行状态、齿轮箱油温、末端压力等情况相似的风力发电机进行跟踪试验。在试验开始前取油样,滤芯安装后每隔 30 天取 1 次油样,检测评估油样清洁度,跟踪试验持续约 200 天。


取样

流体取样是非常严格的,它决定了样品试验的准确性。不正确的取样方法或者不洁净的取样容器会给试验带来严重误差,导致结论发生方向性错误。所以,取样时要严格按规定程序操作。


取样点选择在润滑系统电动泵出口与过滤器之间的测压口。使用 200 ml 的玻璃取样瓶,其清洗和质量控制严格按照 ISO3722 标准[6]执行,其中要求取样瓶清洁度符合尺寸大于 5 µm 颗粒的总数少于 500 个的要求。 


取样步骤:

1

启动电动泵,让齿轮箱润滑油进入循环状态。

2

擦干净取样点周围的尘土。

3

拧下电动泵出口与过滤器之间测压点的螺帽,将清洗合格的专用取样器拧到测压点上,拧紧后油会自动流出。先用废油瓶放掉至少 500 ml 的油液,冲洗取样管路。

4

取样器保持不动,打开清洗合格的取样瓶收集约 175 ml 的油样,取样器仍然保持不动,盖上瓶盖,然后拧下取样器,盖上原来的螺帽。

5

填好样品标签,贴到取样瓶上。

清洁度评估

取 100 ml 样品,过滤通过 ф47 mm、绝对过滤精度 1.2 µm 的分析膜片,用 0.2 µm 过滤器过滤后的石油醚冲洗漏斗,确保全部固体悬浮物转移到膜片上,并洗掉工艺流体。将上述制备的分析膜片放在 ZEISS AXIOSKOP 2 显微镜下观察,与颇尔公司标准图集进行比较,从而得到样品的清洁度等级。


颇尔公司标准图集是通过一系列不同 ISO4406 清洁度等级的分析膜片在放大倍数为 100 下得到的显微照片集,其清洁度等级是由标定合格的激光颗粒计数仪确定的。


4.3

试验结果与讨论

齿轮箱润滑油清洁度试验结果

在内蒙古和山东 2 个风场共 4 台风力发电机上进行的跟踪试验持续约 200 天,试验结果表明,运行中的齿轮箱润滑油清洁度很快从高污染状态达到美国齿轮制造协会 AGMA 6006-A03 要求的运行中齿轮箱清洁度指标。另外,试验期间,4 台风力发电机的运行温度、压力和其他条件都非常稳定,无故障停机现象。按 ISO4406 标准测试的齿轮箱润滑油清洁度试验结果如表2所示。


表2 风力发电机齿轮箱润滑油清洁度试验结果


从表 2 可以看出,4 台风力发电机在安装 Pall 12 µm 过滤器之前,清洁度等级分别为ISO4406 19/17/15、19/16/14、19/17/15 和 19/17/14,不能满足运行要求。安装 Pall 高效过滤器之后,清洁度很快达到要求,随后进一步提升,试验结束时基本稳定在 ISO4406 15/14/12 到 13/12/10 的范围内。这充分说明高效过滤器能有效地去除齿轮箱内磨损产生的颗粒,从而切断磨损链式反应,将齿轮箱润滑油清洁度控制在较好的范围内,以保证齿轮箱在低磨损的状态下正常运行。


另外,从齿轮箱润滑油样品清洁度显微照片可以明显看出高性能过滤器的过滤效果。图 5 是安装 Pall 高性能过滤器之前齿轮箱润滑油清洁度显微照片,从照片中明显看到油品中有大量的黑色金属类污染物,其清洁度等级为 ISO4406 19/17/15;图 6 是试验开始后到结束期间齿轮箱润滑油清洁度显微照片,照片中几乎没有明显可见的颗粒。这进一步说明高性能过滤器能够有效拦截污染物颗粒,此时清洁度等级为 ISO4406 13/12/10。


图5 ISO4406 19/17/15,放大倍数为 100 的显微照片


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图6 ISO4406 13/12/10,放大倍数为 100 的显微照片


润滑油中污染物颗粒随时间变化情况

将风力发电机齿轮箱润滑油清洁度跟踪试验结果按中间值转换成相应的颗粒数与取样时间,得到风力发电机齿轮箱润滑油中的颗粒数与过滤器在线使用时间的关系图(见图7)。从图中可以看出,风力发电机安装高效过滤器后,齿轮箱润滑油中尺寸大于或等于 2 µm 的颗粒数从 5 000个 /ml 降到 500 个/ml 以下,并保持稳定,过滤效果十分明显。


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1

齿轮箱是风力发电系统中最昂贵的关键部件,非常容易被润滑油中的污染物损坏。


2

保持润滑油良好的清洁度能够降低轴承和齿轮的磨损,从而延长齿轮箱的使用寿命。


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(2)2号试验风力发电机


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(4)号实验风力发电机

图7试验风力发电机齿轮箱润滑油中的颗粒数

与过滤器使用时间的关系


3

高性能过滤器的应用能够去除引起磨损的固体污染物颗粒,减少其对齿轮箱的危害,控制更多磨损颗粒的产生,从而切断磨损的链式反应。


4

在 4 台在运风力发电机上进行的现场试验结果证明,颇尔 12 µm 精度(过滤比→12(C) ≥ 1 000)的高效过滤器能够长期有效地去除固体污染物颗粒,使齿轮箱润滑油清洁度保持在美国齿轮制造协会(AGMA)标准要求的等级之内,从而延长齿轮箱的使用寿命,降低维修成本,加速投资回报。

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参考文献:(上下滑动查看更多)

[1] 梁昌鑫,贾延纲,陈孝祺.国内外风力发电的现状和发展趋势 [J]. 上海电机学院学报,2009,12(1):73-77.

[2] 董进朝.大型风力发电齿轮箱关键设计技术研究 [D]. 北京:机械科学研究总院,2007.

[3] Sayles R S ,Macpherson P B. Rolling contact fatigue of bearing steels [M]. ASTM Special Technical Publication 771,1982:255-274.

[4] AGMA 6006-A03, Standard for design and specification of gearboxes for wind turbines [S]. Virginia:  American gear manufacturers association (AGMA),2003.

[5] ISO 4406,Hydraulic fluid power-fluids-method for coding the level of contamination by solid [S]. Geneva: The International organization for standardization (ISO),1999.

[6] ISO 3722,Hydraulic fluid power-fluid sample containers-qualifying and controlling cleaning methods [S]. Geneva: The International organization for standardization (ISO),2007.


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