摘 要：齿轮箱是风电机最重要且价值最高的部件之一，其运行稳定性对于风电机的可靠运行至关重要，齿轮箱润滑和冷却系统性能对齿轮箱的使用寿命以及工作效率非常重要的。良好的润滑和冷却系统不仅可以对齿轮箱内部的齿轮、轴承起保护作用，还能吸收冲击和振动，减少摩擦，防止齿轮点蚀和胶合。齿轮箱润滑油温度的高低对润滑油的化学性能指标影响较大，不仅可以检验风电机组运行负荷大小，也是衡量齿轮箱运行状态的重要参数。风电机组齿轮箱润滑油过热的问题不但影响机组出力，还会降低润滑油使用寿命，甚至导致齿轮箱发生严重损伤。针对此问题，经过分析和研究，提出对散热系统、温控阀及空气滤清器的改造方案，应用效果明显，可操作性强。
关键词：齿轮箱；油冷系统；控制阀组；油温高；散热片
一、引言目前，变速变桨双馈式风电机组普遍存在齿轮箱油温高问题，尤其是市场上已装的余台华锐SL机组问题比较突出[1]。
华锐SL风电机组齿轮箱由两级行星、一级平行轴传动以及辅助装置组成[2]。齿轮箱内部及齿轮啮合采用飞溅和压力两种方式进行润滑。
随着运行年限增加，很多机组陆续出现齿轮箱油温高的现象，经过多次的清洗和维修，仍然不能彻底解决的油温高机组自动限功率的问题。同时在油液持续高温的情况下，会缩短润滑油使用寿命，油品润滑特性变差，齿面磨损和轴承磨损加剧，导致齿轮箱传动效率下降，寿命也极大缩短。
本文以华锐SL机组为例，依据其使用的大重齿轮箱及其油冷散热系统的设计参数和实际应用情况，针对齿轮箱油温高问题进行了分析，包括油冷系统原理以及存在的问题，提出了散热器、控制阀组改造方案，通过现场实验验证了所提方案的有效性，为其他类似双馈式风电机油温高问题提供借鉴。
二、油冷系统构成及原理华锐SL风电机组齿轮箱润滑冷却系统主要包括[3]：电机、油泵及附件、过滤器及滤芯、温控阀、冷却电机、散热器、冷却风扇、阀体、各类传感器等如图1所示。
1-电机；2-油泵及附件；3-过滤器及滤芯；4-温控阀；
5-冷却电机；6-散热器；7-冷却风扇；8-阀体
图1：华锐SL风电机组齿轮箱润滑冷却系统
（一）电机
用于油冷系统中油液的循环，是整个系统的动力源，保持齿轮箱的温度处于正常范围内。
（二）油泵及附件
用于齿轮油的循环，是整个系统的心脏，把齿轮油输送到每一个需要的地方。
（三）过滤器及滤芯
用于提供润滑系统所需的压力和流量，并控制系统的清洁度。该装置上安装有保护旁通阀(单向阀)，开启压力10bar，以防压力过高对系统原件造成损坏。过滤分两级过滤，当冷启动或滤芯压差大于4bar时，滤芯上单向阀开启，油液经50μm的粗过滤；当油温逐渐升高，油液粘度降低，滤芯压差小于4bar时，油液经10μm和50μm的两级过滤。无论何种情况，未经过滤的油液决不允许进入齿轮箱内各润滑部件[4]。
（四）温控阀
当油温低于45℃时，大部分油液直接经过温控阀连接管路进入齿轮箱分配器。当油温大于45℃时，温控阀开始动作，55℃时切换完成，所有油液经过冷却器冷却后到达齿轮箱分配器。
（五）冷却电机
用于带动冷却风散冷却齿轮箱的润滑油，冷却器电机的启停温度由风电机的电控系统来完成。如当油温≥55℃，冷却器电机启动；油温≤45℃时，冷却器电机停止。
（六）散热器
由于油液的循环，大面积散热，降低齿轮箱润滑油温度。冷却器内部有单向阀，当冷却器前后压差达到6bar时，单向阀(旁通阀)开启，润滑油不经散热器而直接进到齿轮箱。
（七）冷却风扇
用于降低齿轮箱油温的扇叶，安装于散热片顶部，与冷却电机相连。
（八）阀体
用于系统压力太大时泄压，以降低系统压力，减少对系统的冲击，防止使油管及冷却器爆裂发生漏油。
三、油冷系统存在的问题（一）10bar单向阀
1.低温下油液运行压力过高，如果单向阀卸荷能力不足，会导致散热片压力过高而爆裂。
2.高温时，如果保压性能不好，出现泄漏，则会导致通过冷却系统的润滑油减少，出现油温高现象。
（二）温控阀
1.寿命难以预测，一般为3年以内。
2.阀芯与阀体采取的是滑阀结构形式，存在泄漏现象，难以保证完全封闭。
温控阀的分流直接影响冷却系统散热流量，而流量又与散热功率成正比。如果油温低的情况下温控阀失效将会导致散热片压力过高，出现爆裂或渗油现象，如果油温高的情况下温控阀失效将会导致系统油温过高。
（三）空气滤清器
通气型空气滤清器对水蒸气及油污没有防护作用，当齿轮箱内油温过高时，形成的油雾会通过空气滤清器口扩散到机舱空间内，而冷却系统又是采用吸风式方式，所以油污很容易附着在散热片表面，影响散热效果。
（四）散热片
原厂配套的冷却器空气侧通道结构抗污染能力差，导致空气侧翅道容易发生阻塞，齿轮箱油液渗漏后的挥发物与空气中的灰尘和植物纤维的混合物(组分比例随地域气候不同而不同)是阻塞翅道的主要物质。
现有的冷却器制造厂家大多照搬国外品牌的设计，没有针对国内的实际工况和气候条件做出改进和革新。图2为运行2年的散热器，可以看出，冷却器的翅片结构紧凑，这样虽然可以提高换热强度，节约材料，降低成本，但是结构复杂，加工偏差大，流道阻力大，空气侧压损大，污染物抛离和附着现象严重，难以清理干净。根据实际分析结果得出，清洗后的冷却器散热功率最高只能恢复到设计值的70%左右[5]。
图2：运行2年的散热器
原系统冷却器的设计条件：齿轮箱传动效率≥97%，环境温度40℃，机舱温度低于46℃，齿轮箱油温低于75℃。
随着齿轮箱服役时间的增长，实际效率会降到96.5%~97%之间，自身发热功率45~52kW，部分工况可达到60kW左右，原齿轮箱厂配套的冷却器功率一般为45kW左右，不能满足工况要求。经常出现油温高于75℃，机组限功率的情况。
四、改造方案以下主要对散热系统、温控阀及空气滤清器进行改造论证。
（一）温控阀改成线性密封锥座单向阀
单向阀具有良好的开启特性和通流特性，避免了温控阀出现的油温高关不严，从而导致油液泄漏、油温低打不开的现象。原温控阀高温时开关不严密，导致内部泄漏，经过散热片的油量相应减少，从而导致油温高，密封锥座单向阀很好地解决了这个问题，使高温时通过散热片的油量得到了保证。
根据散热片内部保护单向阀压力为6bar[6]，再充分考虑经过散热片后管路内的压力预计不大于2bar，将单向阀开启压力预设为8bar，全流量压力为11bar，如图3系统图对比。
1-电机；2-油泵及附件；3-截止阀；4-阀体；5-过滤系统；6-温控阀；7-散热器；8-油管；9-油管；10-压力传感器；11-油管
（a）原系统图
1-电机；2-油泵及附件；3-截止阀；4-阀体；5-过滤系统；6-单向阀；7-散热器；8-压力传感器；9-油管；10-压力传感器；11-油管
（b）改造后系统图
图3：系统图对比
阀组：阀组与过滤器下端盖的连接形式及尺寸保持与改造前完全通用，在改造过程中只需拆下原阀组，安装上新阀组即可。在阀组出油口及卸油口配备测压接头，便于监测散热片入口及系统回油压力，确保散热片在工作过程中不超压。
阀组油管回路：阀组回油管路与原单向阀回油管路并联，润滑油直接回齿轮箱，这样保证控制阀组中单向阀打开卸油时回油背压降低到最小，降低单向阀入口开启及卸油压力。单向阀入口压力与散热片入口压力一致，确保散热片入口始终保持较低压力，避免冬季油温过低出现散热器爆裂或渗油现象，提高散热片使用寿命。控制阀组中单向阀开启及关闭特性和流量特性对系统运行至关重要，必须保证需要开启时全流量开启，需要关闭时没有泄漏[7]，如图4所示。
图4：油冷系统实物图
（二）现有散热器性能分析及对策
齿轮箱在运转过程中必然会产生功率损失，损失的功率PV会产生热量使油温上升，损失的功率PV的计算公式如下：
PV[8]=P×(1-η) （1）
式中：PV为运转过程中产生功率损失，单位为kW；P为齿轮箱功率，单位为kW；η为传动效率。根据机组参数计算，损失的功率PV为51kW，齿轮箱油冷却系统至少要散去的功率为PL，PL的计算公式如下：
PL=PV-PG （2）
式中：PG为齿轮箱自身热辐射效能，单位为kW。根据机组给定的PG计算，PL为44.64kW。
换算成油温的的计算公式如下：
toil=tair+(PV-PG)/αGA （3）
式中：toil为油温，tair为环境温度，单位为℃；αG为传热系数；A为齿轮箱表面积，单位为m2。根据机组参数及环境温度计算，油温toil为.2℃，产生如此高的热量需要利用强迫循环进行冷却，利用润滑油带走热量，所需油泵流量的计算公式如下：
Q=[(PV-PG)/C×p×(toil-toil-out)] （4）
式中：Q为润滑流量，L/min；C为比热，单位为kJ/kg℃；p为密度，单位为g/ml；toil-out为冷却器出口油温度，单位为℃。根据机组参数计算，流量Q为.85L/min，冷却器需达到的散热能力P01的计算公式如下：
（5）
式中：P01为冷却能力，单位为kW/℃；η为安全系数；troom为机舱环境温度，单位为℃。计算得散热能力P01为1.63kW/℃，因此，当机舱温度达到45℃时，要使齿轮箱油温保持在75℃以下，所需散热器冷却能力达到1.63kW/℃，所需散热器散热功率的计算公式如下：
PM需=P01×（75-45） （6）
式中：PM需为散热器实际需要的散热功率，单位为kW，计算得散热器散热功率PM需为49kW，原散热器设计的冷却能力为1.57kW/℃，散热功率(按照允许散热器进口环境温度最大45℃取值)
PM原=1.57×（75-45）=47.1kW
但由于散热器造成的风阻影响，实测散热器通风量仅为m3/h，低于散热风扇设计值m3/h[9]，因此实际散热功率达不到计算值47.1kW。加上长期运行，造成散热片有不同程度的污染、堵塞，冷却性能进一步折减。
针对冷却系统散热器性能下降及在油雾及柳絮情况下容易堵塞的情况，做如下改进：一是在原外形及安装尺寸不变情况下改变外翅片通风通道模式，由原始的交叉型更改成S型；二是对风冷机扇叶进行优化，整体排风量由原始的m3/h提升到m3/h。经综合考虑实验数据、扇叶强度、电机功率，最终选定风量为m3/h。
风量由静压和电机功率等决定[10]，对外翅片结构的更改减小了散热片的静压，相当于提高了风量。另外在电机功率不变的情况下，对桨叶叶片重新选型，叶片角度增加了10°，也相应的提高了风量。
（三）翅型散热片及改进后扇叶实物对比图
如图5所示为现运行与改造后风电机外翅片结构形式对比，改进后的散热片具有较强的防堵能力。
（a）原散热片 （b）改造后散热片
图5：现运行与改造后风电机外翅片结构形式对比
如图6所示为改进型风冷机扇叶，与原扇叶具有相同的安装尺寸，实际风量提高25%。改进后提高机舱内空气对流及风冷机散热能力，同时避免柳絮等附着。图6：改进型风冷机扇叶
将通气型空气滤清器改造为颗粒型空气滤清器。在吸纳水分的同时会凝结油雾，避免油雾扩散到机舱中而污染散热片[11]。
五、试验验证主要包括风冷机计算试验参数、控制阀组开启及全流量压力。
（一）风冷系统试验
通风能力试验、模拟极限环境散热功率试验。
如图7所示为模拟实际润滑系统散热试验，环境温度设定为45℃，齿轮泵选用风电机上使用的KF80RF23/GJS型[12]，监测数据包括冷却系统进出口风温、进出口油温、散热片压差、系统流量。利用相同的试验条件对原始散热片及改进型散热片进行对比测试。
图7：模拟实际润滑系统散热试验
考虑试验室通风情况与机舱通风情况不同(塔筒内的冷风参与对流)，风冷机实际运行中的散热功率应该比试验数据偏高[13]。
试验表明在相同的条件下，改进后的散热系统散热效率提高29%。
（二）控制阀组试验
包括阀组开启压力与全流量压力。
如图8所示为单向阀封闭特性试验，在压力为8bar时能保证完全密封，当压力达到8.1bar时，阀芯开启，出现油线。该阀采用线密封形式，开启特性非常好，避免需要封闭式出现渗漏现象[14]。
图8：单向阀封闭特性试验
如图9所示为回路完全截止情况下试验照片截图，左图为全流量卸油，右图为所有介质经过单向阀时单向阀进口端压力[15]，此时压力值为11bar。通过单向阀泄压可以避免散热片进口油压过高[16]，从而避免散热片超压损伤。
图9：为回路完全截止情况下试验照片截图
实地检测中的系统压力和过滤器后工作压力(散热片入口压力)，系统压力达到10bar，滤后压力达到7bar，安全阀处于部分关闭状态。
（三）风电场安装数据对比
对某风场可以保持满发状态的24#、56#风电机进行改造，未改造的16#风电机作为对比，以下表1数据为某风场10-11月份现场运行数据，且环境温度、风速和功率基本保持一致，满足试验对比要求。
表1：某风场10-11月份现场运行数据
机组编号
10月机舱温度
11月机舱温度
10月齿轮箱油温
11月齿轮箱油温
24
17-19
9-13
56-59
53-59
56
20-23
17-20
55-62
58-60
16
37-44
39-42
63-67
69-71
以上显示数据分析，在相同的工况下，24#风电机和56#风电机机舱温度要比16#风电机低20℃左右，齿轮箱油温低10℃左右。两台试验风电机取得较理想的试验效果。
六、结论综上所述，此改造方案达到以下目的：
（一）改善风电机由于油温高导致限功率及故障停机问题。
通过上述改造，高温情况下，一是可以保证风冷机自身散热功率及防堵特性提高，二是油路改造保证了所有高温介质通过风冷机进行散热；单台风电机满负荷工作情况下齿轮箱油温同比下降5-8摄氏度，齿轮箱油温高故障率降低45%，风电机故障率降低22%，在大风季节满负荷情况下极大提高了风电机的运行可靠性，大幅降低风电机的故障停机小时数，减少了齿轮箱冷却系统的维护成本和工作量。
（二）解决散热片爆裂及渗油问题。
通过改造后，风电机组在低温情况下散热片入口端的压力降低，减少对散热片的冲击，可以极大的延长散热片使用寿命。
（三）降低机舱温度，维持机舱内部元器件正常工作。
由于风冷机吸风量提高，机舱内空气循环加速，塔筒内冷空气参与循环量提高，整个机舱保持在较好的空气流通状态，对所有机舱内工作的元器件都能起到保护作用。
应用上述方案对油冷系统进行改造，不但是解决目前华锐SL机组油冷系统存在问题的有效途径，还是消除设备隐患、减少运营单位的发电量损失和提高设备健康水平的有效措施。
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作者：内蒙古华电辉腾锡勒有限公司杨茂林
黑龙江省华富电力投资有限公司生产技术部风机专责杨桐轩
来源：华电福新往期精彩回顾重磅发布《中国风电后市场发展报告（-）》技术交流
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风电场安全与效益整体提升方案《风电后市场微平台》