文 | 明艷英，李興國，朱振東

芻議某廠家1.5MW機型風(fēng)電機組潤滑油冷卻系統(tǒng)

文 | 明艷英，李興國，朱振東

截至2014年底，我國安裝風(fēng)電機組76241臺，累計裝機容量1.14609億千瓦，1.5MW機組占不同功率機組累計裝機容量的61%。

某廠家裝機臺數(shù)較多，裝機容量較大，在制造商排名中名列前茅，1.5MW機型市場保有量大。該1.5MW機型風(fēng)電機組存在齒輪箱潤滑油夏季溫度高問題，導(dǎo)致機組降負(fù)荷或停止運行，影響安全生產(chǎn)，浪費清潔能源，產(chǎn)生較大經(jīng)濟損失。

本文對其潤滑油冷卻系統(tǒng)進行分析，力求找出產(chǎn)生問題的原因，為解決問題提供依據(jù)。

簡介

一、風(fēng)電機組

機組類型：常溫型

額定功率：1.5 MW

額定風(fēng)速：11 m/s

切入風(fēng)速：3 m/s

切出風(fēng)速：20 m/s

額定轉(zhuǎn)速：17.4 rpm

發(fā)電機額定速度：1810 rpm

葉輪直徑：77.4 m

輪轂高度：80 m

罩體尺寸：10162×3642×3782mm

支撐筒直徑：φ3282mm

二、齒輪箱

齒輪箱是將風(fēng)輪轉(zhuǎn)化的動能傳遞給發(fā)電機并使其達到所需要轉(zhuǎn)速的傳動機構(gòu)，由兩級行星和一級平行軸齒輪組成，三級傳動。

型號：PWE1577/PPSC1280

傳動比：—104

額定功率：1.7 MW

額定轉(zhuǎn)矩：933 kNm

外型尺寸：3698×1984×1684 mm

貯油量：600L

潤滑油牌號：mobilgear SHC XMP 320合成油

潤滑油比熱：1.88J/(kg·℃)

潤滑油密度：0.915kg/l。

油/風(fēng)冷卻器生產(chǎn)單位：HYDAC賀德克

油/風(fēng)冷卻器型號：OK-EL10L-S/2.1/400-50/SOXX RAL5003型（板翅式）

油/風(fēng)冷卻器額定冷卻能力：63kW（油進口和空氣進口溫度差40℃，油泵流量105l/min）。

三、齒輪箱潤滑

齒輪箱主軸軸承為浸油潤滑，平行軸軸承和齒輪為 壓力潤滑，其余軸承和齒輪為壓力和浸油復(fù)合潤滑。齒輪箱貯存的潤滑油通過油泵加壓、過濾（或冷卻）后引入各潤滑點實現(xiàn)壓力潤滑，潤滑油壓不低于0.8bar。

油溫超過55℃，齒輪箱產(chǎn)生的熱量大于自然散失的熱量，潤滑油進入油/風(fēng)冷卻器強制散失多余的熱量。此時，油泵額定轉(zhuǎn)速1450rpm，額定流量105l/min，電機功率6kW。

冷卻器安裝齒輪箱頂部，抽吸機艙內(nèi)的空氣，機艙形成負(fù)壓，外界空氣滲入維護風(fēng)量平衡。

由于齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機等設(shè)備（元件）散熱，雖然油/風(fēng)冷卻器連續(xù)排出機艙內(nèi)高溫空氣，機艙空氣溫度也高于外界環(huán)境溫度。

為保證電氣元件安全工作，機組要求機艙溫度不能高于55℃。

齒輪箱要求具有較好的換熱環(huán)境；其它廠家類似機型機組要求，齒輪箱處空氣流速>3m/s，補充空氣溫度＜35℃。

齒輪箱要求：高速軸承溫度≥90℃度時，機組最高80%額定負(fù)荷運行，≥95℃停止運行。齒輪箱油溫≥75℃時，機組最高80%額定負(fù)荷運行，≥80℃停止運行。

機組產(chǎn)熱

機艙內(nèi)連續(xù)產(chǎn)熱設(shè)備包括齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機、變頻柜等，間歇產(chǎn)熱設(shè)備包括變槳裝置、巡航裝置等。影響齒輪箱潤滑油溫度的設(shè)備是齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機和變頻柜等。

一、齒輪箱

我國規(guī)定，在額定工況下，對于三級平行軸或一級行星+兩級平行軸齒輪傳動的齒輪箱，機械效率應(yīng)不小于97%；余下3%損耗功率轉(zhuǎn)化為產(chǎn)熱功率。

某廠家1.5MW機型機組齒輪箱由兩級行星+一級平行軸齒輪組成，結(jié)構(gòu)略有差異，損耗功率估算：

行星齒輪傳動損耗率0.8%，兩級行星齒輪傳動損耗功率為27.2kW；

平行軸齒輪傳動損耗率0.85%，一級平行軸齒輪傳動損耗功率為14.45kW；

軸承傳動損耗率0.1%，不考慮行星架軸承，主軸2只和平行軸4只軸承傳動損耗功率為10.2kW；總損耗功率等于51.85kW。

折算機械效率96.95%，估算結(jié)果與我國規(guī)定相近，所以按機械效率97%計算齒輪箱產(chǎn)熱功率較為合理。齒輪箱產(chǎn)熱功率51kW。

為散失上述熱量，油泵需要高速運行，此時電機功率6kW，這部分功率轉(zhuǎn)化為熱能散失。

所以齒輪箱產(chǎn)熱能力是齒輪損耗功率和油泵功率之和，即57kW。

二、發(fā)電機和變頻柜

發(fā)電機為雙饋異步發(fā)電機，額定輸出（1810rpm）功率為1.52MW，速度范圍1000 rpm-2000rpm，效率≥97%，最大發(fā)電機損耗≤45kW，即發(fā)電機產(chǎn)熱能力45kW；

機艙中變頻柜和控制柜中的電氣、控制元器件，主要是3×500kW變頻器，在工作時產(chǎn)生大量的熱量，資料介紹產(chǎn)熱能力19 kW。

發(fā)電機全封閉式發(fā)電機，散熱能力差，要求機艙通風(fēng)順暢，電機表面積灰能及時清除。變頻柜和控制拒內(nèi)也要求建立良好的空氣流場。

三、聯(lián)軸器

聯(lián)軸器連接齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸，傳遞動能，補償兩軸之間的軸向和角度偏差。

聯(lián)軸器一般采用德國CENTALINK聯(lián)軸器，屬彈性萬向聯(lián)軸器，允許軸向偏移±20mm，角度補償瞬時最大≤3.0°。

聯(lián)軸器兩端是“LINK”連桿，連桿一端與中間短軸連接，另一端與齒輪箱軸（或發(fā)電機軸）上法蘭連接。連桿主要部分是球型萬向軸承和緩沖襯套，利用這種結(jié)構(gòu)補償兩軸之間的偏差。

一般情況下，彈性聯(lián)軸器傳動效率0.99%-0.995%，萬向聯(lián)軸器傳動效率（角度補償≤3°）0.97-0.98?？紤]到CENTALINK聯(lián)軸器質(zhì)量好，風(fēng)電行業(yè)安裝和檢修水平高等特點，聯(lián)軸器機械效率取為0.995%，額定功率1.5 MW時，聯(lián)軸器損失功率1500×(1-0.995%)=7.5kW。

聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)的同時，擾動周邊空氣，將損失功率轉(zhuǎn)化為散熱功率，提高空氣溫度，所以聯(lián)軸器產(chǎn)熱能力7.5kW。

四、產(chǎn)熱總功率

機組產(chǎn)熱總功率就是上述齒輪箱、發(fā)電機和變頻柜、聯(lián)軸器產(chǎn)熱功率之和，即57+45+19+7.5=128.5kW。

產(chǎn)熱設(shè)備向機艙散熱

一、齒輪箱

齒輪箱散熱功率分析，限定機組滿負(fù)荷運行，油溫為最高允許溫度75℃，外界環(huán)境溫度35℃。

不考慮凸起的安裝環(huán)高度，近似考慮齒輪箱是3700×φ1600mm柱形，表面積S1=22.61m2。

壓力潤滑點分布在齒輪箱中上部，部分潤滑油飛濺到齒輪箱內(nèi)壁，回流至齒輪箱下部油池。在油池儲油和飛濺油的共同作用下，箱體表面溫度較為均勻。向機艙散熱見公式1。

式（1）中：

P1-齒輪箱散熱功率/kW；

α1-齒輪箱表面對流換熱系數(shù)/W/(m2·℃)；對于對流不受妨礙的靜止空氣，概略值為15W/(m2.℃)-25W/(m2.℃)，由于齒輪箱具有較好的換熱環(huán)境，取25W/(m2·℃)。

t1-齒輪箱表面溫度/℃；取64.54℃（出/入油溫75/54.07℃）。

t2-機艙溫度/℃；取45℃（估算）。

齒輪箱散熱功率P1=11.05kW。

二、發(fā)電機和變頻柜

機組通過水/風(fēng)冷卻器，散失發(fā)電機和變頻器產(chǎn)生的熱量；雖然水冷散失了大部分熱量，但發(fā)電機和變頻柜的外表面同時也向機艙散失熱量。

水/風(fēng)冷卻器最高介質(zhì)溫度70℃，發(fā)電機最高進水溫度50℃，變頻柜最高進水溫度45℃。

發(fā)電機呈φ900×1800mm筒形，表面積6.36m2，考慮變頻柜散熱，表面積達9m2。估算經(jīng)驗值0.8kW/m2-1.2kW/m2，發(fā)電機和變頻柜散熱功率9kW。

三、聯(lián)軸器

上面計算可知，彈性萬向聯(lián)軸器機械效率0.995%，損失功率1500×(1-0.995%)=7.5kW。

聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)的同時，擾動周邊空氣，將損失功率轉(zhuǎn)化為散熱功率，提高空氣溫度。所以，聯(lián)軸器向機艙散熱功率7.5kW。

四、產(chǎn)熱設(shè)備向機艙散熱

產(chǎn)熱設(shè)備向機艙散熱總功率為上述齒輪箱、發(fā)電機和變頻柜、聯(lián)軸器向機艙散熱功率之和，即11.05+9+7.5= 27.55kW。

機組散熱

一、罩體

產(chǎn)熱設(shè)備向機艙散熱，加熱機艙空氣，提高空氣溫度；一部分熱量通過罩體散失到機艙外大氣中，一部分熱量通過油/風(fēng)冷卻器排放到機艙外大氣中。罩體散熱見公式2。

式（2）中：

S2—罩體表面積/m2；170m2。

α1—對流換熱系數(shù)/W/（m2·℃），計算見公式3。

式（3）中：

αw—機艙外空氣與罩體的對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；良好的強制對流換熱，取100W/(m2·℃)。

δ—罩體厚度/mm；8mm。

λ—罩體導(dǎo)熱系數(shù)/W/（m2·℃）；0.35W/（m2·℃），玻璃鋼材料。

αn—機艙內(nèi)空氣與罩體的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；流暢的自然對流/6W/(m2·℃)。

計算可得：α1=5W/m2·℃

Δt1—機艙內(nèi)外溫度之差/℃；10℃。

罩體散失熱量：8.5kW；

二、水/風(fēng)冷卻器

發(fā)電機和變頻柜產(chǎn)熱能力為64kW，向機艙散熱9kW。

水/風(fēng)冷卻器散熱55kW。

水/風(fēng)冷卻器實際出力為額定出力的86%。

三、油/風(fēng)冷卻器

機組產(chǎn)熱總功率128.5kW，罩體散熱8.5kW，水/風(fēng)冷卻器散熱55kW，其余65kW需要油/風(fēng)冷卻器散失。

齒輪箱發(fā)熱功率57kW，油/風(fēng)冷卻器實際散熱65kW。

冷卻57kW發(fā)熱功率，機組配置63kW油/風(fēng)冷卻器，冷卻65kW發(fā)熱功率，需要配置71.5kW油/風(fēng)冷卻器。油/風(fēng)冷卻器實際出力為額定出力的114%。

結(jié)論

油/風(fēng)冷卻器額定出力63kW，實際散熱71.5kW，冷卻器選型偏小。

冷卻器選型偏小的原因是沒有考慮聯(lián)軸器、發(fā)電機和變頻柜向機艙散熱，扣除罩體散熱后，對冷卻器增加的散熱負(fù)荷。

齒輪箱發(fā)熱功率57kW，平衡散熱片污染導(dǎo)致的冷卻能力下降，額定冷卻能力為散熱功率的1.1倍，油/風(fēng)冷卻器額定出力63kW。油/風(fēng)冷卻器額定出力與實際出力65 kW相接近。這是冷卻器對污染敏感的原因。

油/風(fēng)冷卻器即要排出機艙高溫空氣，又要冷卻潤滑油；這種“又背又抱”的工作方式，客觀上浪費了冷卻器的出力。油/風(fēng)冷卻器額定出力63kW，通過冷卻器散失的熱量65kW，包括產(chǎn)熱設(shè)備向機艙散熱19.05kW，油/風(fēng)冷卻器實際出力為額定出力的72.94%。

由于發(fā)電機和變頻柜向機艙散熱，水/風(fēng)冷卻器實際出力小于額定出力。

油/風(fēng)冷卻器是板翅式冷卻器，工作最佳空氣潔凈度30萬級，機艙空氣質(zhì)量不能保證。

（作者單位：明艷英：阜新發(fā)電有限責(zé)任公司；李興國，朱振東：阜新美迪原環(huán)保科技有限公司）