風電集成式傳動鏈中齒輪箱與發電機接口處的壓力平衡裝置

梅興育

(上海電氣風電集團股份有限公司,上海 200241)

0 引言

風力發電機組大型化是當前風電新能源行業的發展趨勢,目前主流機組在5～10 MW之間,未來幾年預計在10～20 MW之間。大兆瓦機型,機組體積龐大,質量大、物料成本高、制造、安裝和運維難度大。集成式傳動鏈把軸系(主軸、軸承座、主軸承)、齒輪箱和發電機集成在一起,減少了軸承和聯軸器等關鍵貴重部件的使用;節省了軸承座、齒輪箱、發電機獨立的箱體端蓋,從而減輕軸系、齒輪箱和發電機重量。主軸和齒輪箱、齒輪箱和發電機直接剛性連接,避免了使用聯軸器等部件,減少了中間環節造成的能量損耗,提高了傳動鏈的整體傳動效率。軸承是易損件,容易造成傳動鏈故障,減少軸承使用直接降低了傳動鏈的機械故障概率,可靠性也得到了提高。集成式傳動鏈達到了輕量化、高可靠性、低故障率、低成本和高效率等開發目標。但傳動鏈高度集成化的同時帶來設計難度高、制造精度高、耦合度高、安裝維護困難等問題。本文重點討論齒輪箱和和發電機之間形成環形腔體的壓力平衡問題[1]。

1 集成式傳動鏈結構

集成式傳動鏈由5大模塊組成,分別是軸系(1)、齒輪箱(2)、發電機(3)、潤滑系統(4)和冷卻系統(5),如圖1所示。

圖1 集成式傳動鏈

齒輪箱和軸系之間的連接方式(無聯軸器)是齒輪箱低速級行星架和主軸通過銷子和螺栓剛性連接(共用主軸承),齒輪箱低速級齒圈和軸承座通過銷子和螺栓剛性連接。齒輪箱和發電機之間也沒有聯軸器連接,發電機轉子和齒輪箱高速級輸出軸通過螺栓剛性連接,發電機定子和齒輪箱后箱體通過螺栓剛性連接。潤滑系統和冷卻系統放置在齒輪箱頂部和兩側,或者放置在機艙機架上。

2 發電機內發生油氣附著現象

集成式傳動鏈中齒輪箱(1)和發電機(2)的定轉子之間形成一個環形腔體(31),腔體邊界是齒輪箱輸出軸(11)、發電機轉子(21)、發電機定子(22)、齒輪箱的后箱體(13)、透蓋(12)及油封(14)的結合位置,如圖2所示。

圖2 齒輪箱和發電機裝配接口

齒輪箱(1)包含輸出軸(11)、透蓋(12)、后箱體(13)、油封(14)、軸承(15)、軸套(16),后箱體(13)和透蓋(12)之間的連接螺栓(7)等部件。發電機(2)包含轉子(21)、定子(22)等部件。齒輪箱后箱體(13)和發電機定子(22)連接螺栓(6),輸出軸(11)和轉子(21)連接螺栓(5)。(0)是氣體流向示意,從發電機內部環形腔體(31)流向外部。

在樣機測試驗證階段,我們發現一個重大問題:發電機內部的轉子(21)和定子(22)上有油氣附著。因為集成式傳動鏈發電機轉子和齒輪箱輸出軸共用一組軸承,這組軸承內置在齒輪箱端,所以發電機本身沒有潤滑油需求,同時檢查外部環境沒有油氣污染源。顯然這些附著在發電機內部的轉子和定子上的油氣來自于齒輪箱,推測發電機轉子高速旋轉改變氣壓把齒輪箱油氣吸出來了。

為此我們在環形腔體(31)內做了壓力監測,在0°處、45°處、90°處、135°處、180°處、225°處、270°處及315°處8個方位設置8個測壓點,做5次測試。所用測壓設備是數字壓差計(精度±0．1%),測壓計一端通過管路接到測壓點,另一端連通自然大氣,所測的壓差數據如表1所示。

表1 環形腔體(31)壓力測試點數據表 單位:kPa

從表1可以看出環形腔體(31)處是負壓區,齒輪箱本身因為有呼吸器會自我調節達到壓力平衡,但發電機組工作時發電機轉子(21)高速旋轉,在齒輪箱(1)和發電機(2)之間形成的環形腔體(31)內產生負壓,負壓產生了吸力,齒輪箱內的油氣穿過油封(14)逸散出來附著在發電機內的轉子(21)和定子(22)表面上。眾所周知,發電機定轉子表面嚴禁有附著物,而來自于齒輪箱的油氣會形成油污附著在發電機磁鋼、線圈上,進而影響發電機散熱、發電甚至引起發電機絕緣性能下降。

3 齒輪箱與發電機之間的壓力平衡裝置[1]

如何避免從齒輪箱逸散出的油氣附著在發電機內部轉子和定子表面的現象發生,其實需要解決齒輪箱與發電機之間的環形腔體產生負壓的問題。為此,我們在齒輪箱(1)和發電機(2)之間形成的環形腔體間設置壓力平衡裝置。此壓力平衡裝置是一個組合應用裝置,分為兩部分。

第一部分是在齒輪箱(1)和發電機(2)結合位置設置迷宮密封(4);迷宮密封(4)的動環(212)設置在發電機轉子(21)上,靜環(121)設置在齒輪箱端蓋(12),迷宮通道(8)數量越多密封效果越好。

第二部分是在轉子(21)上設置一圈透氣孔(211),在滿足轉子(21)強度和剛度前提下盡可能多設置透氣孔(211)數量,具體示意如圖3和圖4所示。

圖3 齒輪箱和發電機裝配接口

圖4 迷宮密封

齒輪箱(1)包含輸出軸(11)、透蓋(12)、后箱體(13)、油封(14)、軸承(15)、軸套(16)、迷宮密封靜環(121)、后箱體(13)和透蓋(12)之間的連接螺栓(7)等部件;發電機(2)包含轉子(21)、透氣孔(211)、迷宮密封動環(212)、定子(22)等部件;迷宮密封(4)中,靜環(121)和動環(212)形成了迷宮通道(8);齒輪箱后箱體(13)和發電機定子(22)連接螺栓(6)、輸出軸(11)和轉子(21)連接螺栓(5)。(01)是外腔體(311)的氣體流向示意,從發電機內部流向外部。(02)是內腔體(312)與外部的氣體流向示意,內腔體(312)氣體從透氣孔(211)流到發電機外部,同時外部大氣從透氣孔(211)進入到內腔體(312),兩個區域實現了氣體交換。

從圖3我們可以看到,迷宮密封(4)把環形腔體分為外腔體(311)和內腔體(312)。發電機組工作時發電機轉子(21)高速旋轉,理論上因為有了迷宮密封(4)把外腔體(311)和內腔體(312)的氣流通道隔斷,而透氣孔(211)通向發電機外部,釋放了內腔體(312)的壓力,最終內腔體(312)的壓力與大氣壓力平衡,避免內腔體(312)產生負壓把齒輪箱(1)的齒輪油油氣吸入發電機進入外腔體(311)而附著在發電機轉子(21)和定子(22)內表面上。為了驗證這個推測,我們分別對外腔體(311)和內腔體(312)做了壓力測試。

首先我們對外腔體(311)做了壓力監測,在0°處、45°處、90°處、135°處、180°處、225°處、270°處、315°處等8個方位設置8個測壓點(此處測壓點和表1測試的位置相同),同樣做5次測試。所用測壓設備是數字壓差計(精度±0．1%),測壓計一端通過管路接到測壓點,另一端連通自然大氣,所測的壓差數據如表2所示。

表2 外腔體(311)壓力測試點數據表 單位:kPa

同理我們對內腔體(312)做了壓力監測,在0°處、45°處、90°處、135°處、180°處、225°處、270°處及315°處8個方位設置8個測壓點,同樣做5次測試。所用測壓設備是數字壓差計(精度±0．1%),測壓計一端通過管路接到測壓點,另一端連通自然大氣,所測的壓差數據如表3所示。

表3 內腔體(312)壓力測試點數據表 單位:kPa

從表2和表3的測試數據可以看出,設置了迷宮密封(4)和透氣孔(211)后,外腔體(311)仍是負壓,因為負壓是發電機轉子(21)旋轉產生的壓力不平衡。有了迷宮密封(4)把外腔體(311)和內腔體(312)的氣流通道隔斷后,如有泄漏,泄露源在內腔體(312)的油封(14)處,但縱然有油氣泄露也無法進入外腔體(311)從而污染發電機。

內腔體(312)的壓力是正壓,非常接近一個標準大氣壓,相比較沒有壓力平衡裝置時此區域產生負壓(表1),可以避免把齒輪箱內的油氣吸出來進而附著在發電機內的轉子(21)和定子(22)內表面上。

樣機在風場運行13個月后,我們觀察外腔體(311)和內腔體(312),沒有發現有油氣附著在發電機內部定轉子表面。

4 結論

大型化集成式傳動鏈在輕量化、高可靠性,低成本和高效率方面具有顯著優勢,同時也帶來了一些技術挑戰,如本文所述的齒輪箱內的油氣穿過油封附著在發電機的轉子和定子上的問題,本文通過在齒輪箱和發電機之間設置組合壓力平衡裝置,并經過測試驗證,有效解決了油氣附著在發電機內表面的問題,為后來集成式傳動鏈研究提供技術基礎,對我國風電事業發展有積極推動意義。

本組合壓力平衡裝置解決了因為發電機轉子高速旋轉產生負壓而導致的油氣附著在發電機內表面的問題。如果齒輪箱的油封因為磨損失效,本論文所研究的組合壓力平衡裝置還是不能阻止齒輪油泄漏到發電機內,故需要發明一種裝置去避免這種情況發生,當齒輪油泄露時能及時把油排出去,避免齒輪油污染發電機,同時需有智能傳感器發出漏油信號給到風機控制系統,提示工作人員及時維護。