风电机组检测与控制课程设计报告

1、风电机组检测与控制课程设计指导书河北工业大学风能与动力工程系一、设计目的风电机组齿轮箱是双馈型风力发电机组的重要组成部分，是机组中的能量传递机构。齿轮箱的可靠性直接影响了风力发电机组的正常运行。随着国内政策对清洁能源大力支持，特别是对风能发电应用技术的开发，风电机组的单机容量越来越大，因此齿轮箱的稳定性、故障分析和可靠性研究成为了风力发电领域的一个重要环节。而在风电机组运行过程中，对齿轮箱进行在线监测和定期维护至关重要。根据所学知识，通过文献检索，针对齿轮箱进行在线状态监测和维护相关内容进行设计。二、设计内容1、齿轮箱常见故障及原因分析；2、齿轮箱在线状态监测；3、齿轮箱维护。三、时间安排20

2、15年1月19日交纸质版四、要求1、字数要求：5000字左右；2、报告格式参考“课程设计格式要求”；3、2-3名同学一组。风电机组检测与控制课程设计报告设计题目： 关于风电机组齿轮箱的研究姓 名： 时 间： 2015年1月10日 目 录 1系统概论 12 齿轮箱常见故障及原因分析 4 2.1 断齿 4 2.2 点蚀 4 2.3 齿面胶合4 2.4.齿根疲劳裂纹52.5 齿面接触疲劳52.6 轴承损坏52.7 断轴6 3、齿轮箱在线状态监测74 风力发电机组齿轮箱的维护94 结束语11 第 1 页1 系统概述11 齿轮箱的发展概况面对当前不可再生能源短缺的境况，许多国家都致力于发展清洁能源，主要

3、有风能、太阳能等，但规模最大的是风力发电。随着风力发电技术的日趋成熟，市场的逐步扩大，风力发电已成为增长最快的可再生能源之一，并具备了与常规能源竞争的能力。而风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组中最重要的部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。风机增速齿轮箱作为风力发电机组的配套产品，是风力发电机组中一个重要的机械传动部件，它的功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速进行发电，它的研究和开发是风电技术的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向发展。在风力发电机组出现的故障中齿轮箱的损坏率在机组部件中最高的由于风力发电机的组装在风电

4、场，齿轮箱受变载荷、强阵风的冲击，环境温度变化较大，齿轮箱故障所占比重较大。随着风力机组的不断升级，风力发电机容量的增大，齿轮箱故障所带来的损失越来越大发生故障是不可避免的若出现故障，对发电机组带来的影响很大，维修也非常困难。所以齿轮箱故障诊断的研究是非常必要的。目前，主要有三种风力发电机，一种依靠齿轮箱增速的双馈异步风力发电机，一种是永磁直驱风力发电机组，第三种是半直驱风力发电机，第一种的生产技术较为成熟，而 1且在风电场中是主流机型，使用较多的机型。双馈感应发电机所加装的电力电子变流器的功率占风力机组的 30，虽然没有了齿轮箱，风力机的故障发生率以及维护成本都大幅下降，但为了将直驱风力发电

5、机组联接电网，要给它加装一个全功率的电力电子变流器，而变流器的价格非常高，增加了发电成本。鉴于以上两个原因风电机组齿轮箱故障研究有重要现实意义。1.2 风力发电机组齿轮箱的介绍1.2.1风力发电机组齿轮箱的结构及作用 齿轮箱风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节

6、连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动如图 2-1 为齿轮箱剖面结构，图 2-2 为风机齿轮箱的内部结构. 图2-3为齿轮箱外部结构。 图2-1 图2-2 图2-3 1.2.2齿轮箱的工作过程风作用到叶片上，驱使风轮旋转。旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动并将动能输入齿轮副。经过三级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传递给发电机。发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。1.3风电机组中齿轮箱的工作概况环境条件恶劣：风大、砂尘、盐雾、

7、潮湿、高温、严寒工作条件复杂：风速风向多变、强阵风、高空无人值守要求高可靠性、高效率、高安全性要求工作寿命长：二十年（175200小时）输入输出速比大加工制造要求高2 齿轮箱常见故障及原因分析齿轮箱零部件一般包含有齿轮、滚动轴承和轴，而且在这三类主要零部件失效时产生的故障通常会互相影响，所以分析齿轮、滚动轴承和轴的主要失效形式对齿轮箱故障诊断具有重要的意义。 通常齿轮投入使用后，由于齿轮制造不良或操作维护不善，会产生各种形式的失效，致使齿轮失去正常功能而失效。失效形式又随齿轮材料、热处理、安装和运转状态等因素的不同而不同，常见的齿轮失效形式有：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与

8、断齿。 2.1 断齿 根据裂纹扩展的情况和断齿原因断齿包括过载折断（包括冲击折断）疲劳折断以及随机断裂等断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。 疲劳折断发生从危险截面的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力造成瞬时折断，其根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用。 故障原因：主要是材料选用不当，齿轮精度过低，热处理裂纹，磨削烧伤，齿根应力集中，过载等等。 处理方式： 因此在设计时需要考虑传动的动载荷谱，优选齿轮参数，正确选用材料和齿轮精度，充分保证加工精度消除应力集中集中因素等等。 2.2 点蚀 齿轮箱中的相互接触的齿在交变的接触应力多次反复作用下，在齿面接线附近，会出现若干

9、小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油，在压力作用下，产生锲挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而行成麻点状凹坑，形成齿面疲劳叫点蚀。产生原因有：齿面硬度低和过载以及载荷不均造成的相互接触的地方锲挤作用过大造成的。 处理方式：防止失效的措施是提高齿面硬度和采用正角度变位传动和选择好材质提高润滑油的粘度。 2.3 齿面胶合 故障原因：胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏，导致接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属的现象。对于重载和高速齿轮的传动，一旦润滑条件不良，由于齿面工作区温度很高，齿面间的油膜就会受到影响甚至会消失，长时间工作之 5后，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，这样就会在齿

10、面上形成垂直于节线的划痕状胶合。 处理方式：适当改善润滑条件和及时排除干涉起因调整传动件的参数，清除局部载荷集中，可减轻或消除胶合现象。 2.4.齿根疲劳裂纹 故障原因: 疲劳裂纹的产生是由于齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，从而产生脉动载荷，进而产生剪应力，这种力使齿轮表面层深处产生脉动循环变化使齿轮表面层深处产生脉动循环变化，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，接触表面将产生裂纹。在过大的接触剪应力和应力循环次数作用下，轮齿表面或其表层下面产生疲劳裂纹并进一步扩展而造成的齿面损伤早期点蚀齿面剥落和表面压碎等。 处理方式：设计，选择合适的精度配合，提高安装精度，保证热处理质

11、量，改善润滑条件等，是解决齿面疲劳的根本措施。2.5 齿面接触疲劳 齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的切应力，在交变应力作用下会产生微观的疲劳裂纹。润滑油进入裂纹后，在啮合过程中将裂纹封闭和挤压，润滑油在高压下促使疲劳裂纹蔓延和扩展，就将齿表面的金属微粒剥落下来，形成许多麻点凹坑，这些麻点 连接起来，造成大块金属脱落，这种现象就称为“剥落。剥落和点蚀的形成机理相同，无本质区别，只是程度不同而已。 处理方式：正确进行齿轮强度设计，选择好材料并保证热处理质量，选择合适的 精 度 配 合， 提高 安装 精 度， 改善 润滑 条件 等 是解

12、决齿 面疲 劳的 根 本措 施 。 2.6 轴承损坏 轴承是齿轮箱中最为重要的零件，其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏。轴承在运转过程中，轴承套圈与滚动体表面之间经受交变负荷的反复作用，由于安装、润滑、维护等方面的原因，而产生点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷，使轴承失效，从而使齿轮箱体产生损坏。 处理方式：重视轴承的设计选型，充分保证润滑条件，按照规范进行安装调试，加强对轴承运转的监控。 2.7 断轴 产生原因：是轴在制造过程中没有消除应力集中的因素，在过载或交变应力的作用下，超出了材料的疲劳极限所致。因此对轴上易产生的应力集中因素应高度重视，特别是在不同轴径过渡区要有圆滑的圆弧连接，此处的光洁度要

13、求较高，也不允许有切削刀具刃尖的痕迹。 处理方式：设计时，轴的强度应足够，轴上的键槽、花键等结构不能过分降低轴的强度。保证相关零件的刚度，防止轴的变形，也是提高轴的可靠性必要措施。而在日常的运行与维护中经常碰到的一些基本故障有： (1 )齿轮油泵过载 故障原因：齿轮油泵过载多发生在冬季低温气象条件下，长期停机后或新安装调试的风力发电机组齿轮箱温度低，润滑油粘度增加，造成油泵启动时负载较重，导致油泵电机过载。 处理方法：出现该故障后应使机组处于待机状态下逐步加热齿轮油至 0°C 以上，再按规程启动油泵、风机，避免强制启动风电机组，以免因润滑油粘度较大造成润滑不良，损坏齿面或轴承以及润滑

14、系统的其它部件。 (2 )润滑油温度过高 故障原因：齿轮油温度过高一般是因为风电机组长时间处于额发电状态，润滑油因齿轮箱发热而温度上升超过正常值。 处理方法：出现温度接近齿轮箱工作温度上限的现象时，可敞塔开架增强通风降低机舱温度，改善齿轮箱工作环境温度。若发生温度过高导致的停机，不应进行人工干预，使机组自行循环散热至正常值后启动。若在一定时间内，齿轮箱温升较快，且连续出现油温过高的现象，应当首先登机检查散热系统和润滑系统工作是否正常，温度传感器测量是否准确，然后再进一步检查齿轮箱工作状况是否正常，尽可能找出发热明显的部位，初步判断损坏部位。 (3)润滑油位低 故障原因：润滑油位低故障是由于润滑

15、油低于油位下限，磁浮子开关动作停机；或因为油位传感器电路故障。 处理方法：风电机组发生该故障后，运行人员应及时到现场可靠地检查润滑油油位，必要时测试传感器功能。不允许盲目复位开机，避免润滑条件不良损坏齿轮箱或者齿轮箱有明显泄漏点开机后导致更多的齿轮油外泄。 在冬季低温工况下，油位开关可能会因齿轮油粘度太高而动作迟缓，产生误报故障，所以有些型号的风电 7机组在温度较低时将油位低信号降级为报警信号，而不是停机信号。3、齿轮箱在线状态监测 3.1 SCADA系统SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统

16、是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它在远动系统中占重要地位,可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能,即我们所知的"四遥"功能.RTU(远程终端单元),FTU(馈线终端单元)是它的重要组成部分在现今的变电站综合自动化建设中起了相当重要的作用SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)

17、系统，即数据采集与监视控制系统，涉及到组态软件、数据传输链路（如：数传电台、GPRS等）工业隔离安全网关，其中安全隔离网关是保证工业信息网络的安全的，工业上大多数都要用到这种安全防护性的网关，防止病毒，以保证工业数据、信息的安全。其中的一种隔离网关是：工业安全防护网关pSafetyLink，简称隔离网关.它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。3.2齿轮、轴承润滑机理齿轮和轴承在转动过程中它们实际都是非直接接触，这中间是靠润滑油建成油膜，使其形成非接触式的滚动和滑动，这时油起到了润滑的作用。虽然它们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等

18、原因使其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，这都会产生一定的热量。如果这些热量在它们转动的过程中没有消除，势必会越集越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承。因此齿轮和轴承在转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑油一方面起润滑作用，另一方面起冷却作用。对于风电齿轮箱，对于所有的齿轮和轴承我们都要采用强制润滑。原因有：1、强制润滑可以进行监控，而飞溅润滑是监控不了的。从安全性考虑采用强制润滑。2、现在风电齿轮箱功率越来越大，其功率损耗也越来越大，因此飞溅润滑已经满足不了冷却的作用。这是需要进行强制润滑。3.3风电机组齿轮箱结构及SCADA监测参数本文研究的风电机组的额定功率为1.5 MW。切入风速为3

19、 m/s，额定风速为12 m/s。叶轮的额定转速为20 r/min，双馈发电机的额定转速为1 800 r/min，齿轮箱的变速比为1:90。为使齿轮箱具有高变速比同时体积较小，大型风电机组齿轮箱通常采用三级结构：第一级为行星齿轮，第二三级为常规齿轮传动级，如图1所示。第一级行星齿轮的太阳轮位于中心，与四周的3个行星轮啮合。3个行星轮用行星架支撑并与轮毂的大轴相连。由于3个行星轮同时和太阳轮接触，行星齿轮能够承受更大的力矩，同时结构尺寸紧凑。行星齿轮的输出和第二级即中间级齿轮啮合。第三级齿轮的输出端与发电机轴相连。齿轮箱采用润滑油进行润滑和降温。润滑油循图1 风电机组齿轮箱结构Fig. 1 St

20、ructure of gearbox for wind turbine环使用，油路中的设备包括冷却器和风扇、过滤器、油箱和泵。为保证润滑油系统在冬季室外极低气温(20 )下运行，油系统中还配备1.5 kW左右的加热系统。各级齿轮采用滚珠轴承固定支撑，轴承采用油脂润滑。该机组的SCADA系统每10 min记录一次机组的参数。记录的内容包括时间标签、有功功率、无功功率、定子三相电压电流、风速、环境和机舱温度、齿轮箱和轴承温度、发电机转速、传动链振动加速度等共计47个参数。同时SCADA系统还保存机组的运行状态信息，如机组启动、停机、发电机超温、变桨系统故障等。每条运行信息包括记录时间、唯一的状态编

21、号、状态说明等。例如：在2006/ 04/02，2:28，发生了状态号为77的齿轮箱油超温报警，机组停机。在该机组的运行手册中齿轮箱油超温报警的处理措施为：如油温高于80 且持续60 s则停机，油温降至65 后重新启动。 4 风力发电机组齿轮箱的维护 1 腐蚀状况和泄漏情况检查 检查所有部件的腐蚀状况。如果发现外表面有腐蚀，必须立刻按照覆盖说明书对该部件进行处理。 2.维护安全防护 齿轮箱在维护齿轮箱之前，必须使风机安全停机，并确保不会因为误操作而启动（确保刹车可靠和风轮锁紧）。 3. 齿轮箱外部检查内容 检查齿轮箱是否有异常噪音运行时是否有异常的噪音。检查油位看油标是否低于油位线。检查齿轮箱

22、是否有泄漏检查所有的凹槽、迷宫环和泄漏油液的流迹。 4. 检查油液状况 在 500 小时后必须进行油液的抽样检查，不管运行状况如何抽样的时间不能迟于一年。抽样检查油液对于评定各种油液的特性（粘性、老化水融性等）是非常重要的。油液检查后的结果应该告诉你的油液供应商。如果使用矿物油必须每 2 年更换一次，如果使用人工合成油必须每 3 年更换一次；油液若从外观上就发现变性，应该立即更换。油液更换时，必须使用和先前同一牌号的油液。不允许使用混合油或不同生产厂家的油液。在更换油液时，为了清除箱底的杂质、铁屑和残留油液，齿轮箱必须用新油液进行冲洗。高粘度的油液必须进行预热。 5. 检查齿轮 检查有可能损伤

23、的齿轮啮合面。6. 清洁空气滤清帽 必须每年清洁空气滤清帽，先拧下空气滤清帽，然后用清洗剂进行清洗。 7. 检查齿轮箱的弹性支撑 必须检查弹性支撑的磨损状况：检查是否有裂缝以及老化情况。如果发现有明显的老化痕迹，必须予以更换。 8. 润滑冷却循环系统检查 （1）检查系统是否有泄漏 检查所有的接头和油管是否有泄漏，排除所有的泄漏并找到泄漏原因。 （2）检查软管是否老化 8 检查在润滑冷却循环系统中的软管是否老化，是否有裂纹。如果发现软管的表面有老化痕迹和过多的裂纹，必须进行更换。 （3）传感器检查 检查各传感器开关是否工作正常。 四 、发电的发展存在问题和主要趋势风力 一）我国风电齿轮箱设计生产存在问题 尽管我国风电齿轮箱国产化工作近年来取得了长足的进步，基本掌握了兆瓦级以下机组的设计制造技术，并形成了 750kW 至 1.5MKW 风电增速箱的批量生产能力，但严重缺乏既掌握低速重载齿轮箱设计制造技术，缺乏高水平的系统设计人员。虽然可以生产设计制