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CWPE2018:重庆齿轮箱有限责任公司技术中心副主任/风电事业部副总经理吕和生——《大功率海上风力发电机组齿轮箱高可靠性、高可维性的技术提升探索》

2018-11-14 来源:东方风力发电网 浏览数:2387

2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。重庆齿轮箱有限责任公司技术中心副主任/风电事业部副总经理吕和生在嘉宾演讲环节发表了题为《大功率海上风力发电机组齿轮箱高可靠性、高可维性的技术提升探索》的演讲。

   2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。


 
  重庆齿轮箱有限责任公司技术中心副主任/风电事业部副总经理吕和生在嘉宾演讲环节发表了题为《大功率海上风力发电机组齿轮箱高可靠性、高可维性的技术提升探索》的演讲:
 
  针对这次海上的主题,我们提出了对大功率的海上机组齿轮箱比较关注的高可靠性、高可维性这个技术方面跟各位专家和各位领导做一些分享。主要有以下四个方面:
 
  对于海上风电来讲应该说现在每一年中国的海上风电装机量逐渐都会超过一个GW,这对我们海上风电来说是一个好的发展机会。与此同时我们回顾海上风电的历程,从2012年开始在海上风电开始装机到现在为止时间也比较短,相对于欧洲来讲从2GW或者从1-5GW海上风电机组来相比是一个非常短暂的时间,在这么短暂的时间内确保齿轮箱大家关注的高可靠和高可维性的技术就摆在了我们面前。
 
  比如说特别是我们的维护成本。我记得在2016年做江苏如东项目的时候项目经理就曾经非常直接的跟我讲,如果你是安装厂在你的机位旁边,可能调一下需要两三百万,如果要新租一个安装厂过来可能八百万起价,有可能上千万的费用。所以高可维性必须保证高可靠。
 
  与此同时海上风电可能陆陆续续也会受到陆上风电的影响,这是一个大家不可逆的趋势,怎么来适应海上风电电价的下降,与此同时大家对海上风电也有更高的一个期望,我们设计标准已经从陆上的20年提高到25年,对于齿轮箱来讲要有更高的设计期望,可能设计值要有更高的理想,可能接近30年这样的趋势来发展。中国海上风电的发展因为有快步高起点的过程,从最开始的3.6到现在的4,然后4.5到现在开始批量装机的5兆瓦,这块快速发展也使得齿轮箱具有高可靠和高可维性的要求。
 
  下面我就具体来进行展开:
 
  1、齿轮箱的发展趋势,有三种,在5兆瓦及以下产品由常规的一级行星+两级平行、两级行星+一级平行,一种集成式结构,中速半直驱的方案,都在快速进入了样机装机到小批量的装机。
 
  2、可靠性方面,现在来讲在风电齿轮箱的设计场景当中我们可能会现在已经充分利用到了TS16949在可靠性分析,但是怎么系统性建立可靠性?跟整个机组来做匹配,所以说还要在设计和分析基础上进一步丰富我的内容,可靠性后面要进行故障数据的闭环,进一步提升来优化可靠性的模型。使得大家比较关注海上环境适应性的问题、可用性问题、可维护性的问题得到进一步的解决。
 
  现在整个设计当中我们会在计算的基础之上基于各种纪要标准或者ISO的标准完成整个基础设计,在设计完基础之后会有二维和三维的同步模型,在基础之上我们会看到基于分析,然后会基于考虑整机齿轮箱或者是包括主轴在内的齿轮箱的整机传动链的主要部件的一个模型,我们用Masta也好,用Romax也好,对整机的相关模态,相关的疲劳,充分的利用这些软件进行可靠性分析。通过这几年大力的发展,应该国内相关齿轮箱这个行业,大家都可以做到这样一个水准和要求。
 
  这就是在做的过程当中一些它的应力需求,一些疲劳的响应,一些动态响应的过程以及包括整个机组传电链系统当中响应,怎么避免和计算都会做这样一些处理。然后在齿轮箱基于内部来讲有主要的几个关键的部件,一是齿轮的部件,所以说我们更会考虑实际载荷下的齿形的优化,基于齿形的优化得到齿面应力状态,齿宽和齿高方向怎么解决齿面裂的问题,这几个方面的解决就是主要解决可靠性的问题。这是设计分析的。
 
  还有比较支撑件,就是轴承的问题,现在齿轮箱厂不仅是要求跟轴承厂要紧密配合,不仅要给出他的寿命评估之外,还要进一步关注在轴承,比如在轴的受扭矩和弯矩情况下,轴承的滚齿是不是能适应整个轴自身状态的问题,是不是有边缘效应的问题。
 
  另外在实际运行当中就是齿轮润滑的问题,润滑好齿轮箱才能用的更好,所以在整个过程当中我们还要进一步建立各个润滑点的基于系统的模型分析,不仅要建立数学模型,下一步还要建立基于流程的,这个系统相对来说是比较复杂的一种模型,是现在行业当中我们仍然测不准和算不准的一个问题,所以希望通过各种软件综合也好,或者用云计算的一个大的计算平台也好,来解决齿轮箱当中的一些润滑方面的事情。
 
  刚才讲到的是分析的一个问题,怎么来测试?首先齿轮箱在测试的时候有对每个齿轮的齿根,包括其他方面在设计当中都会基于相应的对设计做比对,进一步优化模型,同时优化齿轮的齿形。
 
  举个案例,在高可靠的情况下齿轮箱会从三分流变成四分流进一步到五分流,传动当中就要求进一步有多向均载的要求。另外我这个地方列的是5分流的8兆瓦的测试分流。从测试情况来看,在轮间均载在1点零几,所以随着我们国家对设备精度的保证,实际上我们的很多设计很多精度都可以得到比较好的保证,这也是为什么大家通过基础建设的发展可以把这些技术充分利用起来。


 
  另外一块是现在正在推崇的全寿命周期的加速疲劳试验测试,这块测试内容对工厂来讲耗费投资是比较大的,现在国内大概在5-7兆瓦这个机组,加速疲劳来讲我们至少都要1.5倍,要1.75倍,更大的可能要2倍的加速疲劳,如果按照7兆瓦的话,可能现有的试验台要做到16-20兆瓦,更大的可能要到26兆瓦这样一个高投入的验证的东西在里面,这也是在逐渐的包括我们其他厂家也在陆续的为了配套大功率的要求来逐渐的拓展整个的试验台的匹配能力。
 
  还有一个是结构优化上面也是一个逐渐变化的过程,这个地方列出的是轴承方面的介绍,轴承是做陆上风电的时候也是陆陆续续的还有些其他的轴承,现在逐渐的还要用更高的轴承,圆柱轴承、球轴承、还有表面工艺等等都在逐渐推广应用。从结构上来讲由单轴承变成双轴承,从上轴承变成无外圈轴承,从无外圈轴承到圆锥轴承,所以这一步发展也是整个风电为了高可靠的方面也是在不停地进步和发展,与此同时对设计和制造提出了更高的要求。
 
  这个是很多在推崇利用柔性箱的结构,与此同时我们也要充分考虑齿轮箱的可靠性和成本,怎么保证20年或者25年可靠的运行。
 
  今天这个主题还有一个名字是叫可维性技术,可维性技术有两级行星+平行,行星在天上是无法维修的,为了保证可维性技术,基于常规的或者基于平行级的分流和汇流的结构,这种结构可以可以形成技术,用这种技术可以大大减少风电,特别是海上风电这种发展,这也是一种欧洲或者是我们国内在逐渐探索的一种结构流派。
 
  另外一块是在未来适应整个机组逐渐的升级换代,所以我们也是推出了平台化,跟整个机组提升功率,怎么满足这样的需求,所以在齿轮箱设计的时候同样考虑基于平台化的发展。比如从5兆瓦可能会升级到6兆瓦,甚至升级到6.5,当初设计的时候要有余量的考虑,轴承的考虑,整个齿轮组件包括通件的考虑,这也是在设计当中希望主机厂和我们一起做好近两三年或者近四年的规划发展。
 
  另外一块大家关注的可能是在齿轮箱当中为了下一步的监控和数据的需要,为了运维的需要,在出厂的时候我们都会预留相应的温度、压力、振动,包括下一步的油液这一块监控点的设置和配置,这也在整个行业当中这就是主要的一些产品应用的一个问题。
 
  有了这些数据之后我们会通过有线也好,无线也好,跟主机厂希望一起实现数据的共享和运维的共同的斜响应,怎么利用共同的数据实现齿轮箱本地的远程运维和本地的远程预警,这对整个这个越来越大的保有量的装机的基础之上这是至关重要的。
 
  接下来介绍可能在可靠性技术方面国内已经取得了哪方面的突破,一是多分流,多分流刚才介绍的是平行的分流这种样机是很快就可以开展试验,国内来讲可能多分流的这种结构事实上国内已经在逐渐推广和应用,包括柔性也在推广和应用,这也是为了适应高空海上风电机组发展的需要。
 
  二是我们做了一些产品,在2012年的时候开展了样机,在2016年在样机的基础上做了优化,开始小批量的装机,这是在小批量装机的时候我们拿到实测风场的数据,这是基于5兆瓦的海装的171的机型摘取的一些数据,从数据来看它的可利用率还是比较高的,98.67%,这是列举了抗台风期间整个发电量的一个情况。齿轮箱相关的数据温度压力都可以实时的进行监控,采取了振动监测,从振动监测来看数据非常好,上面是限制线13.5,实际上整个运作不超过12.6%,实际上这跟我们设计的预估值和评估值是比较接近的,进一步表现了整个机组的设计和台架设计是比较一致的。
 
  三是基于机组的概念,为了拓展整个的视野也会在设计过程当中跟其他的欧美大的设计公司,在最初完成设计的时候他们都会来参与我们这个齿轮箱的研发过程的一些评价,不仅仅是在认证的时候来参与这些过程。所以通过这样的参与使我们具有了真正的一个国际视野,可以了解到欧洲当前产品的使用状况和技术水准。
 
  对于下一步来讲我们怎么来做这个产品,我们还有一些设想,这个地方就跟各位专家做一个汇报。
 
  一是原材料和热处理控制,原材料处理现在除了我们常规的碳酸之外我们会进一步提高碳酸相应的灵敏度。二是推出新的更加紧凑的人字齿的设计,使得更加紧凑,存在年限更高。三是突破常规的思想理念,下一步要尝试做一些试验认证新的齿形的应用,这种齿形具有更高的传动效果。这是我们在做试验的时候相关的一些数据,我们拿过来做国内的齿轮,现在了购买德国对标的齿轮,软齿面对构齿轮的传动效率可达98.87%。四是新工艺应用,在强化当中我们会进一步来用光子,光子效率不高,对整个振动、疲劳,接触应力都有比较大的改善,这一块大家都在逐渐推广和应用,这也是大家比较关注的点。五是滑动轴承的应用,主轴推广在逐渐适用滑动轴承,所以这个要解决滑动轴承当中的不仅是高碧雅多问题,还要解决静态的频繁启动,这种异常工况下对滑动轴承磨损的问题,所以这些都要进一步进行研究和解决的。六是智能轴承,国内厂家和国内研究所也在逐渐认识到智能轴承的概念,它在轴承技术上自身有更好的一个温度检测,振动相关一致性检测,不是说现在一个常规传感器的检测,使得整个轴承在试运行当中状态可以更加清晰的呈现在大家面前。七是模拟载荷谱加载试验,国家正在大力建设多自由度加载的试验台,如果海上风电的风险这么大,希望我们在主机厂在内的各个厂家也会起来,包括我们希望齿轮箱也会在试验台上充分的进行一个模拟叶片,以及整个波动的风场加载的情况下,使得整个齿轮箱在设计当中可以得到更好的设计评估和验证。
 
  (发言整理自现场速记,未经本人审核)

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