馬明康，劉鵬濤，宋津科，劉 豪

（大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連 116028）

0 引言

風電機組一般都安裝于草原、沙漠、戈壁、山林或沿海區(qū)域，經(jīng)常暴露于極端氣候條件下，經(jīng)歷異常的溫度、濕度和載荷考驗，存在著各種各樣的污染風險。風電齒輪箱在作業(yè)時機組內潤滑油極易受到水、空氣、固體雜質等污染物的影響。在這種工作條件下風機壽命將大大縮短，甚至造成風機停機。美國NREL 的TP-5000-52748 報告中提出，造成風機停機主要原因是風機傳動鏈三大部件（齒輪箱、發(fā)電機、主軸/主軸承）故障。三大部件中，風電機組停機的主要原因是齒輪箱故障。近年來，國內外學者對齒輪箱故障的原因進行了一系列的研究，認為齒輪箱的潤滑油清潔度與齒輪箱能否正常運轉有著很大的關系。據(jù)統(tǒng)計，目前4 個不同原始設備制造商所生產(chǎn)的34 種齒輪箱中，有72%的故障是源于油品清潔度不足。為了提高工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性并延長齒輪箱的壽命，研制一套過濾凈化裝置勢在必行。

在一般的油路系統(tǒng)中，10 μm 以下顆粒物占到90%左右。如果凈化裝置可以過濾1 μm 甚至更小尺寸顆粒，那么齒輪箱壽命將提高2～3 倍。為提高油路系統(tǒng)潤滑油質量，許多學者、專家對于油液凈化進行了研究。楊立炎等人[1]利用潤滑系統(tǒng)運行時潤滑油產(chǎn)生的速度差、壓力差、溫度，以及水和油在流動時各個層面所產(chǎn)生的不同的摩擦力，很好地實現(xiàn)了對水和空氣的分離與脫除，但對于10 μm 以下的固體雜質無法很好去除。高敏等人[2]在常規(guī)防噴器控制系統(tǒng)基礎上，設計新型在線式回油管路過濾裝置和獨立式外循環(huán)管路過濾裝置，凈油效率顯著提高，獨立式外循環(huán)過濾裝置實現(xiàn)了實時凈油，極大提高了系統(tǒng)工作效率，但濾油精度僅為20 μm，無法達到風電增速箱正常工作的凈油要求。孫潔等人[3]采用離心式凈油機實現(xiàn)礦井提升設備潤滑與液壓系統(tǒng)油液凈化，對凈化前后油液的顆粒度、雜質含量、油品潔凈度進行檢測對比，凈化后潤滑油潔凈度可達到NAS7 級，且避免了傳統(tǒng)凈油方式凈油效率低、需要經(jīng)常更換濾芯的缺點；趙強、王英軍[4]將FED 離心式凈油機應用于軋機稀油凈化，凈化精度高達ISO 4406 13/10 級，可有效去除0.25 μm 的固體顆粒，這些研究表明了離心式凈油方法對于不同機組油路系統(tǒng)潤滑油凈化的可行性與高效性。

上述案例表明離心式凈油是一種合理、高效的凈油方式，與其他傳統(tǒng)凈油方式相比，其具有凈化精度高、凈化范圍廣、工作效率高等優(yōu)點。但將離心式凈油方法應用于風電齒輪箱潤滑油凈化的相關研究仍然較少，研究深度依然不足。因此，對離心式凈油設備結構進行優(yōu)化設計，使其能夠更好地應用于風電齒輪箱潤滑油凈化是目前亟需實現(xiàn)的目標。本文提出將離心式凈油方法應用于風電增速箱潤滑油凈化系統(tǒng)，同時引入一套旁路凈化裝置實現(xiàn)對風電增速箱潤滑油的凈化，即在增速箱上安裝一套離心式凈油設備，實時對潤滑油進行凈化，并從工作原理出發(fā)，通過計算和試驗驗證獲得凈油機最優(yōu)工作參數(shù)，設計合理的風葉與輪轂間夾角，以獲得高的凈化效率。

1 基于離心原理的凈油方式

1.1 凈油系統(tǒng)裝置方案設計

風電增速齒輪箱離心式旁路凈油系統(tǒng)裝置如圖1 所示，整個系統(tǒng)裝置分別由風電增速齒輪箱、離心式過濾凈油機、電機、輸油管等器件組成。由于是風電增速箱旁路過濾裝置，所以整個離心式過濾凈油機就安裝在風電增速箱旁邊，兩者僅有輸油管連接，這樣也方便油品的運輸和凈化。整個凈油過程：首先利用電機將齒輪箱的油液以一定壓力從進油口引入到中心軸輸油管中，隨后風輪在油壓的作用下受力開始圍繞中心轉軸進行旋轉，又由于風輪和整個濾芯設備是一體的，故濾芯也隨著風葉高速旋轉。油液在噴出輸油管后會經(jīng)過濾芯裝置最終在出油口排出干凈的油液。這樣就可以無限循環(huán)的處理油液，在電機和離心式凈油機的配合之下實現(xiàn)整個凈油設備的自動化，有效解決了現(xiàn)階段油品雜質過多的問題。

圖1 風電增速齒輪箱離心凈油系統(tǒng)裝置

1.2 離心式過濾工作原理

油液進入進油口，經(jīng)輸油管以一定速率被甩出到濾芯上，此時濾芯高速旋轉，并利用較大離心力對油液進行過濾。在強大的離心力場的作用下，油、各種非金屬固體污染物、金屬粒子以及水等各組分由于各自密度不同，在離心力場中所承受的離心力也各有差異。密度大的各種非金屬固體污染物、金屬粒子以及水等受離心力會飛落到離心桶內壁，并凝固在其上面，而過濾后的油液則是從下方經(jīng)出油口流出。以此原理對油液中的濾渣進行高度洗滌和深度脫水、脫渣，以便油液循環(huán)使用。

1.3 考慮轉速對離心分離原理的影響

在基本原理的分析過程中，考慮到角速度和半徑會對離心力有所影響，故離心力場的產(chǎn)生即可代表離心機的性能特點，但往往實際中更看重的是離心力場與重力加速度無因次比，即離心機的分離因數(shù)。

式中 ω——角速度，rad/s

r——轉筒半徑

g——重力加速度，9.8 m/s2

由式（1）可見，離心機的特點完全取決于ω 和r，如圖2 和圖3 所示。根據(jù)圖2 和圖3 的數(shù)據(jù)對比，可以看出兩者變化的程度是不一致的，因此設計時要兼顧筒徑與轉速兩者對離心機分離因數(shù)的影響。在一定的范圍內，不難看出筒半徑與轉速之間是息息相關的。根據(jù)離心機的分離因數(shù)，離心力場與角速度成正比，與重力加速度成反比（如公式1），油液所產(chǎn)生的離心力約為重力的2000 倍以上。經(jīng)過理論的計算和實際的實驗，最終確定離心轉速最大可達到8000 r/min，油液的流量可達65 L/min，此時設備凈油效率可達最高。

圖2 轉速對分離因數(shù)的影響

圖3 轉筒半徑對轉速的影響

1.4 風輪的設計

本方案其中的一個亮點則是利用風輪帶著濾芯實現(xiàn)高速旋轉，所以風葉夾角的選擇對其以后轉速的影響至關重要，具體如圖4 所示。通過調整風輪風葉與輪轂之間的夾角β，驗證不同參數(shù)下該風輪轉速的最大值，見表1。在確定風葉與輪轂相互之間的夾角之后，液壓則會使風輪快速旋轉，以達到離心的最終目的。

圖4 風輪示意圖

根據(jù)表1 可以清晰看出，當風葉與輪轂之間夾角β 為37.8°時，此時風輪的轉速達到了最大值，即8000 r/min。這也充分說明了在此夾角之下，風輪轉速所引起的離心力最大，油液凈化的效果最好。

表1 夾角β 與風輪轉速的關系

2 凈化效果

根據(jù)設計研發(fā)的凈油設備如圖5 所示，啟動設備后，機組正常運行，功效顯著，油溫維持在40 ℃以上時持續(xù)不間斷過濾，總運行時間為20 h。期間取樣3 次，分別在設備首次運行后；運行10 h 后；運行20 h 后；通過專業(yè)油品檢測機構對取得的油樣進行運動黏度、總酸值、水分及對應的NAS 等級檢測，結果見表2。

從表2 中可知，運行20 h 后的油液相比之前系統(tǒng)過濾效果明顯，油液NAS 等級從大于16 級達到了10 級，提高了約6 個等級，這充分證明了該油液凈化系統(tǒng)擁有明顯的凈化效果，能夠有效延長油品更換周期和齒輪箱的使用壽命。

具體凈化前油液樣品與凈化后對比如圖6 所示，可見，油品的凈化效果已經(jīng)十分明顯。

圖5 設備實物

表2 樣品抽樣檢測結果

3 結束語

針對風電增速箱潤滑油的過濾問題，研制了一套旁路離心式凈油裝置，采用風葉與輪轂之間夾角β 為37.8°的葉輪設計，計算出在風輪轉速為8000 r/min 時，風輪轉速所引起的離心力最大，油液凈化的效果最好。實踐應用證明，該離心式油凈化過濾裝置應用以及對渦輪葉片角度設計能夠極大地改善潤滑油凈化后的油品質量，有效降低齒輪箱機械損耗，提高了油液凈化的效率，達到了預期目標，為風電增速齒輪箱的長期工作提供可靠的安全保障。

圖6 凈化前后油液對比