提高风力发电机组齿轮箱的可靠性.docx

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提高风力发电机组齿轮箱的可靠性

提高风力发电机组齿轮箱的可靠性

沃尔特·穆夏尔1.，桑迪巴·特菲尔德1.，布赖恩·麦克尼夫2

（1.全国可再生能源实验室，2.麦克尼夫轻工）

摘要：

本文介绍了一种国家可再生能源实验室（NREL）在美国科罗拉多州高尔顿已开始实施的用来改善风力发电机齿轮箱的可靠性的新的研究和开发计划。

该方法涉及了可再生能源实验室全体工作人员、专家顾问和风能行业对改善齿轮箱可靠性有兴趣的合作伙伴的合作。

这项合作的成员对仍在增长的项目的会变得更加明确，但目标是包括经营者代表、业主、风力发电机制造商、齿轮箱制造商轴承制造商、顾问和润滑产业等。

该项目的设想是一个多年的综合测试和分析工作。

这将包括辅助性实验室对600至750千瓦大量的发电机和齿轮箱配置的可靠性问题现场测试。

该项目将针对大部分设计在设计过程中造成的大量短暂的使用寿命的不足之处进行设计。

新的设计分析工具将开发详细的测试配置模式。

这将包括使用多体动力学分析模型风力发电机负荷，以及内部负载和齿轮箱变形。

可以减少知识产权冲突，通过维持一个不复制任何特定制造商的风力发电机模型的精确测试配置，但是代表着一种常见的配置。

关键词：

齿轮箱；可靠性；动态分析；轴承

背景

风能行业从一开始就经历了齿轮箱的高故障率[1]。

早期的风力发电机组设计基本上都充满了齿轮箱设计时估计操作负荷的复合误差。

这个行业已经经历了20年的风风雨雨，发电机制造商、齿轮设计者、轴承制造商、顾问和润滑工程师都在这些问题上共同努力，以改进负荷预测、设计、制造和操作。

这一合作产生了国际上公认的风电齿轮箱的设计标准[2]。

尽管合理接受这些公认的设计实践，风电齿轮箱设计尚未达到设计寿命20年的目标，大多数系统需要大量维修或大修之前的预期寿命已达到[3,4,5]。

由于齿轮箱是风电系统中最昂贵的部件之一，较高的预期故障率增加了风能的成本。

此外，齿轮箱寿命的未来不确定性导致风电的价格上涨。

发电机制造商在销售价格加入应急担保，以支付齿轮箱可能过早发生故障的风险。

另外，业主和经营者的问题是从项目建设融资到收入预期应急资金可能会出现在保修期满后。

为了帮助实现风能的成本回落，增加齿轮箱长期的可靠性显著需要证明。

在回答设计缺陷，修改和重新设计现有的发电机是当前生产单元不断的过程，但很难验证及时修订后的成效，以确保那些多个单位不满意的“解决方案”未部署。

目前，设备制造商推出一个被认为具有更高性能的新模型修改，重新取代有缺陷的组成部分。

为了测试这些新的设计，开始重新设计的齿轮箱的安装和实地测试过程。

这种做法可能会达到所需可靠性的最终目标，但它可能需要许多年才能开发一个解决方案需要的信心，并减少不确定性到一定程度，将减少涡轮成本。

届时，风力发电机组的产业可能转移到较大的发电机或不同的动力系统的安排中，这些解决方案可能无效。

此外，原有的问题的基本故障机制可能永远无法理解，更容易将设计未知数无意中传播到下一代的机器。

本文总结了长期的可再生能源实验室/美国能源部项目，探讨了各种方案，加快直接在设计过程中解决齿轮箱的可靠性改进的问题。

执行这一计划，我们的意图是改善齿轮箱的动态测试精度和评估传动系统的选择、故障和模拟现场条件下的解决方案。

该项目将评估可能的负载事件中设计载荷谱的组成[6]，以及关键的设计工况[7]如何转化为意外轴承和齿轮的反应，例如未对准，轴承滑动和轴向运动。

可再生能源实验室已做出承诺，以解决作为其研究议程的主要部分的齿轮箱可靠性，并计划聘请一批包括研究人员、顾问公司等广泛的利益相关者，轴承制造商，齿轮箱制造商，风力发电机制造商，和风力发电机业主/运营商，形成齿轮箱可靠性的合作会（齿轮箱可靠性协会）。

合作会的共同目标是提高风电齿轮箱的整体可靠性问题。

这一方法将涉及三大领域，其中包括实地测试，测功机测试和传动系统分析的技术努力。

这些因素构成一个全面的战略，将解决问题的真正本质，希望引发合作精神可以带来更好的齿轮箱。

观察的基本问题

虽然对这些故障性质的肯定结论言之过早，但是一些合理的意见已有助于缩小这个过程和这个项目的范围。

1.现有风电齿轮箱的多数问题是一般性的，这意味着这些问题不是特定于一个单一的设备制造商或涡轮机模型。

多年来，大多数风力发电机齿轮箱的设计融合了一项类似的架构，只有少数例外。

因此，有机会合作的许多风力发电机组齿轮箱的供应链利益攸关者找到失败的根本原因，并探讨解决方案，可推进行业集体理解。

2.齿轮箱故障的优势表明，穷人遵守公认的齿轮行业惯例，或以其他方式的差劣，不是失败的主要来源。

当然，有些失败的直接原因是质量问题，虽然不排除考虑在这方面的进一步改善，但我们假定制造商有能力识别和纠正自己的质量控制问题，如果他们选择这样做的话。

因此，这一项目的目标将是确定和纠正在设计过程中可能削弱了整体的寿命的更大缺陷的问题。

3.大多数齿轮箱故障不会出现在齿轮故障或齿轮设计缺陷上。

观察到的故障似乎开始在几个某些应用的具体影响的地点，即可能后来又前进的齿轮轴承间隙碎片和过剩造成的表面磨损和失调。

据现场故障的评估表明，多达10％的齿轮箱故障异常可能是相关的设备制造和质量问题，但这并不是问题的主要来源。

4.大多数风力发电机组齿轮箱出现的故障开始在轴承。

这些失败发生在大多数齿轮箱的设计和开发使用中，尽管可以用最佳轴承设计的做法。

因此，这个项目最初的重点是找出风电齿轮箱轴承的应用和设计过程中的缺陷。

5.此外，我们认为这表明在早期500千瓦至1000千瓦规模的5到10年前，正在兴建中的较大的1至2兆瓦具有相同架构齿轮箱仍存在许多问题。

因此，很可能取得的教训，解决了小规模的问题，可直接应用在未来更大规模的风力发电机中，但是成本更低。

使用这些意见，以帮助约束问题，我们之所以公认的设计成功应用于整个其他工业轴承应用的不足之处时，必须适用于风力发电机组齿轮箱的做法。

这一定性，主要是根据现场失效数据，以及齿轮和已研究多年轴承问题专家的经验。

不幸的是，现有评估典型的变速箱设计寿命分析的方法，不能清楚准确的阐明这一问题，必须进行多项工作的实证。

一个主要因素促使问题复杂化,是那么多的专有的轴承制造商进行的轴承设计寿命评估过程。

最初齿轮箱设计与轴承工作制造商选择特定的位置关系，并确定规格等级。

然后轴承制造商进行一次疲劳寿命评价分析，以确定是否有正确的轴承为特定的应用和位置所选定。

一般来说，一个高可信度必须接受这一分析结果，因为它是做不大的透明度。

即使轴承制造商声称遵守国际轴承评级标准（ISO281:

2007[8]），但是每个厂商都使用它的内部开发的设计代码，这些没有透露的细节有可能引起和实际轴承寿命计算的显着差异。

需要公开一个新的代码，这将使该行业在轴承设计尽可能常用的方法[9]。

此外，由于轴承制造商没有广泛或详尽的齿轮箱系统负载和响应知识，可能会导致超出预料的轴承位置无法安装得问题，他们自己没有能力做出根本原因的有效分析。

利益相关者显然需要就每一部分进行更广泛的合作，拥有共同的答案。

齿轮箱可靠性协作

上文所述的齿轮箱的问题，很多可能是体制性障碍直接造成的在设计、操作和维修发电机沟通和反馈的阻碍。

很难在隔离的供应链单一实体，找到适当的解决办法。

因此，需要协作汇集设计过程中的各个部分，并共享需要处理问题的信息。

这将成为本项目的更具挑战性的一部分，在信息共享介入知识产权保护风险，这是维护大多数公司最高昂的代价。

这个项目的目标是建立一个合作框架，同时保护各方的知识产权。

这些问题将通过法律与可再生能源实验室协定，将进一步缓解，因为该项目并不侧重于任何制造商的具体设计。

该合作是由可再生能源实验室工作人员和可再生能源实验室聘请，以保证商业敏感资料和数据保密专家顾问的经营。

此外，这一合作的目的是供应链主要的从事代表（包括轮机所有者、经营者、齿轮箱制造商、轴承制造商、润滑公司和风力发电机制造商），每一方拥有的信息和经验来指导项目，供应的组成部分，并解释测试结果。

整个测试安装和执行的投入和在访问数据通过建立合作协议都将使该合作伙伴受益。

结果将于齿轮箱可靠性协会公布作为其商定的成员。

一般风力发电机传动系统结构

所选择的配置是由单一主体的后轮非迎风齿轮箱轴承，齿轮箱内定位的支持轴承。

耳轴支架用来连接通常是通过用来抑制噪音和振动弹性衬套到任何一齿轮箱主机或台板。

扭矩反应得到解决，通过耳轴的支持通常是集齿轮住房的一个组成部分。

这种配置的外部几何形状如图1所示

图1-典型的风力发电机组齿轮箱安装[10]

低速齿轮箱的阶段，是一个可正齿或螺旋齿轮轮行星配置。

太阳齿轮驱动的并行中间轴，反过来驱动高速阶段。

无论是中级和高速阶段都使用螺旋齿轮。

广义的一个典型的风力发电机齿轮箱的示意图图2所示。

图2-广义齿轮箱示意图[11]

尽管使用当前设计的最佳做法，危险轴承位置仍定义在故障率呈现高的地方。

在通用配置中，有我们已经确定位置的三个危险轴承：

1、行星轴承

2、中间轴轴承定位

3、高速定位轴承

每个位置都有一种附有一份关于机器的尺寸，机械制造，或模型相对较低依赖程度的相对较高的故障。

三点计划

如前所述，一些风力发电机，齿轮箱和轴承的设计过程中无法达到齿轮箱预期寿命。

这些缺陷可能是许多因素造成的，其中包括：

·可能有一个或多个危险载荷设计不占设计荷载谱；

·或该负荷（初选扭矩载荷和非转矩负载）转移是发生在一个非线性或预见性的方式；

·齿轮箱内的（尤其是轴承）组件没有统一规定，以提供相同的可靠性水平。

由于这个问题的复杂性，扩展了我们现有的基础知识和能力的全面方法是必需的。

根据这项计划，可再生能源实验室计划三管齐下入手分析功率测试和实地测试，如图3所示。

图3-全面战略调查风力发电机组齿轮箱的可靠性

实验室测试的一名代表将在可再生能源实验室协调2.5兆瓦测功机仪器传动系统与相同仪器在附近的风力发电场现场进行实地测试传动系统平行。

此后，所选的传动系统将升级之前的测试现状，以消除已知的设计缺陷和质量问题。

这些升级可能包括不同的轴承类型、冷却和过滤系统的升级，润滑变化，齿修改。

因此测试样本不会对任何制造商的设计作精确的表述。

在实验室和现场测量，将动态分析验证，使用正确的结构，选定的传动系统模型。

测试将基于一个由专家委员会选定的600至750千瓦的风电齿轮箱，通过可再生能源实验室根据齿轮箱可靠性协会聘请顾问。

动力传动系统的具体细节进行测试和分析对齿轮箱可靠性协会的成员是保密的。

项目的成功与否将在很大程度上取决于正确测量危险轴承的各种负荷特点的正确决策。

仪器将制定和安装捕捉重要的负载，挠度，热效应，动态响应和事件数据，以及对润滑油的条件变化。

测量临界载荷将包括轴弯曲和输入轴扭矩，还有如何均分地测量从一个行星轮到另一个的负载动态变化影响。

同样，将测量以确定负载轴承之间如何沿轴向共享一个单一的行星轴。

将位移传感器安装在内部，进行连续测量，如果可能的话，无论齿间隙或齿轮都可能会产生影响。

这些位置可能包括轴承内圈和外圈路线的间隙，轴轴向运动，滑动轴承（内部或外部的动作或轴承组件），辊打滑或打滑，加上辊滑，相对运动的载体箱体，太阳小齿轮相对位移载体，太阳齿轮轴向运动，箱体刚度和箱体位移测量。

我们预计，一些地方将很难获得标准工具。

温度测量将在所有重要影响的地点，包括内圈，外圈和地球轴承。

润滑监测将包括大量水池温度，洁净度（如微粒，有色，添加剂，水），和过滤碎片。

实验室将经常分析所有进行测试的样本。

测试数据进行分析和寻找相关轴承行为是不可预料的、非线性的、还受到了广泛输入条件的怀疑。

如果这种行为可以被正确记录和理解，它可能没有必要复制每一个轴承失效分析，如果以后类型分析能够证明某些异常行为可以导致轴承的寿命损失。

测功机测试

国家可再生能源实验室设有一个2.5兆瓦的功率机测试设备，是由美国能源部资助的在高尔顿的全国风力技术中心，穗欧是致力于测试风力发电机驱动列车[12]。

自1999年以来，这一设施已连续运行提供测试服务，以原型和生产风力发电机驱动服务列车高达2兆瓦的规模。

可再生能源实验室计划利用这一设施和工作人员的支持，进行了750千瓦的全面测试，传动系统的选择。

该原理图设施如图4所示。

使用全面传动系统测试设备的一个好处是，时间评估新的配置可以通过一个或以上的数量级订单减少（比实地测试），因为负载条件下可重复和加速需要。

仪表易于安装和维护，其结果可往往是从安全高度亲眼看到的。

一个限制是规定的负载试验设备，由于重力负荷，目前能够采用的唯一低速轴扭矩一个非常简单的单点横向负荷（100基普）可能代表轴弯曲载荷，而不是在一个动态的情况。

计划进行以提升设施，使更多复杂的动态负载组合，包括低速轴在两个方向，剪切载荷弯曲，以及扭转轴向推力的组成部分。

这种额外的承载能力将能够更好地模拟在实际现场条件下的实时操作。

另一个潜在的问题是，在齿轮箱外部和内部轴负荷传递函数的反应可能不会和测功机上一样，因为它根据实际是涡轮由于安装刚度或部分惯性的分歧。

初步测试将检查这些影响和特性之间建立现场试验和实验室结果的有效相关性。

至关重要的是如何显示反常事件，如可能导致早产失败的非直线轴承反应。

图4-可再生能源实验室2.5兆瓦的功率机测试设备示意图

图5-美国北科罗拉多州Ponnequin电场测试网站[13]

现场测试

实地测试，这次测试将在图5中，拥有和经营的Xcel能源显示Ponnequin风电场。

实地测试将进行一个与传动系齿轮箱的配置完全相同的风力发电机测试的可再生能源实验室测功机。

在实地测试的主要目的是衡量装载根据现场的操作发电机的特点，并记录所有的设计工况和他们的相应的反应，而且正处于临界的轴承确定的上述地点生成的响应。

这些测量领域的负荷将需要关联的功率机测试测量反应设施产生在相同的负载。

由于分别安装测功机之间在传动系统刚度，系统惯性，以及其他配置修改，测功机的反应可能需要调整，以符合现场条件。

传动系统分析

传动系统分析工具将制定模式的内部齿轮和轴承负荷的反应，以及内部运动位移和现场条件下的模拟。

类似的分析已经完成调查的多体动力学的齿轮和轴，但不被视为轴承行为[14]。

该分析将使用多体动力学分析与计算的对齿轮箱内的子级使用全球转子快速加载的风力发电机代码[15]。

准确的几何和刚度特性的齿轮箱要素（包括箱体齿轮、轴、轴承和齿轮）将使用SIMPACK的代表™软件[16]。

初步模型如图6所示。

商用齿轮设计，分析和评价软件（GEARCALC[17]，RIKOR[18]，LVR[19]）将用于评估齿负载，负载能力和建立局限在“建造”齿轮箱。

那个模型将进行调整，利用动态分析的资料，现场测试结果，并通过功率机测试反复的过程。

类似的方法将利用其与轴承设计合作伙伴的工作（使用其内部代码）和正在开发的验证公共领域的影响评价软件现在的齿轮等级代码。

图6-使用SIMPACK™软件的齿轮箱初步模型

通过建立这种建模功能，未来的设计者将受益于有一个验证的设计过程，将有能力开发和确定变速箱设计中的关键受力情况。

预测的齿轮箱负荷反应，指定的负载可以在现场测量条件下的反应也将建模。

经过验证的模型将在推到极端或稀有事件负荷情况下，可能并不容易捕捉外地或适用于功率机测试的现场。

传动系统解决方案可在模拟在实施模型在实验室或现场验证，这将减少设计循环周期的时间和让他们进行评估更多的解决方案，同时拿出建设解决方案的信心。

我们预计最终合并后的测试和分析，努力可以帮助改进设计过程，并有助于显著地更好地实践和提高系统可靠性。

结论

风电行业已经成型的齿轮箱设计做法不能达到足够的寿命，是体制上的障碍妨碍前进。

一种新方法是需要克服这些障碍，以加快齿轮箱设计的更强有力的发展。

在可再生能源实验室开展的齿轮箱可靠性协会提供了更好的齿轮箱的新办法，是资源相结合供应链的关键成员，调查设计水平以及问题的解决办法将带来齿轮箱更高的可靠性。

致谢

作者在此要感谢一些帮助贡献这一思想的个人，包括唐·麦克维蒂，鲍勃Errichello，埃德·Hahlbeck，特德·DeRocher，吉姆·约翰逊，弗朗西科·奥亚格，贾森·Cotrell，哈尔·林克，乔纳·森白，托马斯·约翰森，罗杰·希尔，马蒂·布洛克和肯·柏林。

此外，美国能源部确认其继续支持这个项目。

参考文献

[1].McNiff,B.,W.D.Musial,andR.Errichello,VariationsinGearFatigueLifeforDifferentWindTurbineBrakingStrategies,SolarEnergyResearchInstitute,Golden,ColoradoUSA,1990.

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设计标准及齿轮箱规格，ISO/IEC81400-4:

2005，国际标准化组织，瑞士日内瓦，2005年2月。

[3].风力月刊，“正视挑战的齿轮箱：

齿轮箱故障的调查和收集行业知识，第21卷11期，2005年11月。

[4].Rasmussen,F.,Thomsen,K.,andLarsen,T.J.,“TheGearboxProblemRevisited”,RisøFactSheetAED-RB-17（EN）,RisøNationalLaboratory,Roskilde,DK,2004.

[5]P.J.Tavner,J.Xiang,F.SpinatoReliabilityanalysisforwindturbines,”,WindEnergyJournal,Volume10,Issue1,JohnWileyandSons,July12,2006.

[6].McNiff,B,Musial,W.D.,“DevelopingAWindTurbineGearboxLoadDescription,”PresentedatGlobalWindpowerConferenceandExhibition,papernumber19106,Chicago,Ill,March2004.

[7].InternationalElectrotechnicalCommission.“WindTurbineGeneratorSystems-Part1:

SafetyRequirements.IEC61400-1,Ed.3”.IEC,Geneva,2004.

[8].InternationalOrganizationforStandardization:

ISO281:

2007“Rollingbearings-Dynamicloadratingsandratinglife,”ISOGenevaCH,2007.

[9].KISSsoft公司-发展计划：

http:

//www.kisssoft.ch/english/upcoming_developments.htm。

[10].PeetersJ,VandepitteD,SasP.,“Dynamicanalysisofanintegrateddrivetraininawindturbine,”ProceedingsoftheEuropeanWindEnergyConference,EWEC2003,Madrid,2003.

[11].Poore,Retal.,“WindPACTDriveTrainDesignsStudy”,NRELReportSR-500-33196,NationalRenewableEnergyLaboratory,Golden,Colorado,2003.

[12].Musial,W.D.,McNiff,B.“WindTurbineTestingInTheNRELDynamometerTestStand”ProceedingsofWindpower2000,PalmSprings,May2000.

[13].网址：

[14].Peeters,J.,Vandepitte,D.,andSas,P.,“AnalysisofInternalDrivetrainDynamicsinaWindTurbine,”WindEnergyDOI:

10.1002/we.173,JohnWileyandSons,July2005.

[15].威尔逊·R·沃克，美国及港灯，体育，技术和用户的FAST_AD高级动态代码手册。

俄勒冈州立大学/国家再生能源实验室报告99-01。

俄勒冈州科瓦利斯俄勒冈州立大学，1999年5月。

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[17].齿轮技术软件公司GEARCALCAGMA218用户手册，版权1985。

[18].RIKOR：

www.forschungsvereinigung.de/software/Grafik/Rikor.pdf，齿轮研究所元素研究中心（FZG系列）。

[19].LVR-TUDresdenor