CN108087534A - 温度适应型风电齿轮箱润滑系统 - Google Patents

Abstract

一种温度适应型风电齿轮箱润滑系统，粘度传感器采用音叉原理，用于检测齿轮箱加热腔内润滑油的粘度，并将粘度信号反馈给控制器；控制器采用PID开环控制，将粘度信号作为输入参数，通过PID数学模型运算后，输出参数用于控制润滑泵的转速和转矩；润滑泵由齿轮泵和变频电机组成；控制器通过设定粘度阈值，用阈值逻辑输出控制加热器的启停；加热器伸入到加热腔的内部，用于对加热腔内润滑油的加热；轴承储油腔、齿轮储油腔、箱体储油腔和加热腔位于齿轮箱的内部，加热腔位于轴承储油腔、齿轮储油腔和箱体储油腔的下部。本发明提供一种控制效果较好、使用寿命较长的温度适应型风电齿轮箱润滑系统。

Description

温度适应型风电齿轮箱润滑系统

技术领域

本发明涉及风力发电机领域，尤其是一种风电齿轮箱润滑系统。

背景技术

风力发电机组因安装区域和季节不同，工作环境温度差异很大。在北方冬季，风电机组工作环境温度低至-30℃，夏季可达40℃。风电齿轮箱是风电机组重要组成部件，以齿轮传动为主，其内部采用全合成VG320齿轮油进行润滑，该润滑油的粘度受温度影响变化很大，粘度指数一般都在150左右。以Mobil SHC XMP 320润滑油为例，-30℃时粘度已达到84477cSt，而40℃时粘度为335cSt。-30℃时粘度84477cSt已严重超出一般润滑泵可泵送液体粘度范围(＜10000cSt)。仅依靠润滑泵已无法直接泵送润滑油，满足齿轮箱轴承和齿轮的润滑要求。

然而，风电齿轮箱在刚刚启机时受环境温度影响，其润滑泵启动非常困难，但齿轮箱平稳运行后，因一部分机械能转化为热能，使齿轮箱内部的齿轮和轴承温度不断升高，齿轮和轴承是通过润滑油进行散热的。为确保齿轮和轴承的润滑和散热更加充分，齿轮和轴承所需要的润滑油流量也不断增加。此时，润滑油温度不断上升，粘度不断下降。齿轮箱润滑油通过外部冷却，油温可以有所下降。

目前，为解决齿轮箱低温启动困难，要么是给齿轮箱增加加热器，对润滑油进行预热；要么是在润滑泵不工作状态下，直接强制启动齿轮箱，通过能量转化，对润滑油预热。预热到泵送温度后启动润滑泵，对齿轮箱齿轮和轴承进行润滑。简单使用加热器对齿轮箱进行预热，由于齿轮箱热容比较大，箱体又为金属表面，散热比较快，齿轮箱温度上升得很慢。以采用3KW加热器的2MW齿轮箱为例，北方冬季预热时间多在5～20小时。强制启动齿轮箱，利用能量转化对齿轮箱预热，齿轮和轴承在无油状态下运行，容易出现干摩擦，产生磨损。另外，即使润滑泵能够打油，但在固定转速和转矩下运行，由于润滑油粘度差异，其寿命也将受到很大影响。

中国实用新型专利CN 203114514U，公开了一种风力发电机组低温启动控制装置，包括控制装置、风速仪、温度传感器、变桨系统和加热器，所述风速仪和所述温度传感器均连接所述控制装置，所述温度传感器和加热器均设置在所述风力发电机组的齿轮箱上，所述变桨系统连接所述控制装置。其存在的技术缺陷为：

第一、加热器装于齿轮箱的底部，加热器与齿轮箱的接触面积为0.5m²。所述的加热器工作时将对整个齿轮箱进行加热，一方面齿轮箱热容比较大，加热器的功率相对较小，另一方面齿轮箱表面积比较大，又都是金属表面，散热功率也比较大，这使齿轮箱在加热的同时也在大量散热。这样，除非齿轮箱加热器的功率设计得足够大，否则，加热器对于整个齿轮箱的温升作用将非常小。相反，若加热器的功率设计得很大，不但占用很大的齿轮箱内部空间，而且也增加了齿轮箱的成本和耗电量。

第二、风力发动机组在空载状态下，控制桨叶的桨距角在50°-70°之间，通过调整桨距角控制风轮转速在3-5RPM之间。首先，随着风电行业的发展，风电机组桨叶做得越来越大，通过变桨系统调节桨叶处于一定的角度，也越发显得缓慢。而风速是瞬时变化量，作用在风轮上的载荷也随时都在变化，因此，根据风速信号不断调节桨叶的桨距角，很难维持风轮所吸收风能的稳定性。其次，控制风轮在空载状态下，低速运转，风轮所需吸收风能很小，而风轮及整个传动链在低速状态下阻尼载荷变化也较大，这使风机在低速空载状态下维持稳定速度就越发显得困难了。

第三、齿轮箱以3-5RPM先空载运行。通过空载转动产生适当热量，用于提高齿轮箱油温以达到正常发电运行的要求。首先，齿轮箱低温启动时，润滑油温度较低，粘度较大，此时若使用电动泵，则电动润滑泵根本无法启动，齿轮箱内部的齿轮和轴承在无油状态下，即使在低速空载运行，也容易出现干摩擦而产生损伤，此时若使用机械泵进行强制打油，机械泵在高粘度状态下也很容易损坏。其次，即使润滑油达到泵送温度，电动泵可以启动，但由于粘度变化较大，润滑泵在固定转速和转矩下运行，对润滑泵寿命也将产生很大影响。

发明内容

为了克服已有风电齿轮箱润滑系统的控制效果较差、使用寿命较短的不足，本发明提供一种控制效果较好、使用寿命较长的温度适应型风电齿轮箱润滑系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种温度适应型风电齿轮箱润滑系统，包括粘度传感器、加热器、控制器、润滑泵、加热腔、轴承储油腔、齿轮储油腔和箱体储油腔；所述的粘度传感器、加热器和润滑泵装于齿轮箱的底部，所述的粘度传感器采用音叉原理，用于检测齿轮箱加热腔内润滑油的粘度，并将粘度信号反馈给控制器；所述的控制器采用PID开环控制，将粘度信号作为输入参数，通过PID数学模型运算后，输出参数用于控制润滑泵的转速和转矩；所述的润滑泵由齿轮泵和变频电机组成，所述的润滑泵适于不同润滑油粘度状态下，对转速和转矩的调节，进而调节整个润滑系统的流量；所述的控制器通过设定粘度阈值，用阈值逻辑输出控制加热器的启停；所述的加热器伸入到加热腔的内部，用于对加热腔内润滑油的加热；所述的轴承储油腔、齿轮储油腔、箱体储油腔和加热腔位于齿轮箱的内部，所述的加热腔位于轴承储油腔、齿轮储油腔和箱体储油腔的下部。

进一步，所述的轴承储油腔由各个轴承挡油板和轴承座组成，所述的轴承挡油板的上面加工有设定数量的回油孔，回油孔对于流出的润滑油具有阻尼作用。

再进一步，所述的齿轮储油腔由各级齿轮、齿轮挡油板以及箱体壁组成，所述的齿轮挡油板与箱体壁7-3整体成型，所述的齿轮挡油板用于阻挡参与齿轮润滑的润滑油的流失；所述的齿轮挡油板加工有设定数量的回油孔。

更进一步，所述箱体储油腔由箱体挡油板以及箱体组成，所述的箱体挡油板与箱体整体成型，所述的箱体挡油板用于阻挡箱体储油腔内润滑油的流失，所述的箱体挡油板上面也加工有设定数量的回油孔。

本发明的技术构思为：齿轮箱加装粘度传感器，直接检测润滑油的粘度，润滑泵是采用变频控制的齿轮泵，控制器根据粘度信号对加热器进行阈值控制，根据粘度信号对润滑泵电机的转速和输出转矩进行PID开环控制，从而调节润滑泵的泵送流量。齿轮箱内部轴承和齿轮设有特殊设计挡油板，根据润滑油粘度，能够自动调节齿轮储油腔、轴承储油腔以及箱体底部加热腔室的润滑油油量，从而确保齿轮箱内部齿轮和轴承的充分润滑和冷却，确保加热腔室内润滑油的集中加热。

本发明的有益效果主要表现在：

1、润滑泵的泵送能力主要取决于所输送液体的粘度，而不是液体的温度，所述的温度适应型风电齿轮箱润滑系统，以润滑油的粘度作为控制润滑泵转速和转矩的输入信号，对润滑泵的控制更直接，更准确。润滑油粘度更能反映润滑泵实际运行的限制条件。

2、控制器根据粘度信号，对润滑泵采用PID控制，润滑泵采用齿轮泵和变频电机，适于不同润滑油粘度状态下，对电动泵转速和转矩的调节，进而调节整个润滑系统的流量。温度低时，润滑油的粘度大，润滑泵的转速低，转矩大，润滑系统流量就小；温度高时，润滑油的粘度小，润滑泵的转速高，转矩小，润滑系统流量就大。系统润滑油的流量可以根据粘度进行调节，既符合整个系统的润滑要求，又有利于延长润滑泵的使用寿命。

3、润滑油先流经各储油腔进行储存，剩余部分再流入加热腔，由于各储油腔可以根据润滑油的粘度，对其内部的储油量自行调节，这相当于进入加热腔内润滑油的油量，也可以根据润滑油的粘度自行调节。在低温状态下，各储油腔储存的润滑油较多，那么，进入加热腔内润滑油的油量就较少，使加热器可以对加热腔内较少的润滑油进行集中加热。这样，加热器功率无需选择得很大，也可以使润滑油温度上升很快，使润滑泵较快进入启动状态。

4、轴承设有轴承储油腔，轴承储油腔的轴承挡油板上加工有一定数量的回油孔，回油孔对于流出的润滑油具有阻尼作用，能根据润滑油的粘度自动调节轴承储油腔内润滑油的储油量，配合控制器对润滑系统流量的调节，及时调整轴承的润滑方式。温度较低时，轴承储油腔经回油孔流出的润滑油较慢，轴承储油腔可以储存更多的润滑油，使轴承由强制润滑转为浸浴式润滑，解决轴承低温状态下润滑问题。温度较高时，润滑油粘度较低，轴承储油腔经回油孔流出的润滑油较快。配合控制器对润滑系统流量的调节，在保证轴承强制润滑的前提下，更有利于轴承的散热。

同样，齿轮也设有齿轮储油腔，齿轮挡油板用于阻挡参与齿轮润滑的润滑油的流失。齿轮挡油板上也加工有一定数量的回油孔，当温度较低时，润滑油粘度较高，齿轮储油腔流出的润滑油较慢，齿轮油腔可以储存更多的润滑油，配合控制器对润滑系统流量的调节，使齿轮主要由强制润滑转为浸浴式润滑，解决齿轮低温状态下润滑问题。当温度较高时，润滑油粘度较低，齿轮储油腔流出的润滑油较快。配合控制器对润滑系统流量的调节，在保证齿轮强制润滑的前提下，也更有利于齿轮的散热。

附图说明

图1为温度适应型风电齿轮箱润滑系统原理示意图。

图2为齿轮箱润滑系统外部结构示意图。

图3为轴承储油腔6结构示意图。

图4为齿轮储油腔7结构示意图，其中，10为过滤器。

图5为图6的向视图。

图6为箱体储油腔结构示意图。

图7为箱体储油腔轴侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种温度适应型风电齿轮箱润滑系统，包括粘度传感器1、加热器2、控制器3、润滑泵4、加热腔5、轴承储油腔6、齿轮储油腔7和箱体储油腔8；所述的粘度传感器1、加热器2和润滑泵4装于齿轮箱9的底部，参见图1和图2。所述的粘度传感器1采用音叉原理，用于检测齿轮箱加热腔5内润滑油的粘度，并将粘度信号反馈给控制器3。所述的控制器3采用PID开环控制，将粘度信号作为输入参数，通过PID数学模型运算后，输出参数用于控制润滑泵4的转速和转矩。所述的润滑泵4由齿轮泵4-1和变频电机4-2组成，参见附图4。所述的润滑泵4适于不同润滑油粘度状态下，对转速和转矩的调节，进而调节整个润滑系统的流量。当温度较低时，润滑油粘度较大，润滑泵4在控制器3的作用下转速低，转矩大，使润滑系统流量小；当温度较高时，润滑油粘度较小，润滑泵4在控制器3的作用下转速高，转矩小，使润滑系统流量大。所述的控制器3通过设定粘度阈值，用阈值逻辑输出控制加热器2的启停。所述的加热器2伸入到加热腔5的内部，用于对加热腔5内润滑油的加热。所述的轴承储油腔6、齿轮储油腔7、箱体储油腔8和加热腔5位于齿轮箱的内部，所述的加热腔5位于轴承储油腔6、齿轮储油腔7和箱体储油腔8的下部。润滑油经轴承储油腔6、齿轮储油腔7和箱体储油腔8储存后，剩余部分再流入加热腔5。润滑油先流经各储油腔进行储存，剩余部分再流入加热腔5，有利于加热器2对加热腔5内润滑油的集中加热，使加热腔5内润滑油温升更快，利于润滑泵4的尽早启动。

进一步，所述的轴承储油腔6，由各个轴承挡油板6-1和轴承座6-2组成。参见图3。所述的轴承挡油板6-1，上面加工有设定数量的回油孔，回油孔对于流出的润滑油具有阻尼作用，温度较低时，润滑油粘度较高，轴承储油腔6流出的润滑油较慢，轴承储油腔6可以储存更多的润滑油，使轴承主要由强制润滑转为浸浴式润滑，利于轴承低温状态下的润滑。温度较高时，润滑油粘度较低，轴承储油腔6流出的润滑油较快，在保证轴承强制润滑的前提下，更有利于轴承的散热。

进一步，所述的齿轮储油腔7，由各级齿轮7-1、齿轮挡油板7-2以及箱体壁7-3组成。参见图4，5。所述的齿轮挡油板7-2可以与箱体壁7-3整体成型，加工而成。所述的齿轮挡油板7-2用于阻挡参与齿轮润滑的润滑油的流失。所述的齿轮挡油板7-2，同样，加工有设定数量的回油孔，当温度较低时，润滑油粘度较高，齿轮储油腔7流出的润滑油较慢，齿轮储油腔7可以储存更多的润滑油，使齿轮7-1主要由强制润滑转为浸浴式润滑。温度较高时，润滑油粘度较低，齿轮储油腔7流出的润滑油较快，在保证齿轮7-1润滑的前提下，更有利于齿轮7-1的散热。

进一步，箱体储油腔8，由箱体挡油板8-1以及箱体8-2组成。参见图6，7。所述的箱体挡油板8-1可以与箱体8-2整体成型，加工而成。所述的箱体挡油板8-1用于阻挡箱体储油腔8内润滑油的流失，同样，上面也加工有设定数量的回油孔，能根据润滑油粘度的变化，自动调节箱体储油腔8内润滑油的储油量，进而调节流入加热腔5内润滑油的油量。温度较低时，箱体储油腔8储存的润滑油较多，进而进入加热腔5内的润滑油就少，反之，进入加热腔5内的润滑油就多。箱体储油腔8与轴承储油腔6、齿轮储油腔7一起用于调节加热腔5内润滑油的油量，有利于加热器2对加热腔5内润滑油的集中加热。

Claims (4)

1.一种温度适应型风电齿轮箱润滑系统，其特征在于：所述润滑系统包括粘度传感器、加热器、控制器、润滑泵、加热腔、轴承储油腔、齿轮储油腔和箱体储油腔；所述的粘度传感器、加热器和润滑泵装于齿轮箱的底部，所述的粘度传感器采用音叉原理，用于检测齿轮箱加热腔内润滑油的粘度，并将粘度信号反馈给控制器；所述的控制器采用PID开环控制，将粘度信号作为输入参数，通过PID数学模型运算后，输出参数用于控制润滑泵的转速和转矩；所述的润滑泵由齿轮泵和变频电机组成，所述的润滑泵适于不同润滑油粘度状态下，对转速和转矩的调节，进而调节整个润滑系统的流量；所述的控制器通过设定粘度阈值，用阈值逻辑输出控制加热器的启停；所述的加热器伸入到加热腔的内部，用于对加热腔内润滑油的加热；所述的轴承储油腔、齿轮储油腔、箱体储油腔和加热腔位于齿轮箱的内部，所述的加热腔位于轴承储油腔、齿轮储油腔和箱体储油腔的下部。

2.如权利要求1所述的一种温度适应型风电齿轮箱润滑系统，其特征在于：所述的轴承储油腔由各个轴承挡油板和轴承座组成，所述的轴承挡油板的上面加工有设定数量的回油孔，回油孔对于流出的润滑油具有阻尼作用。

3.如权利要求1或2所述的一种温度适应型风电齿轮箱润滑系统，其特征在于：所述的齿轮储油腔由各级齿轮、齿轮挡油板以及箱体壁组成，所述的齿轮挡油板与箱体壁7-3整体成型，所述的齿轮挡油板用于阻挡参与齿轮润滑的润滑油的流失；所述的齿轮挡油板加工有设定数量的回油孔。

4.如权利要求1或2所述的一种温度适应型风电齿轮箱润滑系统，其特征在于：所述箱体储油腔由箱体挡油板以及箱体组成，所述的箱体挡油板与箱体整体成型，所述的箱体挡油板用于阻挡箱体储油腔内润滑油的流失，所述的箱体挡油板上面也加工有设定数量的回油孔。