浅析风电机组自动润滑系统堵塞故障原因

摘要：本文针对风电机组运行过程中，出现的变桨轴承自动润滑系统堵塞故障，从自动润滑系统的结构原理角度，说明故障的触发机理。然后，从自动润滑系统工作原理与润滑脂自身特性两方面，对堵塞故障发生的根本原因进行分析。最后，对自动润滑系统堵塞故障的解决方案的研究进行了展望。

关键词：风电机组、自动润滑系统、堵塞、根因0引言近年来随着海上风电的快速发展，对海上风电机组运维智能化与自动化的需求日趋高涨。原来陆上风电机组中通常作为选配子系统的变桨轴承集中润滑系统，在海上风机逐渐向标准配置转变。这种转变，既是受到海上风机维护窗口期窄，维护成本高的压力，也有降低运维人员工作强度，减少运维人力成本的需求，已是大势所趋。当前风电机组变桨轴承集中润滑系统（简称变桨润滑系统）主要分为两类：递进式集中润滑系统与单线式集中润滑系统。基于采购成本与技术成熟度的考虑，目前风电机组中主要使用的是递进式集中润滑系统。但是，随着海上风机运行时间的增长，日益增加的变桨润滑系统堵塞故障，对变桨轴承稳定可靠的运行，乃至海上风机的发电量都造成不利影响，引起了整机厂的关注。本文从变桨润滑系统工作原理与润滑脂特性角度，针对变桨润滑系统堵塞故障的常见原因进行分析，希望能为该故障的解决方案提供有价值的参考。1变桨润滑系统工作原理变桨润滑系统的主要功能是将润滑脂间歇性泵送至变桨轴承的滚道中，减缓变桨轴承滚道与滚子之间的磨损，延长轴承工作寿命。当前风电机组多采用3叶片形式，相应每台机组配备有3个变桨轴承，因此变桨润滑系统需要同时为3个变桨轴承泵送润滑脂。考虑到各个变桨轴承内部背压不同，为了防止每个变桨轴承获得的润滑脂量出现较大差异，润滑泵与变桨轴承之间需要通过分配器连接；同时为了控制成本，一般采取两级分配器的系统结构，如图1所示。图1：变桨润滑系统方案图（仅给出2个变桨轴承的次级分配器）润滑脂由润滑泵出口出发，通过初级分配器后，分成三个初级支路走向，分别流向每个变桨轴承上的次级分配器，再通过次级分配器，分成若干次级支路（支路数量由变桨轴承润滑点数量决定）流向变桨轴承的各个润滑点。润滑脂流动过程中，润滑泵与初级分配器之间的管路、初级分配器与次级分配器之间的管路、次级分配器与变桨轴承润滑点之间的管路对润滑脂产生一定的沿程阻力；初级分配器与次级分配器内部的流道通径变化，对润滑脂产生一定的局部阻力，沿程阻力与局部阻力叠加组成润滑脂流动的总阻力。润滑脂的粘度随温度下降而增大，润滑脂流动的总阻力则随着润滑脂粘度增大而变大，总阻力达到一定程度时，润滑泵为了泵送润滑脂就需要提供更大的出口压力，出口压力过大则会对润滑管路的强度与寿命造成严重影响，为延长润滑管路寿命，润滑系统一般会在润滑泵出口处设置安全阀，当出口压力过大时进行泄压。递进式润滑系统的润滑脂泵送工作过程是一个交替出脂过程，即润滑脂自润滑泵出口泵出后，如果初级分配器与次级分配器每个柱塞排量一致，各个分配器出脂次序大致如下：1-a-2-A-1-b-2-B-1-c-2-C…，后续依次类推。接着润滑系统会循环往复上述的泵送过程，直至停止为润滑泵电机供电。当由于变桨润滑系统自身堵塞，变桨轴承注油点背压过大或外部空气侵入变桨润滑系统等因素，导致变桨润滑系统不能有效地将润滑脂输送至变桨轴承滚道时，需要及时反馈故障信息到主控系统，提示运维人员采取措施，以防止变桨轴承发生过度磨损。分配器自身的结构特点决定任何一个出脂口及其流道发生堵塞时，润滑脂就无法继续流向下一个出脂口，造成整个分配器堵塞；根据上述的分配器的出脂次序，次级分配器任一出脂口堵塞，会导致初级分配器的出脂口堵塞，从而造成整个变桨润滑系统堵塞。因此，只需监测变桨润滑系统中的任意一个分配器的出脂状态，就可以识别整个系统是否发生了堵塞故障。变桨润滑系统的堵塞传感器一般安装在初级分配器上，主控系统接到堵塞信号后，对变桨润滑系统进行断电，运维人员登机检查具体的堵塞位置；堵塞传感器也可用计数开关替代，在监测系统是否堵塞的时候，同步监测每个循环中分配器的动作次数。2堵塞故障原因分析根据上述说明，变桨润滑系统对润滑脂流动的总阻力包括管路的沿程阻力与分配器的局部阻力，如果总阻力大于变桨润滑泵所能提供的最大压力（安全阀溢流压力），则分配器柱塞无法正常动作，触发系统堵塞故障。因此堵塞故障原因分析需要从系统总阻力的影响因素入手。首先说明管路沿程阻力，变桨润滑系统的润滑管路布局在风电机组的轮毂中，对于较为平直敷设的管路，管路对润滑脂造成的阻力基本都是沿程阻力；在管路回转半径较小的部位，管路对润滑脂的阻力则是局部阻力（润滑脂在管路中回转造成的能量消耗，大于近于直线流动的能耗）。由于润滑脂的粘度显著大于润滑油，并且变桨润滑系统的流量小于油润滑系统的流量，使流体在管路中回旋导致的能耗上升并不明显，因此管路对润滑脂的阻力主要是沿程阻力。润滑脂在管路中同时受到润滑泵提供的压力、管路内壁提供的阻力，以及润滑脂自身之间摩擦力作用，使润滑脂在管路截面中的流动速度如图2所示。图2：润滑脂在管路截面中的流速分布由图2可见，紧贴管路内壁（图中半径尺寸r为管路内壁半径R的圆周位置）的润滑脂在流动过程中受到壁面的摩擦阻力，远离内壁（图中半径尺寸r小于管路内壁半径R的圆周位置）的润滑脂则受到紧贴内壁的润滑脂的摩擦阻力，因此管路中的润滑脂流速呈现中心高四周低的布局。润滑脂主要由稠化剂（皂基）与基础油两部分组成，润滑脂锥入度（稠度）随润滑脂中的皂基含量增加而增大，而稠度的增大则导致管路的沿程阻力增加，这一点可以从润滑脂的剪切应力随稠度增大而增加看出，如图3所示。图3：不同稠度润滑脂的剪切应力-剪切速率曲线由此可见，润滑脂中的皂基百分比含量对润滑系统的沿程阻力具有重要影响，如果润滑脂中的基础油百分比含量下降，会造成润滑系统阻力的上升。润滑脂在使用过程中，微量的分油可以保持设备润滑，对润滑有利；但在实际使用过程中，常常因工况不符或使用劣质润滑脂造成过度分油，使润滑脂变稠、变硬，失去润滑作用，甚至导致设备损坏。在变桨润滑系统中，这种破坏作用便是以系统堵塞故障的形式体现的。润滑脂分油率主要分两类：压力分油率和钢网分油率，前者是指常温下，润滑脂在一定压力和时间内析出的基础油量，单位是%（质量分数）；后者是指润滑脂在受热条件下析出基础油的趋势，可体现润滑脂在受热条件下的胶体安定性优劣情况，是分析评价润滑脂胶体安定性和产品标准中常常采用的重要指标。试验数据显示，两种不同基础油的润滑脂的压力分油率在试验时间延伸情况下的关系曲线如图4所示，可见润滑脂的分油量在较短时间内即出现快速增长，其分钟级的增长速度显著高于热条件（100℃条件下）导致的钢网分油率小时级的增长速度（见图5）；并且压力分油率也显著高于钢网分油率。变桨润滑系统的试验数据显示，每个自动加脂周期结束后，润滑系统中各节点（润滑泵出口、初级分配器前后，及次级分配器前后），在一段时间内都存在一定压力，这种压力条件下的润滑脂分油会使润滑脂中的基础油含量下降，导致润滑系统总阻力上升，最终造成堵塞故障。具体量化数据仍需试验验证。图4：润滑脂压力分油率与试验时间的关系曲线图5：润滑脂钢网分油率与试验时间的关系曲线

分配器内部管径变化与方向改变引起的局部阻力，通常高于管路的沿程阻力，会进一步加剧润滑脂的分油趋势，导致润滑系统的堵塞故障。3结语本文通过介