文 | 胡仕明 梅國剛

1.5MW雙饋型風電機組現(xiàn)場更換齒輪箱方案

文 | 胡仕明 梅國剛

風電機組主齒輪箱故障，由于受機艙內(nèi)維修條件限制，現(xiàn)場維修及更換零部件十分困難，絕大多數(shù)故障需整體更換齒輪箱返廠維修。

齒輪箱的傳統(tǒng)更換方式：先在裝配車間準備一套新傳動鏈（包含主軸、主軸軸承、軸承座、齒輪箱及相關(guān)附件）運往風電場，用450t以上主吊車一臺及50t以上輔助吊車更換傳動鏈，然后把更換下傳動鏈運回車間拆解。這種更換方式主要有以下缺點：需大型車運輸傳動鏈、增加車間拆裝環(huán)節(jié)、需450t大型吊車及輔助吊車、增加拆裝和更換相關(guān)附件等增加了更換成本?，F(xiàn)目前更換傳動鏈直接費用約35萬－40萬；由于更換傳動鏈必須拆葉輪，需要較大平地擺放，受現(xiàn)場地理位置限制；因更換傳動鏈現(xiàn)場裝拆部件較多，更換時間相對較長；需一套新裝配的主軸系，更換下來沒有損壞的主軸系需進行維護、維修才能再次投入使用。

基于上述現(xiàn)狀，如果在機艙內(nèi)實施齒輪箱的更換，不僅能節(jié)約更換的成本，還可以縮短更換時間，且減少葉輪的拆卸，因而不受擺放葉輪場地限制。根據(jù)1.5MW雙饋型風電機組結(jié)構(gòu)特點現(xiàn)場更換齒輪箱需考慮以下因數(shù)：安全性分析；現(xiàn)場拆裝可行性分析；拆裝專用工裝設(shè)計；拆裝工藝流程 。

方案設(shè)計

一、1.5MW雙饋型風電機組結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該類型機組結(jié)構(gòu)較為緊湊，傳動鏈主要由主軸系、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機組成，主軸與齒輪箱聯(lián)結(jié)為鎖緊套方式。

二、現(xiàn)場更換齒輪箱方案

在現(xiàn)場實施單獨更換齒輪箱時，齒輪箱拆離后，塔筒以上部件的綜合重心發(fā)生了變化，但只要在塔筒承受載荷支撐點范圍內(nèi)，機架與塔筒聯(lián)結(jié)螺栓強度足夠即可。而

圖1 1.5MW雙饋型風電機組外形結(jié)構(gòu)圖

整個葉輪的重量必需以軸承為支點在機架上得到平衡，避免葉輪的傾翻危險。利用機架結(jié)構(gòu)，設(shè)計專用工裝固定主軸，主軸不動，實現(xiàn)葉輪重量平衡后，在機艙內(nèi)依靠工裝和液壓千斤頂使齒輪箱與主軸分離，無須拆卸葉輪和主軸軸系，只要揭開機艙罩殼，把拆下的齒輪箱吊下即可。該方案與傳統(tǒng)維修方案相比，減少了葉輪和主軸軸系的拆吊工作，吊車噸位也可減至為200t，從而減少了主軸系（主軸、主軸軸承、鎖緊盤、軸承座，油封、螺母等輔件）的物資準備和運輸，這樣節(jié)約了成本，減少了更換的時間。

現(xiàn)場更換齒輪箱載荷安全性分析

機組齒輪箱拆離后，由于機艙、葉輪綜合重心發(fā)生了變化，對塔筒、機架會產(chǎn)生一個傾覆力矩。

建立坐標系如圖2，原點設(shè)在塔筒軸線和塔筒頂面的交點，不隨機艙轉(zhuǎn)動。經(jīng)計算，在機組還沒有拆離任何部套之前，重心（機艙和葉輪）位置：，

從數(shù)據(jù)看出，整個葉輪和機艙的重心位置在X方向變化最大，但仍處在塔筒頂部直徑范圍內(nèi)（塔筒頂部直徑為Φ2900mm左右）。

其產(chǎn)生的傾覆力矩：

現(xiàn)場拆裝可行性分析

一、 拆裝需考慮的要點

（一）主軸不動，齒輪箱脫離，需考慮機艙內(nèi)后移空間，主軸與齒輪箱連接是靠鎖緊套，如圖3所示。

因齒輪箱后移受到機架空間的限制，所以必須拆除后端的滑環(huán)、潤滑泵及電機、濾油器、加熱器、甚至部分端蓋，保證齒輪箱后端有足夠的空間位置，即L2≥L1，以便于實施主軸與齒輪箱的分離措施。

（二）當齒輪箱后移時，需拆卸齒輪箱兩側(cè)彈性支承座與機架連接螺栓，用吊車把齒輪箱吊起，起吊高度約為9mm，避免彈性支承座與機架之間產(chǎn)生干涉，以利于分離措施的實施。在采取這項措施之前，須對主軸軸承受影響程度進行評估。

主軸軸承是采用的是雙列調(diào)心滾子軸承，它可承受較大的徑向載荷，同時也能承受一定的軸向載荷。該類軸承外圈滾道是球面形，故具有調(diào)心的能力，當軸系受到彎曲或傾斜力而使內(nèi)圈中心線與外圈中心線相對傾斜在 1°－2.5°之內(nèi)時，主軸軸承仍能正常工作。如圖4所示各部的支承點及距離計算。

主軸傾斜角度а=аrctg(9/2470)≈0.2°，主軸軸承不會受到影響。

二、拆裝需要設(shè)計專用工裝

（一） 在齒輪箱分離過程中，雖鎖緊套螺栓已松開，但葉輪部位稍重，齒輪箱前端主軸存在向上的力，會導(dǎo)致脫離困難，因此需要專用工裝固定主軸。另外，該工裝更大的作用是避免葉輪傾翻危險，由于以上的原因，在工裝的結(jié)構(gòu)、裝卡位置設(shè)計時，需對工裝、機架、連接螺栓的強度進行校核。

（二）鎖緊套將齒輪箱行星架連接在主軸上，在機組運行一段時間后，行星架可能產(chǎn)生部分變形，以及初始裝配等原因，可能會造成與主軸分離困難。這時需要專用頂開工裝來施加頂開力量。選擇100t雙杠同步式液壓千斤頂，兩側(cè)同時施加力量。

圖2 塔頂坐標系

圖3 齒輪箱與相關(guān)部件裝配關(guān)系

專用工裝設(shè)計

一、主軸壓緊工裝

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖5所示，以機艙內(nèi)機架、主軸結(jié)構(gòu)、空間位置、千斤頂?shù)陌卜诺染C合考慮來設(shè)計專用固定工裝，工裝安裝中心位置距離前端軸承支撐中心點L最小1.4m，最大1.9m，按1.68m（如圖4所示）設(shè)計。

結(jié)構(gòu)如圖6。

工裝圓弧部分與主軸仿形，接觸受力，葉輪的傾翻力矩通過12顆螺栓與卡在機架上的基座聯(lián)結(jié)，通過基座傳遞到機架上。

（二） 工裝強度計算分析

1.5MW系列風電機組，葉輪質(zhì)量最大約34.61t，重心距主軸承中心1.67m。1.5MW主軸重量7.15t，重心距主軸承中心0.515m。

專用工具中心距主軸承中心1.68m，因此為達到平衡，在豎直方向加載的力為(34.61*1.67-7.15*0.515)/1.68=32.21t，即315.7kN。

圖4 傳動鏈支撐點示意圖

圖5 壓緊工裝位置設(shè)計

圖6 壓緊工裝結(jié)構(gòu)圖

取1.3倍的安全系數(shù)，則在專用工具處需加載的最大向下壓力為410.4kN。

建立該夾具的三維幾何模型，如下圖7。

施加載荷進行計算，結(jié)果如圖8。

如圖8的應(yīng)力分析圖顯示，最大應(yīng)力41.8MPa，在底板與機架接觸的部位，小于主體結(jié)構(gòu)材料Q235－B的屈服強度，主體結(jié)構(gòu)安全。

最大變形0.108mm，在夾具與主軸接觸的兩側(cè)，變形較小。

二、分離齒輪箱工裝

頂開齒輪箱，著力點一端設(shè)在主軸軸承內(nèi)圈固定的鎖緊背冒上，另一端設(shè)在行星架端面。由于兩點之間安裝有前后可浮動的壓緊工裝，所以傳力必須通過壓緊工裝、液壓千斤頂才能對行星架施加頂開力量。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9所示。

工裝采用100mm厚鋼板，材質(zhì)Q235－B，作為兩端支撐板，并設(shè)計成半圓弧，增加接觸面積，直接安放于主軸上，不需用吊車。中間長支撐采用Φ133×20無縫鋼管承受壓縮力量，材質(zhì)Q235－B，根據(jù)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計工裝長度。100t雙杠同步式液壓千斤頂通過兩個U型板緊靠壓緊工裝和齒輪箱行星架端面，增加接觸面積，保證工裝、齒輪箱行星架受力均布和平穩(wěn)。經(jīng)過強度校核，均能滿足使用要求。

施工時，緩慢加壓千斤頂，頂緊后使用游標卡尺測量工裝側(cè)U型板與行星架側(cè)U型板的間距，確保間距相等，受力均衡。

更換工藝流程

1 準備工作：如吊車、工裝、工具準備齊全；

2 拆離機艙罩殼上半；

3 利用固定工裝壓住主軸；

4 拆卸齒輪箱后端會與機架發(fā)生干涉的部套：如齒輪箱加熱器、油泵電機、散熱風扇電機供電電源、齒輪箱濾油器、散熱器、端蓋等；

5 松開鎖緊套螺釘，釋放收縮盤的內(nèi)、外環(huán)緊力；

6 拆卸齒輪箱兩側(cè)彈性支承座與機架連接螺栓，并用吊車吊起齒輪箱，吊起的距離約9mm，以避免彈性支承座與機架干涉和方便脫離齒輪箱：

7 利用工裝使齒輪箱與主軸分離；

8 利用手拉葫蘆平衡、移位，吊下舊齒輪箱；

9 吊裝新齒輪箱，套進主軸時，利用手拉葫蘆工具、機架上的吊耳進行移動齒輪箱；

圖7 壓緊工裝三位模型

圖8 應(yīng)力分析圖

10 按要求裝配鎖緊套，復(fù)裝其它部件；

11 起機前的各部檢查、起機試驗。

應(yīng)用

經(jīng)過多個風電場的現(xiàn)場實踐，在機艙內(nèi)更換齒輪箱，效果良好。

上述的分離裝置也可在地面上使用，例如：齒輪箱更換或主軸系更換，在分離齒輪箱和主軸時不需要主軸壓緊裝置，只需將分離裝置的無縫鋼管部分設(shè)計加長即可。

圖9 工裝結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

通過可行性的分析、工裝強度校核，以及多次的現(xiàn)場實踐證明：上述方案不僅可行，而且安全可靠、節(jié)約了成本，大大縮短了齒輪箱的更換時間，為風電場更換齒輪箱部件以及主軸系提供了良好的方案，具有極高社會效益和經(jīng)濟價值。

（作者單位：東方汽輪機有限公司）