劉純斌 謝 珍

（1、國能信控互聯(lián)技術(shù)（河北）有限公司，河北 固安 065500 2、國能信控互聯(lián)技術(shù)有限公司，北京 100039）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)主要由葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等部件和系統(tǒng)組成。風(fēng)電變槳系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組中最重要的控制系統(tǒng)，受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。變槳機(jī)箱作為連接輪轂與槳葉的重要部件，通過變槳驅(qū)動(dòng)作用，改變槳葉受風(fēng)的角度實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)發(fā)電。海上風(fēng)電變槳機(jī)箱的工作環(huán)境非常惡劣（高低溫、高鹽霧、高潮濕、強(qiáng)紫外線等），其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、系統(tǒng)抗擾能力均關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行、發(fā)電效率等[1]。

目前，國內(nèi)海上機(jī)組多以電動(dòng)變槳系統(tǒng)為主，而關(guān)鍵的電控系統(tǒng)都集成在箱體內(nèi)部?？刂葡潴w為內(nèi)部電氣單元提供保護(hù)，箱體強(qiáng)度直接影響整個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的運(yùn)行安全。隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)組容量也在不斷擴(kuò)大，風(fēng)機(jī)葉片不斷加長，那么滿足大容量風(fēng)機(jī)的變槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是我們首要考慮的目標(biāo)。

本文主要以某型號(hào)的海上風(fēng)電變槳機(jī)箱為例對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出海上風(fēng)電變槳機(jī)箱各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足其安全運(yùn)行的結(jié)論。

1 變槳機(jī)箱的設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電變槳箱一般是連接彈性支撐安裝在輪轂腹壁上，跟著軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)承受瞬態(tài)載荷，在瞬態(tài)載荷的的作用下，箱體易發(fā)生疲勞、磨損、振動(dòng)開裂等不可估量的經(jīng)濟(jì)后果，因此，在設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮其抗振動(dòng)及強(qiáng)度剛度性能，加上海上風(fēng)電運(yùn)行的外部環(huán)境復(fù)雜多變，在防腐、防霉、防潮、IP 防護(hù)、EMC 抗擾等方面應(yīng)依據(jù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)[3]。

1.1 機(jī)箱框架設(shè)計(jì)

機(jī)箱的框架結(jié)構(gòu)類型是機(jī)箱剛度的決定條件，一般框架分為螺紋連接型和整體焊接型兩種，螺紋連接型框架把單獨(dú)的結(jié)構(gòu)通過螺紋連接在一起，這種結(jié)構(gòu)的加工難度小于整體焊接型，但是它的剛性沒有整體焊接型的框架好。而在整體焊接型的工藝中，框架加工中最重要的部分是控制焊接變形以及焊接工藝造成的外觀缺陷。為了保證機(jī)箱的抗振性能，提高機(jī)箱的整體剛度，最終確定機(jī)箱框架采用整體焊接型，由整體焊接式底托與整體焊接的箱體部分焊接形成機(jī)箱框架，在底托和箱體連接采用間斷焊接（圖1）。

圖1 機(jī)箱框架設(shè)計(jì)圖

1.2 材料的選擇與特性

在國內(nèi)，一般陸上風(fēng)電變槳機(jī)箱主體材料為SUS304，海上風(fēng)電因外部環(huán)境惡劣，運(yùn)行工況復(fù)雜，且維護(hù)成本高昂，我們選擇材料特性更好的SUS316 代替SUS304。

SUS316 的耐腐蝕性優(yōu)于SUS304，而且SUS316 還耐海洋和侵蝕性工業(yè)大氣的侵蝕，在高溫環(huán)境下，SUS316 更具有耐氧化性和耐熱性。

常規(guī)機(jī)箱材料基本以冷軋鋼板、熱軋鋼板為主，其機(jī)械抗拉強(qiáng)度為不小于270N/mm2，而在海上風(fēng)機(jī)變槳的設(shè)計(jì)中，基材選用機(jī)械抗拉強(qiáng)度高于270N/mm2的板材，從而增加箱體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。而SUS316 的抗拉抗拉強(qiáng)度高于520N/mm2。

1.3 防護(hù)性能設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電面臨風(fēng)沙，海浪，潮汐，流等多重載荷考驗(yàn)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備要求很高，潮濕對(duì)設(shè)備的防霉考驗(yàn)，鹽水對(duì)設(shè)備的腐蝕等。海上風(fēng)電設(shè)備的維護(hù)檢修難度很大，費(fèi)用高昂，直接影響風(fēng)電運(yùn)行成本。

1.3.1 防潮防霉菌設(shè)計(jì)

霉菌一般在25～35℃，相對(duì)濕度80%以上的環(huán)境條件下，繁殖迅速，其分泌的弱酸會(huì)使電路板的金屬細(xì)線腐蝕，損壞電路功能。要保持設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的密封性和干燥性。變槳機(jī)箱內(nèi)部要有良好的通風(fēng)循環(huán)，箱體內(nèi)部采用加熱風(fēng)扇通過合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)，保證良好的通風(fēng)條件。

在變槳機(jī)箱內(nèi)部增加設(shè)計(jì)氣相腐蝕抑制劑和凝露濕度抵抗器的安裝位置，密封空間內(nèi)的氣流非常重要，氣流從空間帶走防蝕氣比分散劑釋放的速度更快，從而形成直接的分散路徑。當(dāng)密封空間充滿間隔或物體時(shí)，會(huì)加長氣相腐蝕抑制劑分散路徑，能抑制腐蝕的分子，這些分子能在密封空間內(nèi)的金屬表面形成防護(hù)薄層。這個(gè)肉眼看不見的防護(hù)層能防止水分以及環(huán)境元素與金屬表面發(fā)生發(fā)應(yīng)，從而防止腐蝕。密封空間打開時(shí)分子自動(dòng)消散。而凝露濕度抵抗器能有優(yōu)異的吸濕特性，即使?jié)穸群芨?，也能保持吸收水分，不?huì)達(dá)到飽和[5]（圖2）。

圖2 防潮防霉設(shè)計(jì)單元

1.3.2 防腐蝕設(shè)計(jì)

海上風(fēng)機(jī)大部分設(shè)備暴露于外部的腐蝕環(huán)境中，風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境從上到下依次為：海洋大氣區(qū)（C5-M）、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)（Im2）和海泥區(qū)。輪轂、槳葉及變槳設(shè)備處在海洋大氣區(qū)，由于高濕度、高鹽霧腐蝕，屬ISO12944-2 分類標(biāo)準(zhǔn)C5-M 環(huán)境，腐蝕性是高濕度中等污染工業(yè)大氣C3 腐蝕性的3～4 倍，是中等含鹽度的工業(yè)區(qū)和沿海區(qū)域C4 腐蝕性的2 倍[2][4]。

變槳系統(tǒng)機(jī)箱整體按腐蝕等級(jí)C5-M配置。變槳機(jī)箱底托，箱體框架，箱蓋等外部件，均采用SUS316 不銹鋼材質(zhì)。重載、格蘭、結(jié)構(gòu)件采用SUS304、H62、表面鍍銀等高防腐性的材質(zhì)。非高強(qiáng)度緊固件采用SUS316 材質(zhì)。箱體與箱蓋之間的密封材料采用氟橡膠密封膠條。

同時(shí)保證箱體內(nèi)部的濕度，重啟后先啟動(dòng)加熱器控制箱內(nèi)濕度。電氣控制采用重載連接器進(jìn)行電纜連接，減少或屏蔽導(dǎo)電體與空氣的接觸面積。

1.3.3 IP 等級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電變槳機(jī)箱使用的環(huán)境復(fù)雜且易變，因此對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力有著非常高的要求，所以防塵防水是產(chǎn)品最基本功能要求。依據(jù)GB/T 32077-2015 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 變槳距系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，產(chǎn)品的防護(hù)等級(jí)滿足IP54，插入式連接要求的防護(hù)等級(jí)為IP65，所有的外部傳感器和開關(guān)要求防護(hù)等級(jí)IP65。

變槳箱的密封主要涉及箱體蓋板密封、接插件、設(shè)備安裝螺孔、外部傳感器。箱體的結(jié)構(gòu)為底托加箱體框架焊接的形式，焊接間斷處打防水密封膠，箱體上所有設(shè)備的安裝孔均采用盲孔設(shè)計(jì)，保證整個(gè)箱體的密封性。箱蓋密封采用EPDM 材質(zhì)電磁屏蔽密封條，不僅配合防塵防水，還帶有電磁適應(yīng)性，同時(shí)在箱蓋內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)壓緊凹槽，有效增加接觸面積。插入式連接件、外部傳感器均選用滿足IP65 防護(hù)要求的供應(yīng)商（圖3）。

圖3 IP 防護(hù)設(shè)計(jì)

2 變槳機(jī)箱的工藝實(shí)現(xiàn)

變槳機(jī)箱不僅需要在設(shè)計(jì)上保證，更要通過加工工藝實(shí)現(xiàn)。機(jī)箱生產(chǎn)流程總結(jié)如下:(1)落料-(2)裁剪-(3)折彎-(4)鉚接-(5)拼焊-(6)打磨-(7)噴丸-(8)涂裝-(9)組裝。在焊接型箱體框架結(jié)構(gòu)中，焊接可靠性是箱體框架強(qiáng)度的保證，因此焊接質(zhì)量需要嚴(yán)格控制。為保證質(zhì)量，對(duì)焊接的把控主要分為三個(gè)階段進(jìn)行：

2.1 焊前準(zhǔn)備，首先作業(yè)人員要有符合生產(chǎn)的資質(zhì)，包括焊接人員和檢驗(yàn)人員，做到作業(yè)人員持證上崗，其次要對(duì)各種類型的焊接做技術(shù)評(píng)定，做到實(shí)施工藝的可靠性，同時(shí)還需要編寫工藝指導(dǎo)文件。

2.2 過程控制，定制必要的各類型焊接工裝，控制焊接精度及焊接變形；按照金屬材料焊接工藝要求進(jìn)行作業(yè)。

2.3 焊后檢驗(yàn)，質(zhì)量控制過程中對(duì)各類型焊縫進(jìn)行檢查，處理焊接缺陷，保證整體框架的質(zhì)量要求，確保按圖紙要求執(zhí)行。對(duì)逐個(gè)焊縫的狀況進(jìn)行記錄，包括對(duì)返工后的狀況的檢查，有效地控制了機(jī)箱焊接過程中的焊接質(zhì)量（圖4）。

圖4 整體設(shè)計(jì)圖

3 抗振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

依據(jù)GB/T 32077-2015 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 變槳距系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、GB/T 11287-2000 電氣繼電器 第21 部分：量度繼電器和保護(hù)裝置的振動(dòng) 沖擊 碰撞和地震試驗(yàn) 第1 篇：振動(dòng)試驗(yàn)（正弦）、GB/T 14537-1993 量度繼電器和保護(hù)裝置的沖擊與碰撞試驗(yàn)，對(duì)變槳機(jī)箱進(jìn)行振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)[3]。

3.1 振動(dòng)響應(yīng)：GB/T 11287 中3.2.1 規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為1的振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)；標(biāo)準(zhǔn)要求——交越頻率以下的位移振幅0.035mm，加速度5m/s2（0.5G），每一軸線方向的掃頻循環(huán)數(shù)為1 次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 振動(dòng)響應(yīng)圖譜

3.2 振動(dòng)耐久（正弦）：GB/T 11287 中3.2.2 規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為1 的振動(dòng)耐久試驗(yàn)；標(biāo)準(zhǔn)要求——頻率范圍為10Hz～150Hz，加速度為10m/s2（1G），每一軸線方向掃頻循環(huán)數(shù)為20 次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 振動(dòng)耐久（正弦）圖譜

3.3 沖擊響應(yīng)：GB/T 14537 中4.2.1 規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為1的沖擊響應(yīng)試驗(yàn)；標(biāo)準(zhǔn)要求——加速度49m/s2（5G），脈沖的持續(xù)時(shí)間11ms，每個(gè)方向上的脈沖數(shù)為3 次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 沖擊響應(yīng)圖譜

3.4 沖擊耐久：GB/T 1453 中4.2.2 規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為1 的沖擊耐久試驗(yàn)；標(biāo)準(zhǔn)要求——加速度為147m/s2（15G），脈沖持續(xù)時(shí)間11ms，每個(gè)方向上的脈沖數(shù)為3 次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 沖擊耐久圖譜

試驗(yàn)結(jié)論：本次試驗(yàn)未出現(xiàn)變槳箱體機(jī)械性能上的損壞，箱內(nèi)器件安裝、接線牢固。

4 結(jié)論

通過海上風(fēng)電變槳機(jī)箱的設(shè)計(jì)與跟蹤，得出下面的結(jié)論:

4.1 根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)出的海上風(fēng)機(jī)變槳機(jī)箱能夠滿足海上嚴(yán)酷環(huán)境的要求。

4.2 海上風(fēng)電變槳機(jī)箱已經(jīng)開始應(yīng)用于海上風(fēng)電。

4.3 已逐步建立海上風(fēng)電變槳機(jī)箱設(shè)計(jì)、工藝、鑒定等方面的技術(shù)規(guī)范。

4.4 生產(chǎn)工藝，是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵路徑。