一种风电机组齿轮箱润滑系统及其控制方法与流程

本发明涉及风电机组齿轮箱润滑技术领域，特别是涉及一种风电机组齿轮箱润滑系统及其控制方法。

背景技术：

风电机组齿轮箱润滑系统的作用包括两方面：首先，为齿轮箱内的轴承与齿轮提供润滑，减小磨损，提升齿轮箱的工作寿命；其次，将齿轮箱运行过程中产生的热量(轴承摩擦与齿轮啮合摩擦所致)，通过齿轮油带至润滑系统中的热交换器，进而与空气或冷却液等介质借助风扇进行强制换热后，齿轮油返回齿轮箱继续为轴承与齿轮进行润滑。

目前，兆瓦级风电机组中3MW以下机型多采用油-空一级换热方案，3MW(含3MW)以上机型多采用油-水-空二级换热方案。油-空一级换热方案，系统结构简单，经济性好，但是由于空气介质的温度难以控制，0℃以下的低温环境下，低温空气在强制换热过程中往往会造成齿轮油温度大幅降低，俗称“过冷”。因为齿轮油的粘温特性(随着油温降低，齿轮油粘度大幅上升)，高粘度的齿轮油会提高润滑系统的液压阻力，甚至堵塞热交换器，造成低温条件下的换热不良。为解决该问题，现行齿轮箱润滑系统(空气冷却)多采用双速电机带动的油泵来提供动力，通过降低润滑系统中的齿轮油流量，来降低润滑系统的散热能力。但是由于双速电机相对单速电机的故障率高，造成减小润滑系统“过冷”故障的同时，却提升了油泵电机的故障率，从而使得油泵电机故障率高成为润滑系统工作过程中的新问题，而亟待加以解决。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种风电机组齿轮箱润滑系统，使其能够有效避免“过冷”故障的发生，性能稳定，易于控制，故障率低，使用寿命长，从而克服现有的齿轮箱润滑系统双速油泵电机故障率较高的问题的不足。

本发明的又一个目的是提供上述风电机组齿轮箱润滑系统的控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风电机组齿轮箱润滑系统，包括润滑油路，所述润滑油路包括输油管路和回油管路，所述输油管路和回油管路之间设置有换热管路，以及与所述换热管路并联设置的旁流管路；所述换热管路上设有换热装置和温度传感器，其中，所述换热装置设置于所述换热管路的输入端侧，所述温度传感器设置于所述换热管路的输出端侧；所述输油管路的输入端与齿轮箱油池连接，且其输出端分别与所述换热管路和旁流管路的输入端连接；所述润滑油路中还设置有三通温控阀，所述三通温控阀的两个入口分别与所述换热管路的输出端和所述旁流管路的输出端连接，所述三通温控阀的出口与所述回油管路的输入端连接；所述回油管路自输入端向后分成第一、第二两条回油支路，其中第一回油支路上设有电磁换向阀，第二回油支路上设有单向压力阀，两条回油支路的输出端均连接至齿轮箱油池。

作为进一步地改进，所述换热装置为使用强制风扇的热交换器。

所述输油管路上设有过滤器。

所述输油管路上设有用于从油池中吸油的油泵。

所述油泵通过单速电机驱动。

所述油泵出口处还连接有安全阀。

所述温度传感器及电磁换向阀分别与风电机组的主控系统连接。

所述的风电机组齿轮箱润滑系统的控制方法，包括：设置所述温控阀的开启温度为T₀，设置所述电磁换向阀的关闭触发温度为T_S；当温控阀进油温度<T₀，温控阀关闭，所述旁流管路的输出端与回油管路连通，所述换热管路的输出端与回油管路隔断；当温控阀进油温度≥T₀，温控阀开启，所述旁流管路的输出端与回油管路隔断，所述换热管路的输出端与回油管路连通；当温度传感器的采集温度>T_S，电磁换向阀开启，所述第一回油支路工作；当温度传感器的采集温度≤T_S，电磁换向阀关闭，所述第二回油支路工作。

作为进一步地改进，T₀>T_S。

所述温度传感器的采集温度发送至风电机组的主控系统，所述风电机组的主控系统根据该温度控制所述电磁换向阀的开启或关闭。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

本发明通过在润滑油路中设置温控阀和电磁换向阀对油路中的齿轮油温度进行控制，能够有效避免齿轮油“过冷”故障的发生，相对于现有采用双速电机控制油温的方式具有性能稳定，易于控制，故障率低，使用寿命长的优点。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的风电机组齿轮箱润滑系统结构原理图。

图2是热交换器的换热系数-流量曲线图。

图1中：1-油泵，2-过滤器，3-换热装置，3.1-强制风扇，3.2-热交换器，4-温控阀，5-单向压力阀，6-安全阀，7-油池，8-温度传感器，9-电磁换向阀。

具体实施方式

本发明提出一种风电机组齿轮箱润滑系统，包括润滑油路，在该润滑油路中，通过设置温控阀和电磁换向阀对油路中的齿轮油温度进行控制，能够有效避免齿轮油“过冷”故障的发生，相对于现有采用双速电机控制油温的方式具有性能稳定，易于控制，故障率低，使用寿命长的优点。

请参阅图1所示，本发明所述润滑油路主要包括输油管路A、换热管路B和旁流管路C、回油管路(包括第一回油支路D和第二回油支路E)。其中输油管路A从齿轮箱油池7中吸油，通过回油管路再流到油池7中，换热管路B和旁流管路C设置在输油管路A和回油管路之间，且两者并联设置。

其中，所述输油管路A的输入端与齿轮箱油池7连接，且其输出端分别与所述换热管路B和旁流管路C的输入端连接；所述换热管路B上设有换热装置3和温度传感器8，其中，所述换热装置3设置于所述换热管路B的输入端侧，所述温度传感器8设置于所述换热管路B的输出端侧；所述润滑油路中还设置有三通温控阀4，所述三通温控阀4的两个入口分别与所述换热管路B的输出端和所述旁流管路C的输出端连接，所述三通温控阀4的出口后方连接第一回油支路D和第二回油支路E，其中第一回油支路D上设有电磁换向阀9，第二回油支路E上设有单向压力阀5，两条回油支路的输出端均连接至齿轮箱油池7。

上述设置中，在换热装置3入口空气温度过低时，可通过电磁换向阀9与单向压力阀5，降低润滑系统中热交换器的热交换能力，避免“过冷”故障的发生。相对于现行的依靠双速电机控制齿轮油流量的方法，可以采用故障率低的单速电机替代双速电机，同时防止润滑系统“过冷”故障的发生，实现降低润滑系统的故障率的效果。

以下结合附图和具体实施例对上述润滑油路系统及其控制方法做详细介绍。

如图1中所示，本发明的一种风电机组齿轮箱润滑系统，采用的润滑油路中主要设置部件包括：油泵1、过滤器2、换热装置3(包括强制风扇3.1和热交换器3.2)、温控阀4、单向压力阀5、安全阀6、齿轮箱油池7、温度传感器8、电磁换向阀9。

油泵1由单速电机驱动，用于将齿轮油从油池7中泵出，经过过滤器2将齿轮油中的颗粒物滤掉。温控阀4在油温高时使齿轮油流经热交换器3.2，强制风扇3.1开启对热交换器3.2中的齿轮油进行冷却；温控阀4在油温低时使齿轮油不再流过热交换器3.2，直接向下游流回油池7。温度传感器8将出口油温反馈至风电机组主控系统，主控系统在出口油温达到触发温度时，操纵电磁换向阀9决定齿轮油是否流经单向压力阀5，然后流回油池7。当系统出现堵塞，导致压力上升过高时，齿轮油直接经由油泵出口的安全阀6，流回油池。

本发明实现有效控温的的原理是，利用温控阀4的工作机理，根据热交换器3.2进口油温变化，控制润滑系统热交换功能的开启与关闭；利用温度传感器8监测热交换器3.2的出口油温，根据出口油温变化，控制电磁换向阀9的开启与关闭，当出口油温过低时，限制热交换回路的齿轮油流量，降低热交换器3.2的热交换能力，从而在不使用双速油泵电机的条件下，避免“过冷”故障的发生。

实际应用时，本发明上述润滑系统主要包括三种工况：温控阀4关闭工况、温控阀4开启&单向压力阀5关闭工况，以及温控阀4开启&单向压力阀5开启工况。

热交换器3.2进口油温低于温控阀4的开启温度条件下，润滑系统处于温控阀4关闭工况。该工况下，由于温控阀4的少量内泄，绝大部分齿轮油绕过热交换器3.2(流量Q_c)，流经旁通回路(流量Q_f)，电磁换向阀9开启(流量Q_t2)，齿轮油主要经过电磁换向阀9流回油池7，同时少量齿轮油经过单向压力阀5(流量Q_t1)流回油池7。该工况的系统流量关系如式1所示。

Q_t＝Q_t1+Q_t2≈Q_f (1)

式1中，Q_t为润滑系统总流量，下同。

热交换器3.2进口油温高于温控阀4的开启温度，热交换器3.2出口油温高于主控系统的电磁换向阀9关闭触发温度条件下，润滑系统处于温控阀4开启&单向压力阀5关闭工况。该工况下，随着热交换器3.2进口油温逐渐升高，温控阀4开启幅度逐步增大，流经旁通回路与热交换器3.2的齿轮油流量此消彼长，直至温控阀4完全打开，温控阀4内泄的少量齿轮油流经旁通回路，绝大部分齿轮油流经热交换器3.2；电磁换向阀9保持开启状态，齿轮油主要经过电磁换向阀9流回油池7，同时少量齿轮油经过单向压力阀5流回油池7。该工况的系统流量关系如式2与式3所示。

温控阀4未完全打开Q_t＝Q_t1+Q_t2＝Q_f+Q_c (2)

温控阀4完全打开Q_t＝Q_t1+Q_t2≈Q_c (3)

交换器3.2进口油温高于温控阀4的开启温度，热交换器3.2出口油温低于主控系统的电磁换向阀9关闭触发温度条件下，润滑系统处于温控阀4开启&单向压力阀5开启工况。该工况下，热交换器3.2进口油温保持在温控阀4的开启温度以上，温控阀4保持开启状态，齿轮油分别流经旁通回路与热交换器3.2；由于热交换器3.2入口空气温度下降，使热交换器3.2的出口油温不断下降，热交换器3.2出口油温低于主控系统的电磁换向阀9关闭温度时，电磁换向阀9关闭，绝大多数齿轮油经过单向压力阀5流回油池7，同时极少量齿轮油由于电磁换向阀9的内泄经过电磁换向阀9流回油池7。该工况的系统流量关系如式4与式5所示。

温控阀4未完全打开Q_t＝Q_f+Q_c≈Q_t1 (4)

温控阀4完全打开Q_t≈Q_t1≈Q_c (5)

本发明的特点是，使用可靠性较高的单向压力阀与电磁换向阀，实现“过冷”故障趋势出现时，通过电磁换向阀将齿轮油导入单向压力阀一路，利用单向压力阀的液阻功能，降低流经热交换器的齿轮油流量，根据热平衡方程可知，润滑系统中热交换器的热交换能力(通过换热系数体现)将随着流量下降而降低，从而规避“过冷”故障发生的风险。热交换器的散热系数与流量的关系曲线如图2所示。

电磁换向阀9的触发温度为T₀，温控阀4的开启温度为T_S，一般情况下T₀<T_S。温度传感器8监测热交换器3.2出口油温，将信号反馈到主控系统，主控系统根据出口油温与T₀的对比关系作出决策——开启或关闭电磁换向阀9。

假定热交换器3.2入口空气温度低于10℃时，热交换器3.2的齿轮油流量不低于100L/min即可满足齿轮箱散热要求，则调节单向压力阀5的弹簧压力，使通过单向压力阀5的齿轮油流量不少于100L/min，从而保证齿轮箱散热良好，同时确保流经热交换器3.2出口的齿轮油温度不至于过低，造成热交换器3.2的堵塞。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。