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张先江:南高齿海上大兆瓦风电齿主轮箱可靠性技术研发

2020年9月17日,由江苏可再生能源行业协会联合中国长江经济带可再生能源装备制造产业联盟、江苏省新型电力(新能源)装备集群共同主办“第十三届中国(江苏)国际风电产业发展高峰论坛”在江苏南京盛大召开。

尊敬的各位领导、各位嘉宾、大家下午好!我是来自南高齿的张先江。

首先,我简单介绍一下我们公司,南高齿成立于1969年,2003年进军风电行业,2007年在香港上市,2019年风电销售额达到21.7亿人民币,市场份额达到35%,业务分布30多个国家和地区。

下面分享一下南高齿发展历程,南高齿业务得到快速发展,截止目前我们累计向市场交付8万台齿轮箱,大约150多GW,产品分布1兆瓦到8兆瓦。下面分析当前全球海上风电齿轮箱技术路线。当前海上大兆瓦机型有24个设计,其中高速传动链有4个,最大兆瓦达到8兆瓦,中速度传动链最大达15兆瓦,持续有11个,最大功率达到12兆瓦,就是说高速传动链和半持续传动链采用齿轮箱的设计,占

机型的50%多。目前来看,高速和中速传动链和持续传动链各占半壁江山,并驾齐驱。

近两年海上风电异军突起,有15个中国风机制造商,相比于陆上风电,海上风电大兆瓦齿轮箱面临哪些挑战,首先海上风机受制于运输条件的限制,海上齿轮箱的维护、维修相对于陆上风电比较高,周期也比较长。海上防腐对齿轮箱提出较高的要求。同时,相对于陆上齿轮箱,海上齿轮箱业内还没有统一相关的标准,各个齿轮箱供应商依靠我们齿轮箱的制造经验,在设计成本这块,同陆上齿轮箱一样面临将本压力,与之不同海上齿轮箱高可靠性要求,同时也会增加一些额外的成本。

为了提升海上大兆瓦齿轮箱的可靠性,我们制定一系列可靠性解决方案,从设计流程的优化到平台化的设计,以及利用可靠性的计算仿真。同时,也针对海上机型制定了相应的设计规范和高要求的材料标准,针对海上的特殊应用工况,也设计了特殊的密封和可维护性的设计方案。同时,为了高可靠性也制定完善可靠性验证方案。

下面,详细的介绍一下。海上大兆瓦齿轮箱,我们是基于之前推出的系列化平台,基于平台开发我们可以大大缩短,就是降低整个齿轮箱全生命周期的成本,主要是利用平台化的规模效应,基于平台开发可以大大缩短产品上市时间,之前可能开发周期大于一年,现在通过平台化的开发可以缩短到7到8个月就可以上市。同时,在基于平台的验证也会相应更充分,在平台开发过程中也会不断对产品进行持续优化。总之,在应用平台开发可以使的产品具有更高的可靠性。

可靠性指的产品在规定条件、规定时间完成规定功能的能力,其实整个可靠性贯穿于我们整个产品的生命周期,从前期的市场分析到产品的开发、验证,以及进入批量的产品,可靠性设计在前期阶段我们是可以主动控制,在这个过程中其实我们可以通过一个小小的成本,就可以为我们带来可观可靠性收益。随着开发推进,可靠性有主动变为被动,后期的维修、保养成本会大幅度提高。我们采用是应力强度的干涉模型,通过分析以及产品可靠性的元素分布分析,包括计算出我们整个齿轮箱传动链的系统可靠性,这个可靠性达到内控标准的时候,我们才能够通过,如果达不到要求我们通过优化设计,来改善可靠性要素的分布,从而使的可靠性要求满足我们设计要求。

在产品开发过程中,FMEA应用大大提高可靠性,我们通8万台齿轮箱的应用和多年积累的经验,我们建立了完善的FMEA数据库,开发过程中将具体机型与数据库进行差异性分析,识别潜在的风险。

通过系统的功能分析,时效和影响分析,制定预防、探测和改进计划,通过早期预防提升产品的可靠性。

仿真计算也是提高可靠性重要途径,通过仿真计算我们对齿轮箱进行结构优化和关键特性的优化,主要是采取拓扑结构优化设计以及和试验相结合识别出特性,识别出进行优化,提高产品的可靠性。

齿轮和轴承是齿轮箱最为关键的零部件,我们根据风厂应用反馈,不断开发一系列解决方案,对于齿轮时效典型有点蚀和断齿,我们在选择高于国际标准。并且,我们会采用国际先进的碳酸检测技术对齿轮制造进行有效的保证。对于轴承典型的模式,我们解决方案采用管道技术,轴承防打滑采用结构设计,防止轴承外圈与箱体的磨损,对于轴承来说润滑也是关键的要素。在这些方案应用中,我们可以大大提高齿轮和轴承的可靠性。

关于润滑和密封方面的时效,风机长期处于空转,齿面会有摸索,齿轮外部渗漏油发生频次较高,我们将原来的外部油管与箱体集成,将漏油事件发生降低。由于是非接触式的密封,在密封会存在一定间隙,齿轮箱在高温会形成油污,油污溢出会在齿轮箱的外表面形成油污,这对齿轮箱外观也起到一定的影响,所以对此采用特殊的密封设计,从而提高齿轮箱的密封可靠性。

可维护性设计,也是提高海上大功率齿轮箱可控性重要途径,大功率齿轮箱高速级和平速级,我们采用塔上可优秀设计,通过结构优化设计内构件可检查通道,对塔上所有齿轮均可以内构建检查,可以提前预防主动维护。同时,我们可以根据传动链具体布局,设计专用的起吊工装,不需要采用吊机就可以进行维护。通过这些维护性设计,大大缩短了维修的时间,也降低了维修的成本。

在新品开发时会根据我们之前DFMEA策划来完善试验方案,比方说在空载以及在载荷状态下,空载状态下我们的实验方案五进行流量分配实验、空载润滑试验,以及低温试验、密封性能试验。对于密封性也需要在各种温度条件下进行验证。对于载荷实验主要采用应力实验和功能性实验。根据不同的工况、加速寿命实验和相应的破坏性实验。

这张图片是目前海上风电项目应用成功经验,我们从2014年开始已经进入海上风电市场,在之前3.6兆瓦、4兆瓦到后来的5兆瓦、6兆瓦、7兆瓦,现在已经进入批量量产阶段。我今天的报告就到这里,谢谢大家。

(以上内容根据速记整理未经嘉宾审核)

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