风电事故分析

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1、xx 风力发电股份有限公司风机失效分析技术报告一、概述xx 风力发电股份有限公司的 Nordex N43 型风机是由国外进口的风力发电机，其 3 片 风叶组的直径为43米，满负荷时的风轮转速为27.2 rpm。齿轮箱由德国制造，输出转速 为转速1500 rpm。发电机的功率为600kw。机组2000年投产，累计运行时间为20000余 小时。图 1 为风机系统工作简图。凤叶发电机刹车盘高速轴低速轴齿轮箱n图 1 ：风机系统工作简图风机系统主要由风轮、传动轴、齿轮箱、刹车盘、发电机等组成，齿轮箱其一端与 风轮低速轴相接，另一端通过联轴节与发电机转子相连。工作时，首先由风轮旋转带动低 速轴转动，齿轮

2、箱将风轮的较低转速放大到 1500rpm 左右的高转速，传递给发电机转子， 从而使发电机转子转动发电。xx 风力发电股份有限公司的一台编号为 B06 号的 Nordex N43 风机发生严重故障，齿 轮箱低速轴在靠近齿轮箱的变径处发生断裂，齿轮箱移位、齿轮箱地脚螺栓全部断裂。受 xx 风力发电股份有限公司委托，对 Nordex N43 风机事故进行原因分析,确定断裂 性质,查找断裂原因,为保障机组的安全运行提供依据。二、事故现场调查风机损坏情况非常严重。图 2 为齿轮箱损坏情况图，低速轴在与齿轮箱相连的变径处断裂，轴侧轴承、端盖破碎。各种传感器及连线损坏,内部供油管折断。图 2 ：齿轮箱损坏情

3、况图 3 为齿轮箱地脚螺栓损坏情况。齿轮箱向左前侧（在风叶侧面向电机）移位，两 侧地脚螺栓全部被拉断，其中左侧螺栓被震飞；齿轮箱被向后推移出 20 厘米左右。另外，发电机地脚螺栓垫片有一定程度的拱起，电机弹性支撑受拉向上变形，右侧 较严重,联轴节扭曲。图 3 ：齿轮箱地脚螺栓损坏情况三、宏观断口分析图 4 为低速轴断口宏观形貌，断口处于低速轴变径位置的圆弧转角处。图 4 ：低速轴断口宏观形貌对低速轴断口进行宏观检查，发现宏观断口呈结晶状，具有金属光泽，有明显的结 晶颗粒。断口周围没有明显的塑性变形，粗糙度较小。断面上未发现较大的缩孔、夹杂等 缺陷。根据断口的特征及取向，可将整个断口大致分为的两

4、个区域I区和II区，1区占大 部断面圆周，断口有金属光泽，占断口截面的90%，是开裂和扩展区；II区位于圆周外围 10%区域，有剪切唇，是由于承载不够而快速断裂，属于瞬断区，这部分断口占整个断口 的面积较小，断口表面有起伏。断口形貌是断裂过程的记录，形貌的差异反映材料的断裂类型和形成方式不同。同 一种材料会因应力、温度、环境等条件的变化，韧性、脆性断裂行为也会发生变化。如果 断口在断裂前有大量的塑性变形，断口就会呈纤维状，断口颜色为暗黑色。而低速轴断口 呈光亮的结晶状，没有明显的塑性变形，这说明低速轴断裂前受到极大瞬时扭矩的作用， 是在受到较大载荷作用下的瞬间断裂；加之部件尺寸较大，限制了塑性

5、变形区的发展，较 低的温度又使材料一定程度上脆化，所以在断裂后的断口上未留下显著的塑性变形痕迹， 而呈光亮的结晶状。由于大厚工件受到周围材料的约束，沿厚度方向不能自由变形，相对来说不容易出 现屈服，塑性区也就比较小。所以最先开裂的区域一般表现为较光滑的脆断形貌。当裂纹 扩展到一定程度后，应力已大于工件剩余截面的承受能力，形成断裂，此时的断面，表现 为粗糙的塑性断面。齿轮箱地脚螺栓断裂面有塑性变形，可断定不是疲劳断裂，而是所受载荷超过材料 强度极限，从而导致断裂。四、力学计算系统受力情况如图 5 所示。系统的主要驱动力来自风机叶轮转动，通过低速轴传向 齿轮箱，再经高速轴传到发电机。低速轴由两个主

6、轴承支撑，消除了 X 向， Y 向， Z 向移 动和X向，Z向转动5个自由度，只剩余Y向绕轴线转动自由度；这也就决定了主轴只能 向齿轮箱传递扭矩，不能传递其它力，也就是说，造成损坏的主要原因只能来自风机叶轮 传递的巨大扭矩。转子的受力情况。转子在运行中主要承受以下三种应力：1、传递功率产生的扭转应力；2、转子自重产生的交变弯曲应力；3、温度梯度和形变约束产生的热应力。前二者产生高周疲劳，后者产生低周疲劳41 扭矩低速轴扭矩:M =9549N/n =9549X600 / 27.2 = 210640 N.m 11式中：n为低速轴转速27.2 rpm,1N 为功率 600Kw高速轴扭矩:M =954

7、9Nn =3820 N.m22式中： n 为转速 1500 rpm，2N 为功率 600Kw因M /M =n /n =55.15，即M M，所以高速轴扭矩可忽略不计。1 2 2 1 1 2图 5 ：系统受力图42 螺栓拉力当齿轮箱内部卡住成一整体时，这时齿轮箱可作为一个刚性部件考虑，满足如下两个关系式：F + G = F12M (F +F ) L/21 1 2式中：F, F分别为两侧地脚螺栓受力12L为两地脚螺栓孔距，取L1.5mG 为齿轮箱自重因而：F /L-G/211= 210640 / 1.5 41000 / 2 = 119927 NF 侧受拉， F 侧受压，正常工况下， F 应远小于地

8、脚螺栓抗拉力。1 2 1五、故障原因分析51 刚体转动微分方程 按照刚体动力学的理论，当齿轮箱中某一部件突然卡死时，产生的瞬时扭矩远大于 工作扭矩，原因如下：止= m (F) = Mdtz ii=1式中：d3为角速度的变化率dt 为时间的变化率I为系统的转动惯量，1= JdmM1为刚体产生的瞬时冲击扭矩的代数和由上式可以看出：(1) 系统的转动惯量主要由叶轮的转动惯量组成。当齿轮箱卡死时，在很短的时间 dt内，转速3急剧下降，此时角加速度 =d3 /d t很大，转动惯量I为定值，两者相乘得到的瞬时扭矩M1远远超过工作扭矩M。转速3急剧下降的时间越快，产生的瞬时扭矩M11越大。(2) 由于地脚螺

9、栓受到的瞬时拉力 F 1=M1/ L-G/ 2，就会造成 F 1远大于正常工况 F1 1 1 的情况，超过螺栓的强度极限，引起螺栓断裂。(3) 瞬时扭矩M1低速轴正常工作扭矩M ,当超过低速轴的强度极限时，就会瞬间以 极大的速度使低速传动轴断裂。(4) 当齿轮箱发生严重卡死时，地脚螺栓受到的瞬时应力将会远远大于紧急停车时 的应力。地脚螺栓设计未考虑齿轮箱卡死的情况，螺栓的安全系数选取过小，这是螺栓断 裂的内因。52 失效过程分析通过查阅运行日志和有关资料，排除了运行中操作的原因和系统振动以及地脚螺栓 松脱的造成损坏的可能性。任何一个断裂过程都是由局部到整体的发展过程，本质上是裂 纹的生成和扩展

10、过程。从分析的结果看，推断故障发生的主要原因是：在齿轮箱到电机的 传动链中，某一环节发生抱死或卡死，由于风轮的巨大转动惯性的驱动，瞬间产生了强大 瞬时扭矩，超过齿轮箱左侧地脚螺栓抗拉极限，造成地脚螺栓断裂，齿轮箱移位，由此引 发连锁反应，形成了严重故障。不排除低速轴先断，由于断裂面不平而产生的轴向推力剪 断螺栓的可能性；当然，螺栓先断的可能性更大一些。发生卡死的部位应在齿轮箱内。在 卡死发生后，断裂应分为四个过程：首先，瞬时扭矩拉断最薄弱的左侧地脚螺栓，齿轮箱向上抬起，导致右侧螺栓断裂； 然后，在超过轴的承载能力的瞬时扭矩作用下，低速轴由于承载不够而断裂，端盖、 轴承被击碎；再后，低速轴断裂产

11、生的轴向推力和齿轮箱右侧支撑产生的反弹力作用下，齿轮箱 向左后侧移位；最后，通过联轴节牵拉电机，导致电机弹性支撑变形。这一切都在极短的时间内完 成。六、结论与建议(1) 低速轴断口呈光亮的结晶状，没有明显的塑性变形。低速轴受到了极大的瞬时 扭矩作用，产生瞬时断裂；(2) 齿轮箱地脚螺栓断裂面有塑性变形，可断定不是疲劳断裂，而是所受载荷超过 材料强度极限，从而导致地脚螺栓断裂；(3) 当齿轮箱中某一部件突然卡死时，产生了远大于工作扭矩的瞬时扭矩；(4) 根据 4.2 力学计算知，地脚螺栓设计未考虑齿轮箱卡死的情况，螺栓的安全系 数选取过小，这是螺栓断裂的内因，属设计问题，是系统的薄弱环节。因齿轮箱只有四个 螺栓固定，发生故障情况下固定力矩明显不足，应考虑采取改造措施加强地脚螺栓的固定， 提高安全系数，防止齿轮箱移位破坏发电机；(5) 加强巡视，如发现齿轮箱有异常情况时，应及时停机检修；(6) 对于齿轮箱低速轴、叶轮、齿轮这类高速转动部件，在使用前及机组检修期间， 建议要做检查，以便及早发现缺陷，避免设备损坏事故发生，减少经济损失；(7) 建议针对齿轮箱的卡死问题，继续做进一步的深入研究。七、参考文献