风力发电机组主传动系统的轴对中问题分析

 龙源（北京）风电工程技术有限公司 周世东

摘 要：风力发电机组的轴对中是风力发电机组安装和维护工作中的一项重要工作。目前，风力发电机组的轴对中工作主要指的是高速轴对中。风力发电机组的低速轴对中往往被人们忽视，并且低速轴对中偏差还会对高速轴对中产生一定的影响，因此对低速轴对中也应采取一定的措施。

关键词：高速轴对中；低速轴对中；平行偏差；角度偏差

引言

风力发电机组的主传动系统由主轴、齿轮箱、联轴器和发电机组成。我们通常说的风力发电机组的轴对中指的是机组主传动系统的高速轴对中，即齿轮箱高速轴与发电机的对中。机组的轴对中工作在安装和维护过程中都是一项非常重要的工作，如果轴对中超标会造成联轴器断裂，发电机或齿轮箱轴承损坏等故障。对中找正工作所用的时间中占整个机组维护工作时间的很大比例。机组维护工作过程中常常出现轴对中质量严重不合格等问题。

1 轴对中对风力发电机组的影响

几乎所有的旋转机械设备都有一根轴，如鼓风机、电机、压缩机、齿轮箱、泵等。不管这些轴的几何形状如何，在旋转过程中，总能产生一条回转中心线。所谓轴对中，就是主动设备和从动设备的回转中心线重合。风力发电机组主传动系统中的主轴与齿轮箱低速轴之间、齿轮箱高速轴与发电机轴之间也同样存在着轴对中问题。轴不对中分为平行不对中和角度不对中两种类型（如图1所示），通常的不对中为两种类型不对中的组合形式。

通过对运转机组的轴对中找正，使机组的各轴旋转中心线达到同轴的要求，消除各轴在联轴器处不应有的机械应力。使机组安装、检修后，各轴运转时仍能保持合理的对中状态，从而保证机械设备能长期、平稳地连续运转。实践证明，轴对中找正的质量，直接影响机器效能的发挥和使用寿命。如果机械设备各轴对中不合理，设备投产运转时会引起机器的振动以及轴承、联轴器等转动部件的磨损。风力发电机组的对中找正工作在机组安装、检修过程中占有非常重要的地位，是风力发电机组安装、检修工作的关键点之一。

2 风力发电机组轴对中的测量方法

图1 平行不对中和角度不对中

图2 机械法测量轴对中

风力发电机组中的轴对中，通常指齿轮箱高速轴与发电机旋转轴线的对中，对中的测量是在轴和联轴器上进行的，常用的测量方主要有以下三种：

图3 ： 使用对中工装测量轴对中

图4 百分表法测量轴对中

2.1 机械法

通常采用钢板尺和塞尺配合测量轴对中。用钢板尺边缘和塞尺配合测量两个半联轴器的高度差，确定平行偏差的方向和数量（见图2中1）；分别测量两个半联轴器之间180°方向两点间隙，确定角度偏差的方向和数量（见图2中2）。

在风力发电机组的轴对中过程中，由于两个联轴器法兰之间的距离较远，因此用此方法测量比较困难，误差也较大。因此设计专用工装，安装在齿轮箱侧半联轴器上，将齿轮箱高速轴延长，再用塞尺等量具测量工装与发电机轴之间的偏差。采用这种工装能减小测量难度及测量误差（如图3所示）。

2.2 百分表法

通过安装在主动端联轴器上的找正支架以及径向和轴向两块百分表，同时转动齿轮箱高速轴和发电机轴，从两块百分表分别读出平行偏差和角度偏差（如图4所示）。由于这种方式测量方便，精度高，在没有发明激光对中仪前，在机械行业被认为是轴对中的首选方法。

2.3 激光对中法

由于激光传输的直线性好，以及激光测量的精度高，利用激光束代替百分表的原理进行测量，具有测量方便、准确度高的特点。因此，激光对中法逐渐替代了百分表法，是目前风力发电机组轴对中的最常用方法（如图5所示）。

3 风力发电机组轴对中的调整

轴对中调整通常是通过调整发电机地脚进行调整的。根据测量的平行度和角度偏差值，以及联轴器和发电机地脚间的距离计算或估算出需要在发电机地脚上的调整量，往往需要经过多次测量和调整。由于激光对中仪测量精度高，并能精确计算出地脚的调整量，因此能明显提高轴对中的调整效率。

4 风力发电机组的轴对中标准

风力发电机组的轴对中精度要求通常由主机厂制定，不同厂家制定的标准也不尽相同，风力发电机组主要主机厂制定的轴对中标准如表1所示。

风力发电机组的轴对中除了在主机厂进行一次对中调整外，通常在现场吊装结束后还要重新进行一次对中调整。吊装后的二次对中是由于主机厂的对中过程中没有安装叶轮，现场吊装安装叶轮后，由于叶轮的重量载荷，齿轮箱高速轴的位置会发生变化，造成轴对中偏差。调整过程中通常需要将发电机高度调高。

风力发电机组在以后的运行过程中，通常每年检查一次轴对中，如果对中超过允许偏差值，需要重新调整。

图5 激光对中仪测量轴对中

表1 主要风力发电机组厂家高速轴对中偏差表

机组型号联轴器法兰端面距离平行偏差(水平方向)角度偏差(水平方向)平行偏差(垂直方向)角度偏差(垂直方向) GE1.5MW 690±0.5mm ±0.7mm ±0.09mm/100mm ±0.7mm ±0.09mm/100mm远景1.5MW 494±0.5mm -0.6∽-0.3 ±0.02mm/100mm 0.3∽0.6 ±0.02mm/100mm华锐1.5MW 650±0.5mm ±0.2mm ±0.02mm/100mm ±0.2mm ±0.02mm/100mm GAMESA 2MW 467.7±1mm ±0.5mm ±0.02mm/100mm ±0.5mm ±0.02mm/100mm VESTAS 2MW 430.7±1mm ±1.0mm ±0.15 mm/100mm ±1.0mm ±0.15mm/100mm

部分主机厂家的对中要求采用非对称公差要求，这些厂家的主传动系统（主轴、齿轮箱）采用力矩臂支撑结构，由于力矩臂采用弹性支撑，在机组带负荷运行过程中，弹性支撑会发生变形。由于叶轮顺时针方向旋转（面对叶轮方向），齿轮箱左部会稍微抬高一点，由于齿轮箱高速轴位于低速轴轴线的左侧，也会稍微抬高一点，因此为了保证发电机运行过程中的对中，发电机在调整过程中也会略调高一点。

表2 主要联轴器厂家对中偏差表

生产厂家轴向偏差径向偏差角度偏差适用机型KTR ±6mm ±15mm ±1.5° 1.5MW CENTA ±18mm ±10mm ±1 ° 1.5MW

图6 主轴与齿轮箱对接安装

图7 低速轴不对中引起的齿轮箱跳动测量

由于风力发电机组齿轮箱与发电机的连接采用弹性联轴器，弹性联轴器能补偿由于不对中产生的机械应力，但是联轴器的补偿毕竟是有限的，如果对中偏差过大，超过联轴器的最大补偿量，将首先造成联轴器的损坏。各种联轴器厂家对轴对中偏差值的要求，如表2所示。

注：联轴器厂家提供的角度偏差值单位与主机厂采用的单位不同，需要进行计算，才能进行比较。

通过以上量表可以看出，主机厂家要求的对中偏差比联轴器厂家要求的对中偏差要高很多。主要是由于主机厂家考虑到其它因素（机舱底盘变形、振动等）对高速轴对中的附加影响。

5 风力发电机组的低速轴对中

风力发电机组很少提到低速轴对中，主机厂也没有提供相应的低速轴对中检测要求和标准，由于主轴与齿轮箱通常采用涨紧套连接（属于刚性连接），靠主轴与齿轮箱轴的加工精度保证对中。但在实际装配过程中，由于装配工艺和操作等原因，也会造成较大的对中偏差。某主机厂在主轴与齿轮箱对接装配过程中，采用手拉葫芦的拉力将主轴插入齿轮箱低速轴（如图6所示）。由于采用一个手拉葫芦在主轴与齿轮箱之间施加了一个偏载的拉力，并且在涨紧套紧固后才松开手拉葫芦，引起安装过程中主轴与齿轮箱低速轴的对中偏差，最终造成试车过程中，齿轮箱在机舱上摆动，引起振动。

低速轴不对中引起的齿轮箱跳动，可以在齿轮箱箱体后端径向位置（见图7中1）和轴向位置（见图7中2）分别安装一块百分表进行测量。根据实测数据，兆瓦级以下机组跳动量在0.5mm以下，兆瓦级机组在1mm以下为合格。