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NordexN43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27.2rpm。齿轮箱由德国制造，输出转速为转速1500rpm。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。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

2、速轴转动，齿轮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NordexN43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NordexN43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。8二、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

3、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。8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8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

4、。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个区域Ⅰ区和Ⅱ区，Ⅰ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

5、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

6、，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

7、：81、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。4．1扭矩低速轴扭矩:M1＝9549N／n1=9549×600／27.2＝210640N.m式中：n1为低速轴转速27.2rpm，N为功率600Kw高速轴扭矩:M2＝9549N／n2＝3820N.m式中：n2为转速1500rpm，N为功率600Kw因M1／M2＝n2／n1＝55.15，即M1>>M2，所以高速轴扭矩可忽略不计。图5：系统受力图4．2螺栓拉力当齿轮箱内部卡住成

8、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：8F1＋G＝F2M1≈（F1＋F2）L／2式中：F1，F2分别为两侧地脚螺栓受力L为两地脚螺栓孔距，取L≈1.5mG为齿轮箱自重因而：F1≈M1／L－G／2＝210640／1.5－41000／2＝119927NF1侧受拉，F2侧受压，正常工况下，F1应远小于地脚螺栓抗拉力。五、故障原因分析5．1刚体转动微分方程按照刚体动力学的理论，当齿