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不同应用环境下对风力涡轮机变桨滑环的要求:陆上VS海上

BY NBG

不同应用环境下对风力涡轮机变桨滑环的要求:陆上VS海上  2024-07-20

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不同应用环境下风力发电机变桨滑环的要求:陆上 vs 海上




 

每台现代风力发电机的核心都有一个关键但常被忽视的部件:变桨滑环。这个机电部件是变桨系统中固定机舱与持续旋转叶片之间电力、控制信号和传感器信息传输的关键接口。其稳定运行至关重要,直接关系到叶片角度的精确调节,以实现能量收集最大化、保障结构稳定性,并在极端天气条件下实现安全停机。



陆上风力发电机变桨滑环.webp海上风力发电机变桨滑环.webp


 

变桨滑环(PSR)是贯穿旋转轮毂(及叶片)与固定机舱内控制系统的电力和信号生命线。二者面临的核心问题存在相似性,但由于运行环境差异极大,陆上与海上风电装置所用变桨滑环在设计、材料、性能及调试方面存在显著区别。




变桨滑环的作用解析



在探讨环境特异性要求之前,有必要先明确变桨滑环的关键作用:

1.电力传输:变桨滑环为安装在每个叶片根部的变桨电机提供大电流(通常为400伏交流电或690伏交流电,甚至更高),电机通过这些电力实现叶片的物理旋转。

2.信号传输:在叶片变桨控制器/传感器与机舱主控制器之间传输控制指令(CAN总线、以太网、模拟/数字I/O信号),并反馈叶片位置信息及故障消息。


3. 数据传输:处理叶片内嵌的多个传感器(应变片、温度传感器、雷电探测器等)传输的数据流。




    

环境冲击:陆上 vs 海上




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驱动变桨滑环需求差异的主要因素是海上环境更为恶劣。

 

序号

环境因素

陆上风电场

海上风电场

对变桨滑环设计的影响

1

腐蚀与污染物

灰尘、沙粒、花粉、工业污染、适度湿度,沿海地区偶尔有盐分。

持续盐雾、高湿度(通常>80%)、含盐水雾和海洋气溶胶。

海上:要求极高的耐腐蚀性(如316L/254 SMO等船用不锈钢,镍上镀金等特殊镀层),需气密封装防止盐分侵入。陆上:标准防腐处理通常足够(如钝化钢、镀镍);但密封对防尘仍至关重要。

2

湿度与冷凝

 

湿度随季节或地区变化较大。昼夜温差会导致冷凝。

 

持续高湿度(常见>80%相对湿度),空气中盐分饱和。水体上方昼夜温差小,减少机舱内冷凝循环(通常有气候控制),但外部暴露极端。

 

两者均需密封防止潮气侵入。海上:密封件必须承受持续盐分饱和环境。轮毂内部湿度控制至关重要。即使发生微量侵入,材料也需抵抗盐诱导降解。陆上:重点是防止冷凝积聚和灰尘与湿气混合物。

 

3

极端温度

 

 

 

范围广:视地点不同,可能为-40°C至+80°C。每日/季节性波动显著。

范围广:-40°C至+80°C,但高湿度使即使中等寒冷也更严酷。水体上方每日波动较小。

两者:均要求组件在工作温度范围内正常运行。陆上:较大的热循环会对材料和连接产生应力。海上:注重在潮湿、含盐环境中全温度范围内的性能稳定性。

4

振动与冲击

来自齿轮箱(如配备)、发电机、阵风及叶片旋转的显著机械振动。可能存在地面振动。

 

除上述来源外,还包括通过塔架传递的波浪运动。这增加了低频、高振幅的摇摆/振动。

 

海上:首要要求:极高可靠性(平均无故障时间>5-10年),最低维护需求(理想为"安装后无需维护"),诊断能力(预测性维护)。陆上:高可靠性仍至关重要,但一些计划性维护(如每1-2年清洁、检查)是可行的。

5

维护可达性

通过服务道路相对容易到达。起重机容易获取。停机成本高但可控。

极其困难,受天气影响大,需要专用船只,安全风险高。计划性维护窗口至关重要;非计划性故障代价极高。

海上:关键要求:调查:诊断 海上:首要需求:极高可靠性(平均无故障时间5-10年),最低维护需求(理想为安装后无需维护) 陆上:良好可靠性仍至关重要,但有限的系统性维护(如1-2年后清洁、检查)是可行的。

 

6

雷击风险

风险显著,特别是在某些地区。需要强大的防护措施。

风险同样显著,甚至更高,因暴露于开阔水域。盐沉积物可能改变雷击路径/影响。

两者:均需在变桨滑环组件内集成防雷保护和接地策略。海上:路径必须在腐蚀情况下仍保持有效。

 

  



 

关键要求:技术对比



这些不同的环境直接转化为变桨滑环的具体技术要求:

序号

要求

陆上变桨滑环

海上变桨滑环

1

防护等级(IP)

最低IP65(防尘,防低压喷水)。恶劣场所通常指定为IP66/IP67。

 

 

标准IP68/IP69K(防尘,可在压力下持续浸水,防高压/蒸汽清洁)。通常采用气密封装。

2

耐腐蚀性

 

标准防护:镀锌、镀镍、钝化处理。

 

 

必须为船用级:不锈钢或高镍含量特殊合金。

3

工作温度

 

通常为-40°C至+80°C

 

 

通常为-40°C至+80°C

 

4

耐湿性

 

必须能承受高湿度和冷凝。

 

 

必须能承受持续高湿度(高达100%相对湿度)和盐分饱和环境。密封件必须防止毛细作用。

5

抗振动/冲击

 

坚固设计,适应典型风机振动(如IEC 61400-1标准)。

 

增强坚固性,适应风机与波浪运动复合振动。更高的频率和振幅 tolerance。通常测试超出标准风机曲线。

6

电气性能

 

- 电流:每电路通常10-50A。

- 电压:400/690VAC,24/48VDC。

- 信号:CAN、以太网、模拟/数字I/O。

 

 

- 类似的电流/电压需求。

 

- 关键:尽管存在腐蚀,接触电阻仍需稳定(<5-10 mΩ)。

- EMI/RFI屏蔽:由于复杂海洋环境,要求通常更严格。

7

可靠性与平均无故障时间

 

高:预期>5-10年。

 

高:预期>5-10年。

 

 


 

结论

 



风力发电机变桨滑环是风机运行的关键部件,通过变桨控制实现叶片相关的 essential电力和信号传输。尽管其基本功能相同,即使实现旋转状态下的连接,但运行环境的不同导致了截然不同的工程解决方案。


陆上工作环境需要有效防护灰尘、湿度、温度波动和污染。海上环境则面临更严峻的挑战,需长期抵御持续的海水腐蚀、高湿度、振动,且由于维护成本极高,要求近乎完美的可靠性。



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