風(fēng)力發(fā)電機傳動系統(tǒng)的設(shè)計doc

1、 學(xué)號 密級 公開 xxxxxxxxx 本科生畢業(yè)設(shè)計本科生畢業(yè)設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機傳動系統(tǒng)的設(shè)計 學(xué)院名稱：培黎工程技術(shù)學(xué)院 專業(yè)名稱：機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名：馬 指導(dǎo)教師：同 教授 二一三年五月BACHELORS DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYDesign of Transmission System of Wind Power Generator College : School of Bailie Engineering & TechnologySubject : Mechanic Design Manufacturing and

2、Automation Name : Ma Directed by : Professor Tong ChanghongMay 2013鄭重聲明鄭重聲明本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，傳動系統(tǒng)是風(fēng)電機組的核心系統(tǒng)，而齒輪箱又為雙饋式風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)的核心部件，備受國

3、內(nèi)外風(fēng)電行業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)齒輪箱的研究起步晚，技術(shù)薄弱，尤其在目前兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機中，其屬于易過載和過早損壞率較高的部件，且易出故障。與之相對應(yīng)的，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機具備低風(fēng)速時高效率、低噪音等優(yōu)點，但直驅(qū)式發(fā)電機組在風(fēng)力發(fā)電越來越大型化發(fā)展的今天，其過于龐大的低速發(fā)電機運輸、吊裝困難，制造成本較高。二者相比較，考慮到結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟問題，我們就不得不重新思考如何提高齒輪箱的傳動效率，從而提高傳動系統(tǒng)的傳動效率。本文在對風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、原理深入了解、研究的基礎(chǔ)上，對其傳動系統(tǒng)的齒輪增速系統(tǒng)進行自主設(shè)計。先確定齒輪箱的傳動型式，選取一級行星和兩級平行定軸傳動方案，再分配傳動比，通過計算，

4、確定各齒輪齒數(shù)，并對其進行接觸強度校核，結(jié)果符合安全要求。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機；傳動系統(tǒng)；直驅(qū)式；雙饋式；齒輪增速箱ABSTRACTThe fast development of wind power industry helps to bring about booming of wind power equipment manufacturing business. Transmission system is the core of the wind turbine system and gear box, concerned by the wind power industry a

5、nd research institutions at home and abroad, is the core component of doubly-fed wind turbine transmission system. But as a result of the research of domestic gear box started late and technology is weak, especially in the megawatt wind turbine, it belongs to easy to overload and high rates of prema

6、ture failure parts and is easy to out of order. And at the same time, direct drive wind turbines is with the advantages of high efficiency and low noise when low wind speed, but direct drive wind power generator in more and more large-scale development today, low-speed generator is too large to tran

7、sport and hoist and the manufacturing cost is higher. After compared with them, considering the structure and the economic problems, we are going to have to rethink how to improve the transmission efficiency of gear box, so as to improve the transmission efficiency of transmission system.On the basi

8、s of deep understanding the structure and principle of wind turbine, i have been doing an independent design about gear growth system of wind turbine transmission system and it is presented in this paper.Firstly, determine the transmission type of the gear box, select level of planets and two level

9、parallel fixed axle transmission scheme, distribute transmission ratio, through calculation, determine the gear teeth, and contact strength check, the result is in conformity with the safety requirements.Keyword: wind driven generator; drive system; direct drive; doubly-fed; step-up gear box目 錄第 1 章

10、 緒論.11.1 風(fēng)力發(fā)電機研究的背景及其意義.11.1.1 風(fēng)力發(fā)電機研究的背景 .11.1.2 風(fēng)力發(fā)電研究的意義 .11.2 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的過程、現(xiàn)狀及趨勢.21.2.1 風(fēng)力發(fā)電初創(chuàng)時期 .21.2.2 風(fēng)力發(fā)電徘徊發(fā)展期 .21.2.3 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及趨勢 .31.2.4 我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的問題 .41.3 本文研究的主要內(nèi)容.5第 2 章 風(fēng)力發(fā)電機組的組成和驅(qū)動結(jié)構(gòu)型式.62.1 概述.62.2 風(fēng)力發(fā)電機組的組成與結(jié)構(gòu).72.3 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)型式.102.3.1 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機 .102.3.2 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機 .112.3.3 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機

11、的特性比較 .12第 3 章 風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)設(shè)計 .143.1 傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).143.2 風(fēng)力發(fā)電機傳動系統(tǒng)布置型式及其特點比較.143.3 增速齒輪箱傳動系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)型式及分析.153.4 增速齒輪箱傳動系統(tǒng)設(shè)計.173.4.1 設(shè)計的主要內(nèi)容 .173.4.2 齒輪增速傳動系統(tǒng)設(shè)計 .193.4.2.1 傳動比的分配.203.4.2.2 行星齒輪選用滿足的幾何條件.203.4.2.3 傳動部分參數(shù)計算.203.4.2.4 齒輪參數(shù)確定.213.4.3 箱 體 .303.4.4 齒輪箱的冷卻和潤滑 .313.4.5 齒輪箱的使用及其維護 .313.5 聯(lián)軸器的選用.32總結(jié)與展望

12、.33參考文獻 .34致謝 .35附錄 .360第 1 章 緒論1.1 風(fēng)力發(fā)電機研究的背景及其意義1.1.1 風(fēng)力發(fā)電機研究的背景風(fēng)能是一種可再生的自然資源，是太陽能的轉(zhuǎn)化形式,具體指的是太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均勻，從而使空氣沿水平方向運動，空氣流動所形成的動能。據(jù)統(tǒng)計，地球上的風(fēng)能理論蘊藏量約為 2.741015MW,可開發(fā)利用的風(fēng)能為 2.109MW，是地球水能的 10 倍，只要能夠使用地球上 1%的風(fēng)能就能滿足全球能源的需要。風(fēng)能是人類利用歷史悠久的能源和動力之一，風(fēng)能利用主要包括風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)帆助航、風(fēng)車提水、風(fēng)力磨坊、風(fēng)力鋸木等。人類對于風(fēng)能的利用已有

13、千年的歷史，風(fēng)能最早的利用方式是“風(fēng)帆行舟” 、利用“方格形風(fēng)車” （Panemon）來帶動石磨磨谷等。12 世紀，風(fēng)車從中東傳入歐洲。據(jù)認為，是班師的十字軍將風(fēng)車的概念和設(shè)計帶到了歐洲，風(fēng)力和水力很快就在中世紀的英格蘭成了機械能的主要來源。今天，荷蘭人將風(fēng)車視為國寶，北歐國家保留的大量荷蘭式的大風(fēng)車，已成為人類文明是的見證。如 1895 年，丹尼爾哈利戴開始發(fā)展了后來演變成鼎鼎有名的“美國農(nóng)場風(fēng)車” 。在今天，假如沒有這種風(fēng)車，那么在美國、阿根廷和澳大利亞的許多地區(qū)，牲畜的牧場飼養(yǎng)也不是不可能的。19 世紀末，丹麥人首先研制了風(fēng)力發(fā)電機。1891 年丹麥建成了世界第一座風(fēng)力發(fā)電站。到 197

14、3 年發(fā)生石油危機后，風(fēng)力發(fā)電進入了一個蓬勃發(fā)展的階段，在世界不同地區(qū)建立了許多大、中型的風(fēng)電場。同時，氣候的變化也推動了風(fēng)電技術(shù)的進一步升溫。預(yù)計到 21 世紀中葉，風(fēng)能將會成為世界能源供應(yīng)的支柱之一，成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的主要動力源1。1.1.2 風(fēng)力發(fā)電研究的意義從我國來看，改革開放以來,由于我國的經(jīng)濟增長基本建立在高消耗，高污染的傳統(tǒng)發(fā)展模式上,出現(xiàn)了比較嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞,環(huán)境與發(fā)展的矛盾日益突出。再加之不斷增加的人口因素 ,這一切最終的結(jié)果是資源相對短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境容量不足，這也逐漸成為中國發(fā)展中的重大問題。從世界范圍內(nèi)來看，風(fēng)力發(fā)電作1為無污染的可再生能源隨著世界

15、范圍內(nèi)石油、煤炭儲量的不斷減少和燃用石油、煤炭等對環(huán)境污染產(chǎn)生嚴重影響。因此，節(jié)約能源，提高能源利用率，大力開發(fā)使用新能源和可再生能源，逐步以潔凈能源替代礦物燃料，是我國能源建設(shè)與發(fā)展應(yīng)遵循的原則，也是實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要組成部分，對于環(huán)境保護和增加能源供應(yīng)有著積極作用。此種情況下風(fēng)能的利用受到人們的關(guān)注，但我國的風(fēng)力發(fā)電機大多引進國外整套設(shè)備，從中國大范圍、持久開發(fā)風(fēng)能的需要來看，單純依賴國外進口風(fēng)機絕不是根本出路。只有在引進國外先進技術(shù)的同時發(fā)展我們自己的風(fēng)機制造業(yè)，才是百年大計，才能保證不會面臨淘汰的危險。因此研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力發(fā)電機具有十分重大的意義?？傊l(fā)展風(fēng)電技術(shù)

16、，對于緩解能源危機,保護環(huán)境，發(fā)展國民經(jīng)濟具有深遠的意義。1.2 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的過程、現(xiàn)狀及趨勢1.2.1 風(fēng)力發(fā)電初創(chuàng)時期風(fēng)力發(fā)電初創(chuàng)時期從 18871888 年冬到二十世紀 30 年代初開始，主要代表有美國人布拉什安裝了一臺被現(xiàn)代人認為是第一臺自動運行的且用于發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機，以及 1891 年，丹麥人拉庫爾（LaCour）教授設(shè)計建造了世界上第一座風(fēng)力發(fā)電試驗站，采用蓄電池充、放電方式供電，獲得成功，并得到推廣應(yīng)用。1897 年，LaCour 教授發(fā)明了快速轉(zhuǎn)動、葉片數(shù)少的風(fēng)力發(fā)電機，在發(fā)電時比低轉(zhuǎn)速的風(fēng)力發(fā)電效率高得多，如圖 1.1。到小容量的風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并得到廣泛的

17、推廣和應(yīng)用。 圖 1.1 四葉片直流風(fēng)力發(fā)電 圖 1.2 Gedser 風(fēng)力發(fā)電機21.2.2 風(fēng)力發(fā)電徘徊發(fā)展期從 20 世紀 30 年代初到 60 年代末，為風(fēng)力發(fā)電的第二個階段。此時風(fēng)力發(fā)電處于徘徊時期。比如,丹麥在風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)方面研究比較深入，取得了很多成果。1942 年，丹麥F.L.Smidth 公司在 Bobo 島安裝了一批兩葉片和三葉片的風(fēng)機，這些風(fēng)機（與它們的前輩一樣）發(fā)的是直流電，如圖 1.2,最具代表性的是蓋瑟（Gedser）風(fēng)力發(fā)電機組。創(chuàng)新的 200kW 蓋瑟風(fēng)力發(fā)電機在 19561957 年由 Johannes Juul 為 SEAS 電力公司建成，風(fēng)機安裝在丹麥南

18、部的蓋瑟海岸。三葉片，上風(fēng)向，帶有電動機械偏航和異步發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電機是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計先驅(qū)。這臺風(fēng)力機是失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機，JohannesJuul 發(fā)明了緊急氣動葉片尖剎車，在風(fēng)力機過塑是通過離心力的作用解放。基本上與現(xiàn)代失速型風(fēng)力發(fā)電機上使用著相同的系統(tǒng)。這臺風(fēng)力發(fā)電機，在隨后的很多年一直是世界上最大的。它在無需維護的情況下，運行了 11 年。同樣的，法國、英國、德國在這一時期對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)都取得了一些進展，但仍由于一些客觀技術(shù)原因的存在，仍沒有將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展到對于當時來說的最大化。如前所述，為了找到更加廉價的能源，世界各國對風(fēng)力發(fā)電寄予厚望，也投入了大量的人力、物力、財力，研制成

19、功了一些大型風(fēng)力發(fā)電機，取得了一些經(jīng)驗，但在20 世紀 60 年代初，由于石油價格降低，風(fēng)力發(fā)電在造價和穩(wěn)定可靠性方面遠競爭不過火力發(fā)電，所以風(fēng)力發(fā)電的研究又停滯下來 1。1.2.3 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及趨勢隨著國際社會能源緊缺壓力的不斷增大，環(huán)境問題日益嚴重化，風(fēng)力發(fā)電得到了高度的重視。二十多年來，風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用規(guī)模越來越廣。其中我國增長最快，維持 100%的增速，當年吊裝完成 1400 萬千瓦，比 2008 年增加了 760 萬千瓦，同比增長 120%；歐盟實現(xiàn)裝機容量 1056 萬千瓦，同比增長 17%；美國凈增 992 萬千瓦，同比增長 19%。根據(jù)全球風(fēng)能理事會的統(tǒng)計，截止到 2

20、010 年12 月，2010 年全球風(fēng)能新增裝機 3850 萬千瓦，累計裝機 19440 萬千瓦，同比 2009 年（15870 萬千瓦）增長了 22.5%。2010 年新增風(fēng)電投資近 473 億歐元（650 億美元） 。從風(fēng)電發(fā)展的區(qū)域分布區(qū)域來看，2010 年歐洲、亞洲、北美仍分居世界三甲，32010 年底的裝機容量分別達到 8756 萬千瓦、5828 萬千瓦合 4699 萬千瓦。歐洲雖然仍居首位，但是與亞洲、北美的差距正在縮小，我國風(fēng)電新增容量超過歐盟。業(yè)內(nèi)人士普遍估計，到 2010 年三大風(fēng)電裝機容量將基本持平。從國別來看，我國以累計裝機容量 4478 萬千瓦穩(wěn)居首位，美國以 4027

21、 萬千瓦的裝機容量位居第二，德國以 2736 萬千瓦的容量位居第三，西班牙和印度位居第四和第五，累計裝機容量分別 2030 萬千瓦和1297 萬千瓦。進入前十名的還有法國（596 萬千瓦） 、英國（586 萬千瓦） 、意大利（579 萬千瓦） 、加拿大（401 萬千瓦） 、和葡萄牙（383 萬千瓦） ，詳見圖 1.3。圖 1.3 2010 年全球風(fēng)電裝機排名前十的國家總之,隨著各國政策的傾斜和科技的不斷進步,世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速,展現(xiàn)出了廣闊的前景。未來數(shù)年世界風(fēng)力發(fā)展的趨勢可能如下發(fā)展:(1) 風(fēng)力發(fā)電從陸地向海面拓展。 (2) 單機容量進一步增大單機容量為 5 MW 的風(fēng)機已經(jīng)進入商業(yè)化運

22、行階段。 (3) 在技術(shù)上,經(jīng)過不斷發(fā)展,世界風(fēng)力發(fā)電機組逐漸形成了水平軸、三葉片、上風(fēng)向、管式塔的統(tǒng)一形式.進入 21 世紀后,隨著電力電子技術(shù)、微機控制技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展,世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了飛速發(fā)展,主要體現(xiàn)在: 1) 變槳距功率調(diào)節(jié)方式迅速取代定槳距功率調(diào)節(jié)方式。2) 變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式。3) 無齒輪箱系統(tǒng)的直驅(qū)方式增多。(4) 風(fēng)力發(fā)電機組更加個性化。(5) 從事風(fēng)力發(fā)電的隊伍進一步擴大2。1.2.4 我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的問題雖然目前我國的風(fēng)電發(fā)展速度非常快, 但與發(fā)達國家相比, 主要存在以下問題:41國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)量不足, 很大一部分核心設(shè)備主要從國外進口

23、, 采購價格較高; 同時某些技術(shù)瓶頸也使生產(chǎn)成本增加, 故風(fēng)力發(fā)電的能源價格居高不下。2從發(fā)電量因數(shù)的比較可以看出, 我國的發(fā)電量因數(shù)還不到世界的一半, 這就意味著我國風(fēng)力發(fā)電機的安裝量和發(fā)電量嚴重不成比例。3我國近海的風(fēng)能資源比陸上豐富, 具有更高、更穩(wěn)定的風(fēng)速; 與陸上相比, 可提供的能量超過 120%140%以上, 故海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展在我國未來非常重要。但是, 我國的海上風(fēng)電發(fā)展已慢于世界其他國家, 且在技術(shù)研發(fā)方面也有不小的差距。1.3 本文研究的主要內(nèi)容風(fēng)力發(fā)電機依據(jù)有無齒輪箱分為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機和雙饋式風(fēng)力發(fā)電機以及介于二者之中的半直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機。而當前風(fēng)電技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展主要

24、呈現(xiàn)大型化、變速運行、變槳距、無齒輪箱等特點。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機，由于極對數(shù)小，因而結(jié)構(gòu)比較簡單，體積小，但是由于需要齒輪增速箱，因此傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，齒輪箱設(shè)計、運行維護復(fù)雜，容易出故障。直驅(qū)風(fēng)電機組的風(fēng)輪直接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，不需要齒輪箱增速，從而提高了傳動效率和可靠性，減少了故障點，但是直驅(qū)式機組的發(fā)電機極對數(shù)高，體積比較大，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。所以本文在基于對二者優(yōu)缺點的對比中，取長補短進行對傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，即對雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的增速齒輪箱進行設(shè)計，使傳動系統(tǒng)既具有雙饋式的增速作用，又能夠具備直驅(qū)式的高的傳動效率。5第 2 章 風(fēng)力發(fā)電機組的組成和驅(qū)動結(jié)構(gòu)型式2.1 概述風(fēng)力發(fā)電機

25、的功能是將風(fēng)輪獲取的空氣動能轉(zhuǎn)換成機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為電能，輸送到電網(wǎng)中。對風(fēng)力發(fā)電機組的基本要求是在風(fēng)電場所處的氣候和環(huán)境條件下長期安全輸送，以較低的成本獲取最大的年度發(fā)電量。圖 2.1 為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備示意。如圖所示機械傳動、偏航、液壓、制動、發(fā)電機和控制等系統(tǒng)大部分都裝在機艙內(nèi)部，機艙外伸部分則是輪轂支撐的風(fēng)輪。偏航系統(tǒng)直接安裝在機艙底部，機艙通過偏航軸承與偏航機構(gòu)連接，并安裝在塔架上，可隨時根據(jù)風(fēng)向變化調(diào)整迎風(fēng)風(fēng)向3。圖 2.1 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備示意風(fēng)電機組的主要部件布置要使得機組在運行時，機頭（機艙與風(fēng)輪）中心與塔架中心相一致，整個機艙底部與塔架的連接應(yīng)能抵御風(fēng)輪對塔架造成的動力負載與

26、疲勞負載作用。機艙外殼是玻璃纖維和環(huán)氧樹脂制造的機艙罩，具有低成本、重量輕、強度高的特點，能有效地防雨、防潮和抵御鹽霧、風(fēng)沙的侵蝕。圖 2.2 是上風(fēng)向、三葉片、水平軸、變槳變速帶齒輪箱的兆瓦級風(fēng)電主流結(jié)構(gòu)。風(fēng)電機的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量，通過輪轂、主軸、齒輪箱的高速軸和柔性聯(lián)軸器送到發(fā)電機。之所以使用齒輪箱，是為了將風(fēng)輪上的低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩能量，轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機6上的高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的能量，這樣就可以使用就結(jié)構(gòu)較小的普通電機發(fā)電。如果不使用齒輪增速箱，在很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下只能用一個技術(shù)較多的發(fā)電機，而用發(fā)電機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量與轉(zhuǎn)矩大小成正比例，這樣的發(fā)電機將非常龐大和笨重。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機就是沒有齒輪增速箱，由

27、風(fēng)輪直接驅(qū)動發(fā)電機，亦稱無齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機，如圖 2.3 所示。 圖 2.2 風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)圖 圖 2.3 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)2.2 風(fēng)力發(fā)電機組的組成與結(jié)構(gòu) 如圖 2.1 所示，風(fēng)力發(fā)電機組是由風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制與安全系統(tǒng)、機艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。該機組通過風(fēng)力推動葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過傳動系統(tǒng)增速來達到發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，有效的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。其工作過程流程圖如圖 2.4。風(fēng)風(fēng) 能能 機械能機械能 機械能機械能 電能電能圖 2.4 風(fēng)力發(fā)電機的工作過程1風(fēng)輪風(fēng)力機區(qū)別于其他機械的最主要特征就是風(fēng)輪。風(fēng)輪一般由 23 個葉片和輪轂組成，其主要

28、功能就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能。普通風(fēng)力機從審美觀點看一般三葉片更令人滿意。葉片是吸收風(fēng)能的單元，用于將空氣的動能轉(zhuǎn)換為葉輪轉(zhuǎn)動的機械能。葉輪的轉(zhuǎn)動是風(fēng)作用在葉片上產(chǎn)生的升力導(dǎo)致。風(fēng)風(fēng) 輪輪傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機機7輪轂是風(fēng)輪的樞紐，也是葉片的根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳到風(fēng)力機驅(qū)動的對象。同時輪轂也是控制葉片槳距（是葉片做俯仰轉(zhuǎn)動）的所在。圖 2.5 輪 轂 2傳動系統(tǒng)葉輪產(chǎn)生的機械能由機艙里的傳動系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機,風(fēng)力機的傳動系統(tǒng)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸器、制動器和安全過載保護裝置等組成。齒輪用于增加葉輪轉(zhuǎn)速,從 20 到 50

29、r/min 增速到 1000 到 1500r/min,驅(qū)動發(fā)動機。齒輪箱有兩種:平行軸式和行星式。但有些風(fēng)力機的輪轂直接連接到齒輪箱上，不需要低速傳動軸。還有些風(fēng)力機（特別是小型風(fēng)力機）設(shè)計成無齒輪箱的，風(fēng)輪直接連接發(fā)電機。傳動系統(tǒng)要按輸出功率和最大扭矩載荷來設(shè)計。3偏航系統(tǒng)（對風(fēng)裝置）偏航系統(tǒng)主要有兩個作用：其一是風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電效率；其二是提供必要的緊縮力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行。偏航系統(tǒng)工作原理：風(fēng)向標作為感應(yīng)元件，對應(yīng)每一個風(fēng)向都有一個相應(yīng)的脈沖輸出信號，通過偏航系統(tǒng)軟件確定旋轉(zhuǎn)方向和偏航

30、角度，風(fēng)向標將風(fēng)向變化用脈沖信號傳遞到偏航點擊的控制回路的處理器里，經(jīng)過偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟件比較后處理給偏航電機發(fā)出順時針或逆時針的偏航命令，為了減少偏航時的陀螺力矩，風(fēng)機轉(zhuǎn)速將通過同軸連結(jié)的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上，帶動風(fēng)輪偏航對準風(fēng)向，當對風(fēng)完成后，風(fēng)向標失去電信號，電機停止工作，偏航過程結(jié)束。4液壓和制動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的主要功能是向制動系統(tǒng)或液壓、伺服變槳距控制系統(tǒng)的工作油缸提供壓力油，由電動機、油泵、油箱、過濾器、管路及各種液壓閥組成。制動系統(tǒng)主要分為空氣動力制動和機械制動兩部分。5發(fā)電機 發(fā)電機是將葉輪轉(zhuǎn)動的機械動能轉(zhuǎn)換為電能的部件。齒輪箱高速軸和發(fā)電機軸通過柔性聯(lián)軸器

31、連接，發(fā)電機通過四個橡皮減震器與機艙底盤連接，這種結(jié)構(gòu)可以有效8地降低發(fā)電機噪聲。風(fēng)電機組要求發(fā)電機在負荷相對較低的情況下，仍保持有較高的效率，因為風(fēng)電機組大多數(shù)時間內(nèi)在較低風(fēng)速下運行。風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)包括發(fā)電機、變流器、水循環(huán)裝置（水泵、水箱）或空冷裝置。常見的發(fā)電機由異步發(fā)電機和同步發(fā)電機兩種。6控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)利用微處理機，邏輯程序控制器或單片機通過對運行過程中輸入信號的采集、傳輸、分析，來控制風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速和功率，如發(fā)生故障或其他異常情況能自動地檢測并分析確定原因，自動調(diào)整排除故障或進入保護狀態(tài)。其主要任務(wù)是自動控制風(fēng)電機組運行，依照其特性自動檢測故障并根據(jù)情況采取相應(yīng)的措施。主要包括控

32、制和檢測兩部分。根據(jù)風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)和載荷狀況、風(fēng)況、變槳變速特點及其他外部條件，將組的運行情況主要分為以下幾類：待機狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)、大風(fēng)停機方式、故障停機方式，人工停機方式和緊急停機方式。7機艙機艙的布置應(yīng)遵循以下原則：(1) 操作和維修方便。(2) 功能效率要求高。(3) 盡量保持機艙靜平衡，使機艙的重心位于機艙的對稱面內(nèi)，在塔架與風(fēng)輪之間偏塔架軸線一方。這樣便于吊具設(shè)計、機艙吊裝，并有利于偏航回轉(zhuǎn)裝置負載均勻。圖 2.6 機艙布置圖1輪轂 2增速 3機艙罩 4聯(lián)軸器 5電控系統(tǒng) 6發(fā)電機 7冷卻器 8泵站9偏航驅(qū)動 10偏航制動 11偏航軸承 12底座 13彈性底座 14葉片8塔架與基礎(chǔ)塔

33、架是支持風(fēng)輪、發(fā)電機等部件的架子，還承受風(fēng)向風(fēng)力機和塔架的風(fēng)壓及風(fēng)力9機運行中的動載荷。塔架不僅要有一定的高度，使風(fēng)力機處于較為理想的位置上（及渦流影響較小的高度）運轉(zhuǎn)，還必須具有足夠的疲勞強度，能承受風(fēng)輪引起的振動載荷，包括啟動和停機的周期性影響、突風(fēng)變化、塔影效應(yīng)等。風(fēng)力機組的基礎(chǔ)通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)情況設(shè)計成不同的形式。其中心預(yù)置與塔架連接的基礎(chǔ)件，以便將風(fēng)力發(fā)電機組牢牢固定在基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)周圍還要設(shè)置與防雷機的接地系統(tǒng)3。2.3 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)型式風(fēng)力發(fā)電機依據(jù)傳動系統(tǒng)有無齒輪箱分類，分為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機和雙饋式風(fēng)力發(fā)電機。下面主要以按照有無齒輪箱，研究直驅(qū)式與雙饋式

34、風(fēng)力發(fā)電機的工作特性，其中主要以雙饋式為主。雙饋式變槳變速恒頻技術(shù)的主要特點是采用了風(fēng)輪可變速變槳運行，傳動系統(tǒng)采用齒輪箱增速和雙饋異步發(fā)電機并網(wǎng)，而直驅(qū)式變速變槳恒頻技術(shù)采用了風(fēng)輪與發(fā)電機直接耦合的傳動方式，發(fā)電機多采用多極同步電機，通過全功率變頻裝置并網(wǎng)。直驅(qū)技術(shù)的最大特點是可靠性和效率都進一步得到了提高。還有一種介于二者之間的半直驅(qū)式，由葉輪通過單級增速裝置驅(qū)動多極同步發(fā)電機，是直驅(qū)式和傳統(tǒng)型風(fēng)力發(fā)電機的混合。2.3.1 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機，是一種由風(fēng)力直接驅(qū)動發(fā)電機，亦稱無齒輪風(fēng)力發(fā)動機，這種發(fā)電機采用多極電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。由于齒輪

35、箱是目前在兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機中屬易過載和過早損壞率較高的部件，因此，沒有齒輪箱的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)動機，具備低風(fēng)速時高效率、低噪音、高壽命、減小機組體積、降低運行維護成本等諸多優(yōu)點。直接驅(qū)動式變速恒頻（DDVSCF）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖 2.7 所示，風(fēng)輪與同步發(fā)電機直接連接，無需升速齒輪箱。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、幅值均變化的三相交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷?，然后通過逆變器變換為恒幅恒頻的三相交流電并入電網(wǎng)。通過中間電力電子變流器環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤，最大效率利用風(fēng)能。 與雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點在于：10（1）傳動部件的減少，提高了風(fēng)力發(fā)電

36、機組的可靠性、能源利用率和生產(chǎn)周期縮短；（2）變速恒頻技術(shù)的采用提高了風(fēng)電機組的效率；（3）機械傳動部件的減少降低了風(fēng)力發(fā)電機組的噪音、提高了整機效率； （4）可靠性的提高降低了風(fēng)力發(fā)電機組的運行維護成本，維修工作量也大大降低了；（5）利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)可以實現(xiàn)對電網(wǎng)有功功率無功功率的靈活控制；（6）發(fā)電機與電網(wǎng)之間采用全功率逆變流器輸出功率完全可控，使發(fā)電機與電網(wǎng)之間的相互影響減少，電網(wǎng)故障時對發(fā)電機的損害較小。其缺點在于：(1) 由于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組沒有齒輪箱，低速風(fēng)輪直接與發(fā)電機相連接，各種有害沖擊載荷也全部由發(fā)電機系統(tǒng)承受，對發(fā)電機要求很高。(2) 為了提高發(fā)電效率，發(fā)電機的極數(shù)非

37、常大，通常在100極左右，發(fā)電機的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，體積龐大，需要進行整機吊裝；(3) 由于全功率連接，使得功率變換器造價昂貴，控制復(fù)雜；(4) 用于直接驅(qū)動發(fā)電的發(fā)電機，工作在低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，電機設(shè)計困難、極數(shù)多、尺寸大造成體積大、造價高、運輸、安裝困難。圖2.7 直接驅(qū)動式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖42.3.2 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機雙饋型發(fā)電機又被人們稱之為交流勵磁發(fā)電機。雙饋型風(fēng)電機組中，為了讓風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速相匹配，必須在風(fēng)輪和發(fā)電機之間用齒輪箱來聯(lián)接，這就增加了機組的總成本；而齒輪箱噪音大、故障率高、需要定期維護，并且增加了機械損耗；機組中采用的雙向變頻器結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜；電刷和滑環(huán)間也

38、存在機械磨損。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組的特點是采用了多級齒輪箱驅(qū)動有刷雙饋式異步發(fā)電機。它的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小，重量輕，體積小，變流器容量小，但齒輪箱的運行維護永磁同步發(fā)電機電容電網(wǎng)風(fēng)力機整流器逆變器11成本高且存在機械運行損耗。雙饋感應(yīng)發(fā)電機組是具有定、轉(zhuǎn)子兩套繞組的雙饋型異步發(fā)電機（DFIG） ，定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過電力電子變換器與電網(wǎng)相連，如圖 2.8 所示。在風(fēng)力發(fā)電中采用交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電方案，可以獲得以下優(yōu)越的性能：(1) 調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率可以在不同的轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電，滿足用電負載和并網(wǎng)的要求，即變速恒頻運行。這樣可以從能量最大利用等角度去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，提高發(fā)電機組的經(jīng)濟效益。(

39、2) 調(diào)節(jié)勵磁電流的有功分量和無功分量，可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率和無功功率。這樣不但可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，補償電網(wǎng)的無功需求，還可以提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。(3) 由于采用了交流勵磁，發(fā)電機和電力系統(tǒng)構(gòu)成了“柔性連接” ，即可以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確的調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓，使其能滿足要求。(4) 由于控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，而流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，它僅僅是額定功率的一小部分，這樣就大大降低了變頻器的容量，減少了變頻器的成本。齒輪箱電網(wǎng)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器網(wǎng)側(cè)變換器圖 2.8 雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

40、框圖42.3.3 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機的特性比較雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組的特點是采用了多級齒輪箱驅(qū)動有刷雙饋式異步發(fā)電機。它的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小，重量輕，體積小，變流器容量小，但齒輪箱的運行維護成本高且存在機械運行損耗。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組在傳動鏈中省掉了齒輪箱，將風(fēng)輪與低速同步發(fā)電機直接連接，然后通過變流器全變流上網(wǎng)，降低了機械故障的概率和定期維護的成本，同時提12高了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和運行可靠性，但是電機體積大、價格高。表 2.1 直驅(qū)式和雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的特性比較機型和特性勵磁雙饋型風(fēng)力發(fā)機組永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組統(tǒng)維護成本較高（齒輪箱故障多）低系統(tǒng)價格中高系統(tǒng)效率較高高變流其容量全

41、功率的 1/3全功率變流變流系統(tǒng)穩(wěn)定性中高電機滑環(huán)半年換碳刷，兩年換滑環(huán)無碳刷，滑環(huán)電機重量輕重電機種類勵磁永磁，設(shè)計時要考慮永磁體退磁問題綜上文所述，雙饋式較之直驅(qū)式具有下列特點： （1）勵磁雙饋風(fēng)電機組具有很高的性價比，尤其適合變速 恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因而在未來一段時間內(nèi)仍然是風(fēng)電行業(yè)的主流機型。 （2）永磁直驅(qū)風(fēng)電機組可靠性高、運行維護簡單；電網(wǎng)運行質(zhì)量大大提高。在技術(shù)經(jīng)濟條件成熟時，永磁直驅(qū)風(fēng)電機組有望成為風(fēng)電領(lǐng)域更受歡迎的產(chǎn)品。目前，由于雙饋風(fēng)電機組技術(shù)十分成熟，生產(chǎn)廠商較多，業(yè)主選擇性更強，運行經(jīng)驗豐富，仍是風(fēng)電場開發(fā)的主流機型。而直驅(qū)風(fēng)電機組技術(shù)尚未完全成熟，國內(nèi)生產(chǎn)廠商較少，有

42、些機型還處在設(shè)計研發(fā)階段，并且已投人運行的機組運行時間較短，其性能、工藝質(zhì)量尚需時日考驗，更大兆瓦級直驅(qū)風(fēng)電機組仍需在結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面進一步研究。13第 3 章 風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)設(shè)計3.1 傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機組機械傳動系統(tǒng)是指將風(fēng)輪獲得的空氣動力以機械方式傳遞到發(fā)電機的整個軸系及其組成部分，由主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器、制動器和過載安全保護裝置等組成。風(fēng)力發(fā)電機組主傳動系統(tǒng)有各種各樣的布置方式，因而其結(jié)構(gòu)形式也具有多樣化的特點。軸系的結(jié)構(gòu)主要與采用的發(fā)電機形式有關(guān)。目前，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機一般采用齒輪箱增速。圖 3.1 帶增速齒輪箱的風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)示意圖53.2 風(fēng)力發(fā)電機傳動系統(tǒng)布

43、置型式及其特點比較傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機采用齒輪增速裝置，按主軸軸承的支撐方式風(fēng)力發(fā)電機組傳動形式分為“兩點式” 、 “三點式” 、 “一點式”和“內(nèi)置式”四種，具體見表 3.1。表 3.1 四種布置方式的比較特性分布方式概念比較優(yōu)點缺點兩 點 式主軸用兩個軸承座支撐，其中靠近輪轂的軸承作為固定端，另一個軸承作為浮動端，讓主軸及其軸承承受風(fēng)輪的大部分載荷，減少風(fēng)輪載荷突變對齒輪箱的影響穩(wěn)定性最好軸系較長，增大了機艙的體積和重量機組功率越大，隨著主軸直徑和長度的增大，機艙布置和吊裝難度也隨之增大14三 點 式該種方式實際上是在“兩點式”的基礎(chǔ)上省去了一個主軸的軸承，由主軸前端軸承和齒輪向兩側(cè)的支架組成

44、縮短軸向尺寸簡化了結(jié)構(gòu)對齒輪箱的承載能力要求高噪聲大該種布置不需主軸，風(fēng)輪法蘭直接通過一個大軸承支撐在機架上齒輪箱的輸入軸不會因彎曲力矩而變形一 點 式不需主軸，齒輪箱箱體和機艙支架做成一體傳動裝置緊湊傳動鏈的前軸承、齒輪箱和箱架合的機架結(jié)構(gòu)設(shè)計難度加大對零件的強度和性能的要求較高內(nèi) 置 式該種布置是將主軸、主軸承與齒輪相集成在一起，主軸內(nèi)置于齒輪箱內(nèi)，主軸與第一級行星輪采用花鍵或過盈連接，風(fēng)輪載荷通過箱體傳到主軸機架上結(jié)構(gòu)緊湊風(fēng)輪與主軸裝配方便齒輪箱內(nèi)齒輪采用集中強制潤滑，潤滑效果好 現(xiàn)場安裝、維護工作量小齒輪箱外形尺寸和重量大制造成本相對較高風(fēng)輪載荷直接作用在齒輪箱箱體上，度齒輪和軸承的運

45、轉(zhuǎn)影響較大3.3 增速齒輪箱傳動系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)型式及分析風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的種類很多，按照傳統(tǒng)類型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及他們相互組合起來的齒輪箱；按照傳動的技術(shù)分為單機和多級齒輪箱；按照傳動的布置形式又分為展開式、分流式和同軸式以及混合式等3。近年來，風(fēng)力發(fā)電機組已發(fā)展到兆瓦級，下面就兆瓦級風(fēng)電機組齒輪箱予以簡單的介紹。1一級行星和兩級平行軸齒輪傳動一級行星和兩級平行軸齒輪傳動形式，其傳動原理簡單的概括為，行星架將風(fēng)輪動力傳至行星輪（通常設(shè)置三個行星輪），再經(jīng)過中心太陽輪到平行軸齒輪，經(jīng)兩級平行軸齒輪傳遞是高速軸輸出。圖 3.2 的視圖顯示了動力傳遞和增速線路以及齒輪箱結(jié)構(gòu)。機組的主

46、軸與齒輪箱輸入軸（行星架）利用脹緊套連接，裝拆方便，能保證良好15的對中性，且減少應(yīng)力集中。在行星齒輪級中常利用太陽輪的浮動實現(xiàn)均載。這種結(jié)構(gòu)在 12MW 的機組中應(yīng)用較多。 圖 3.2 一級行星和兩級平行軸齒輪傳動齒輪箱2兩級行星齒輪和一級平行軸齒輪傳動兩級行星齒輪和一級平行軸齒輪傳動型式，采用了兩級行星齒輪增速可獲得較大增速比，實際應(yīng)用時在兩行星級之外加上一級平行軸齒輪，錯開中心位置，以便利用中心通孔通入電纜或液壓管路。圖 3.3 的視圖顯示了其動力傳遞和增速線路以及結(jié)構(gòu)。圖 3.3 兩級行星和一級平行軸齒輪傳動箱齒輪3內(nèi)嚙合齒輪分流定軸傳動內(nèi)嚙合齒輪分流定軸傳動是將一級行星和兩級平行軸齒

47、輪傳動結(jié)構(gòu)的行星架與箱體固定在一起，行星輪軸也變成固定軸，內(nèi)齒圈成為主動輪，動力通常由三根齒輪分流傳至同軸連接的三個大齒輪，再將動力匯合到中心輪傳至末級平行軸齒輪。這種傳動方式也通常用于半直驅(qū)機組的傳動裝置中。由內(nèi)齒圈輸入，將功率分流到幾個軸齒輪，再從同軸的幾個大齒輪傳遞到下一級平行軸齒輪，相當于行星架固定，內(nèi)齒圈作為主動輪，再排行星齒輪變?yōu)槎ㄝS傳動。這種裝置由于沒有周轉(zhuǎn)軸，有利于布置潤滑油路。另外從結(jié)構(gòu)上看各個組件可獨立拆卸，便于在機艙內(nèi)進行檢修。4分流差動齒輪傳動16對于分流差動齒輪傳動方式可以通過圖 3.4 來了解，如圖所示，則是利用差動和行星齒輪傳動進行動力分流和合流的傳動方式，可在結(jié)

48、構(gòu)設(shè)計中增加行星輪的個數(shù)，并采用柔性行星輪軸，是載荷分配更加均勻，用于較大功率場合。由圖中可以看出，行星架傳入的動力一部分經(jīng)行星輪左側(cè)傳至太陽輪，另一部分通過與行星架項鏈的大內(nèi)齒圈經(jīng)一組定軸齒輪傳至太陽輪，由于差動傳遞的作用，兩部分的動力在此合成輸出，傳至末級平行軸齒輪。圖 3.4 內(nèi)嚙合齒輪分流定軸傳動3.4 增速齒輪箱傳動系統(tǒng)設(shè)計隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，風(fēng)電機組正向大型化發(fā)展，由于風(fēng)能資源一般分布在環(huán)境相對極其惡劣、人煙稀少的極地地方，而風(fēng)電場的安置又必須以風(fēng)能的分布為先決條件。所以，相對來說，鑒于對風(fēng)力機的裝機、傳動效率、維護、維修方面的原因，提高風(fēng)力機的可靠性是不容置緩。如第二章中

49、所述，現(xiàn)代風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)形式依據(jù)有無齒輪箱可分為帶增速齒輪箱風(fēng)電機組、直驅(qū)風(fēng)電機組和半直驅(qū)風(fēng)電機組。由其特性可知，盡管直驅(qū)式風(fēng)電機組具有簡化傳動結(jié)構(gòu)的特點，在風(fēng)力發(fā)電機組容量越來越向大型化發(fā)展的今天，過于龐大的低速發(fā)電機造成的運輸、吊裝難題，加上較高制造成本的條件限制，不得不回過頭來思考如何減小機構(gòu)的體積和重量以及降低成本的途徑。適當運用齒輪增速或利用功率分流的方法是解決問題的思路之一。3.4.1 設(shè)計的主要內(nèi)容與其它工業(yè)齒輪箱相比,由于風(fēng)電齒輪箱安裝在距地面幾十米甚至一百多米高的狹小機艙內(nèi),其本身的體積和重量對機艙、塔架、基礎(chǔ)、機組風(fēng)載、安裝維修費用等都有重要影響。同時,由于維修不便、維修成本

50、高,通常要求齒輪箱的設(shè)計壽命為 20 年,對可靠性的要求也極其苛刻。因此，總體設(shè)計階段應(yīng)在滿足可靠性和工作壽命要求的前17提下,以最小體積、最小重量為目標進行傳動方案的比較和優(yōu)化；結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以滿足傳遞功率和空間限制為前提,盡量考慮結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維修方便。 由于葉尖線速度不能過高,因此隨著單機容量的增大,齒輪箱的額定輸入轉(zhuǎn)速逐漸降低,兆瓦以上級機組的額定轉(zhuǎn)速一般不超過 20r/ min。另一方面,發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速一般為 1500 或 1800r/ min ,因此大型風(fēng)電增速齒輪箱的速比一般在 75100 左右。為了減小齒輪箱的體積,500kW 以上的風(fēng)電增速箱通常采用功率分流的行星傳動；5

51、00kW1000kW 常見結(jié)構(gòu)有一級行星和兩級平行軸以及二級行星和一級平行軸傳動兩種形式；兆瓦級齒輪箱多采用一級行星和兩級平行軸傳動的結(jié)構(gòu)。由于行星傳動結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,而且大型內(nèi)齒圈加工困難,成本較高,即使采用 2 級行星傳動,也以 NWG 傳動形式最為常見6。結(jié)合以上分析，設(shè)計此次的增速齒輪箱的傳動方式采用行星輪系，以圖 3.5 作為參考傳動方案，初步擬定定軸部分采用減速器的設(shè)計方法，再結(jié)合書籍資料完成風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計，校核，CAD 二維的裝配圖及其零件圖 。關(guān)于行星輪系的傳動比，及齒輪的計算，會參照機械原理 機械設(shè)計手冊等一些書籍的部分內(nèi)容進行，還有關(guān)于軸的計算等。有關(guān)設(shè)計的主要參數(shù)如表

52、 3.2 所示。表 3.2 齒輪箱設(shè)計的重要參數(shù)輸入功率0.55kW輸入轉(zhuǎn)速范圍1020r/min5風(fēng)輪轉(zhuǎn)速18r/min傳動形式一級行星和兩級平行定軸總傳動比100發(fā)電機型號FG500M46-4RB+KK發(fā)電機額定功率1560kW發(fā)電機轉(zhuǎn)速范圍10002000r/min發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速1800r/min由于風(fēng)力發(fā)電機組運轉(zhuǎn)的環(huán)境非常惡劣，受力情況復(fù)雜，要求所用的材料除了要滿足機械強度條件外，還應(yīng)能滿足極端溫差條件下所具有的材料特性，比如抵抗低溫冷脆性、冷熱溫差影響下的尺寸穩(wěn)定性等。并且外齒輪制造精度不低于 6 級，齒面硬度 5862HRC。同時，為了提高承載能力，所以，齒輪、軸類采用合金鋼制造

53、，具體為外齒輪采用 20CrMnMo 材料，內(nèi)齒圈和軸類零件采用 42CrMo 材料。18表 3.3 所選材料的部分特性8截面尺寸力學(xué)性能bs5鋼號熱處理狀態(tài)直徑D/mm壁厚s/mm/Nmm-2/%ak/Jcm-2硬度HBS20CrMnMo滲碳+正火+低溫回火3010015501079834785490715404039.239.2表 5662HRC心 2833HRC42CrMo調(diào)質(zhì)1002502503003005005012512515015025073588363758858949044114141040353058.839.239.22072692072692072693.4.2 齒輪增

54、速傳動系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速要求達到 2000r/min 左右，依據(jù)現(xiàn)有風(fēng)力機相對應(yīng)的發(fā)電機的功率及額定轉(zhuǎn)速選取 1.5MW 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，包括常溫型、防鹽霧性、低溫型。一般對于兆瓦級風(fēng)電齒輪箱，傳動比一般多在 100 左右，傳動系統(tǒng)多采用行星傳動，因為行星傳動具有以下優(yōu)點：第一，傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，使功率分流；第二，合理使用內(nèi)嚙合，共軸線式的傳動裝置，使軸向尺寸大大縮??；第三，運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動能力較強。在具有上述特點和優(yōu)越性的同時，行星齒輪傳動也存在一些缺點：結(jié)構(gòu)形式比定軸齒輪傳動復(fù)雜；對制造質(zhì)量要求高；由于體積小，散熱面

55、積小，導(dǎo)致油溫升高，故對于潤滑與冷卻裝置要求嚴格。而這兩種行星傳動與平行軸傳動相混合的傳動形式，綜合了兩者的優(yōu)點。 因此，依據(jù)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)計齒輪箱的傳動比為 1:100，由于增速比較大，按照此傳動比，齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)形式可設(shè)計為：一級行星和兩級平行軸傳動7。19圖 3.5 一級行星+兩級平行軸傳動簡圖3.4.2.1 傳動比的分配根據(jù)設(shè)計參數(shù)，已知風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為 n發(fā)=18r/min，電動機轉(zhuǎn)速 nm =1800r/min 則總傳動比 i=mnnf 1001合理的分配傳動比是傳動系統(tǒng)設(shè)計的一個重要問題。它將直接影響到傳動系統(tǒng)外廓尺寸重量、潤滑及傳動機構(gòu)的中心距等多方面。所以為了使齒輪傳動系統(tǒng)結(jié)

56、構(gòu)緊湊，外形輪廓尺寸相對較小，所一般對增速傳動系統(tǒng)于傳動比的分配是高速級的傳動比低于低速級。因此依據(jù)定軸輪系傳動比的分配范圍選取合理的傳動比，選取兩級定軸傳動比 i定=i2i3=44則一級行星齒輪傳動比 i=100（44）6.25 3.4.2.2 行星齒輪選用滿足的幾何條件行星齒輪傳動由于多對齒輪同時參與嚙合承受載荷，要實現(xiàn)這一目標行星輪系各齒輪齒數(shù)必須要滿足一定的幾何條件。 (1) 保證兩太陽輪和系桿轉(zhuǎn)軸的軸線重合，即滿足同心條件 Zs+2Zp=Zr。(2) 保證 3 個均布的行星輪相互間不發(fā)生干涉，即滿足鄰接條件：（Zs+Zp）sinZp+2 ha*k180(3) 設(shè)計行星輪時，為了不使行

57、星輪各基本構(gòu)件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應(yīng)均勻分布或?qū)ΨQ分布，即滿足均布條件：保證在采用多個行星輪時，各行星輪能夠均勻地分布在兩太陽輪之間，即滿足安裝條件（Zs+Zr）/K=P， P 為整數(shù)。裝配行星輪時，為使各基本構(gòu)件所受徑向力平衡，各行星輪在圓周上應(yīng)均勻分布或?qū)ΨQ分布。(4) 保證輪系能夠?qū)崿F(xiàn)給定的傳動比 i1H，即滿足傳動比條件。當內(nèi)齒圈不動時有Zr/Zs=i1H-1以上各式中：Zs 為中心太陽輪齒數(shù)；Zp為行星輪齒數(shù)；Zr為內(nèi)齒圈齒數(shù)；K 為行星輪個數(shù)；ha*為齒頂高系數(shù)。3.4.2.3 傳動部分參數(shù)計算 1各軸的轉(zhuǎn)速 n（r/min）20 高速軸的轉(zhuǎn)速 n=nm =1800r/

58、min 中間軸的轉(zhuǎn)速 n=n/i3低速軸的轉(zhuǎn)速 (太陽輪 S 所在軸) n=n/i2行星架的轉(zhuǎn)速 n=n風(fēng) 式中：nm為發(fā)電機的轉(zhuǎn)速； n風(fēng)為風(fēng)輪的輸入轉(zhuǎn)速；i3為定軸平行軸間傳動比；i2為太陽輪與低速軸間傳動比。2各軸的輸入功率 P（kW）風(fēng)輪的輸入功率 P=0.55 kW低速軸的輸入功率 P=PcmgS1 中間軸的輸入功率 P= P2g2 高速軸的輸入功率 P= Pgc式中：c為聯(lián)軸器的的效率；g為一對軸承的效率；m為考慮齒輪嚙合摩擦損失的效率；s為考慮潤滑油攪動和飛濺的液力損失的效率；1低速級齒輪傳動的效率；2為高速級齒輪傳動的效率。3各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 風(fēng)輪的輸入轉(zhuǎn)矩 T=9550 P/

59、n低速軸的輸入轉(zhuǎn)矩 T=9550 P/ n 中間軸的輸入轉(zhuǎn)矩 T=9550 P/ n 高速軸的輸入轉(zhuǎn)矩 T=9550 P/n表 3.4 傳動參數(shù)的數(shù)據(jù)表項目風(fēng)輪軸低速軸中間軸高速軸發(fā)電機功率 P/kW0.550.520.510.50額定 1560轉(zhuǎn)矩 T/(Nm)291.8044.1410.822.65轉(zhuǎn)速 n/(r/min)18112.545018001800傳動比 i6.2544效率 0.950.970.980.963.4.2.4 齒輪參數(shù)確定 1行星輪系的齒輪參數(shù)21根據(jù)行星輪系的傳動所需要滿足的條件確定所需參數(shù)。在前面已經(jīng)確定一級行星輪的傳動比為 i1=6.25，則其轉(zhuǎn)化輪系的傳動比，

60、依據(jù)機械設(shè)計手冊 （第五版）中第五章，漸開線圓柱齒輪行星傳動，參照表 14-5-5，NGW 型行星齒輪傳動的齒數(shù)組合，選取齒數(shù)組合為當 P=3，且將傳動比圓整為 i1=6.26 時，ZS=23，ZP=49，ZR=121.傳動比誤差為 0.14%，遠遠小于要求的不應(yīng)超過其范圍的 4%，在合理的范圍之內(nèi)8。(1) 選定齒輪類型，精度等級，材料 1）選擇直齒輪圓柱齒輪。2）齒輪精度等級為 6 級精度。3）材料選擇為 20CrMnMo，硬度為表 5662HRC，心 2833HRC，熱處理應(yīng)為滲碳+淬火+低溫回火。 (2) 按照齒面接觸強度初算 S-Pi傳動中心距和模數(shù)8 輸入轉(zhuǎn)矩 則在一對 S-Pi傳