風電機組機械傳動技術進展-原版091113

風電機組機械傳動技術進展杭州前進風電齒輪箱有限公司宣安光－風輪直徑已從80年代的15米增大到現(xiàn)在的126米，－塔架高度從15米到100米，－功率從30kW到5MW。風電技術高速發(fā)展－

用于變換速度和扭矩，使緊湊的標準發(fā)電機能夠在機組上應用。－上世紀八十年代，平行軸齒輪傳動裝置在風電機組上應用。－為取得高功率密度和大速比，應用了行星齒輪和平行軸齒輪組合傳動結(jié)構。－行星架將動力多分路傳遞到多個行星輪，再將動力匯合在太陽輪上輸出。平行軸齒輪傳動，用于500kW以下兆瓦級機組采用行星和平行軸齒輪組合傳動或差動組合傳動1.主傳動齒輪箱技術發(fā)展一級行星和兩級平行軸齒輪傳動－應用較多的典型傳動結(jié)構，功率可達2.5MW。－齒輪箱結(jié)構隨機組傳動軸系的布置方式而定。－與主軸一起適用于“兩點式”或“三點式”支撐。－賬緊套聯(lián)接主軸和齒輪箱輸入軸（行星架）。－固定端設在主軸上，行星架軸承(或箱體）應能軸向浮動。－雙支撐行星架提高結(jié)構剛度。－常用三個行星輪，太陽輪浮動均載；采用斜齒輪，傳動平穩(wěn)，降低噪聲。兩級行星和一級平行軸齒輪傳動－也是典型結(jié)構，最大功率可到5kW。－應用情況與前例相同。行星差動和定軸齒輪組合傳動－可能達到的速比：200：1－行星/差動級：35：1－平行軸：6：1－應用實例：－一級速比：4.85：1－二級速比：3.15：1－三級速比：6：1－功率分流：－內(nèi)齒圈差動至末級主動輪：72.1％－行星輪、太陽輪至末級主動輪：27.9％－多行星輪（4-5個以上）－采用柔性行星銷軸結(jié)構均載－需提高制造精度－體積重量比傳統(tǒng)結(jié)構減小25％以上－柔性銷軸受力變形呈拉長的“S”型。－軸線偏移會在行星輪上產(chǎn)生彎矩，使承載點回到齒寬中心位置上去。行星齒輪傳動中的柔性銷軸技術理論上可能獲得的速比：第一到第三級：～40：1平行軸級（末級）：～5：1總增速比200：1以上應用實例的總速比：～100：1功率分流：來自第一級太陽輪：61.8％來自行星架和內(nèi)齒圈：38.2％-體積和重量比傳統(tǒng)結(jié)構減小～20％。-增加一級傳動，效率降低～1％。-需提高傳動件的精度，確保均勻分流。-零件數(shù)增多和多個箱體增加誤差累積。行星差動四級齒輪傳動2.液力變速傳動加裝可調(diào)式液力變矩器；與行星傳動相配合；利用差動和功率分流原理；變化的風輪轉(zhuǎn)速到同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速能恒定輸入；保證發(fā)電機輸出電壓與頻率穩(wěn)定；不必配置大功率的逆變裝置。－通過同步發(fā)電機獲得更好的電網(wǎng)輸電品質(zhì)。－在較寬速度范圍內(nèi)獲得大功率輸出。－隔離衰減扭振，均衡峰值負載。－與同級傳統(tǒng)機組相比，減輕重量約20％。－機艙體積減小約10％。3.液壓傳動－風輪驅(qū)動徑向柱塞泵－系統(tǒng)通過閥組增壓－液壓馬達驅(qū)動發(fā)電機－機構簡單、緊湊－液壓系統(tǒng)的效率較低多油泵傳動創(chuàng)意方案：－數(shù)個風輪分別帶動油泵再匯集到總管路驅(qū)動馬達。4.風電場設備故障率統(tǒng)計－統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電氣和控制的故障率占有較大比例，但多數(shù)可現(xiàn)場處理，停機時間較少。－齒輪箱的故障率所占比例較小，可是一旦出現(xiàn)故障，現(xiàn)場較難處理，停機時間較長，直接和間接損失較大故障名稱百分比電氣系統(tǒng)23%風場控制系統(tǒng)18%傳感器10%液壓系統(tǒng)9%偏航系統(tǒng)8%葉片7%機械剎車6%輪轂5%發(fā)電機4%底座結(jié)構件4%齒輪箱4%傳動鏈2%

5.機組軸系“兩點式”布置－傳統(tǒng)方式，有多年的運行經(jīng)驗，比較可靠。－為承受風輪載荷，主軸盡量加強，讓齒輪箱僅傳遞扭矩和升速。－“靜不定”問題的處理：主軸與齒輪箱柔性聯(lián)接（應用高彈、液力聯(lián)軸器）。－因重量引起軸線下垂，增加了高速軸損壞的幾率，需改善扭力臂的支撐結(jié)構。6.“三點式”布置：－主軸省去后軸承，簡化了機構，但使齒輪箱的載荷復雜化；－箱體下垂現(xiàn)象比“兩點式”嚴重，必須增強扭力臂；－高速端采用的高彈聯(lián)軸節(jié)要減少對高速軸軸承的脈動應力7.軸系對中－直接影響傳動鏈的傳動質(zhì)量。－動、靜對中定期進行。－避免高速軸軸承過早損壞。8.采用扭力軸，力的傳遞更為合理－風輪輪轂通過兩個軸承支撐在與塔架相連的主支架上，僅以一根扭力軸將風輪扭矩傳給齒輪箱。－齒輪箱與支撐結(jié)構分離，風輪產(chǎn)生的附加負荷通過支架直接傳到塔架上。9.齒輪箱設計應關注的問題－惡劣的環(huán)境條件（極端溫度、濕度、沙塵、……）－多變的風況（風向、風速、風暴、湍流……）－頻繁的啟動和制動－停機和緊急停機－前風輪和后電機突變載荷沖擊－傳動鏈動態(tài)設計和載荷分配－高功率密度、大速比增速傳動－設計、材料、精度高要求－冷卻、潤滑條件－抗點蝕、抗疲勞損壞要求－噪聲和振動－長壽命要求－監(jiān)控－建立簡化的傳動系統(tǒng)模型－模擬實際工況－分析載荷與各組成件的剛度的關系－運用有限元、斷裂力學等工具計算動態(tài)特性并分析各階模態(tài)振型和頻率－改進傳動鏈布置－采取措施減少齒輪傳動誤差－減少嚙合力，優(yōu)化的齒形參數(shù)－避開系統(tǒng)共振響應點10.傳動系統(tǒng)模態(tài)化設計11.四軸（或更多軸）功率分流機組?正在運行的為2.5MW樣機。?10MW機組處于研發(fā)階段。?特點:兩級多平行軸齒輪分流傳動。?多個永磁發(fā)電機組合?實現(xiàn)齒輪均載是關鍵。?風輪突變載荷直接作用在低速軸上。12.關于永磁風電機組－低速、中速和高速永磁發(fā)電機設計制造技術、變頻饋電和調(diào)節(jié)技術有了較大進步，眾多新機型相繼問世。－直驅(qū)機型向大型化發(fā)展仍有難題，齒輪傳動方案受到關注：“半直驅(qū)混合傳動”、“高速永磁傳動”。13.“一點式”緊湊型永磁同步發(fā)電機組傳動裝置：－關鍵技術——雙排滾錐軸承的研制；－風輪所有變異載荷和激振全部由齒輪箱機承受，有較大的風險；－較難布置柔性聯(lián)接結(jié)構?！耙稽c式”支撐軸承：－大錐角圓錐滾子軸承，－承受多變的復合載荷。－兩個軸承組合，用螺栓將旋轉(zhuǎn)的外圈或內(nèi)圈與機組對應的構件連接。－為節(jié)省空間，應用穿銷式保持架。－采用油脂潤滑或壓力油潤滑，以及特殊密封方式。－帶絕緣層的滾道或陶瓷滾子防止電蝕。“一點式”支撐軸承的研發(fā)促進了緊湊型機組技術的進展14.“主軸和箱體集成式”從概念設計到實際應用的改進：－低速重載懸臂行星架改為雙支撐結(jié)構；－內(nèi)齒圈單面緊固改為雙面緊固；－大錐角滾錐軸承的應用。15.偏航回轉(zhuǎn)裝置：－采用“零游隙”四點接觸軸承，能承受沖擊載荷荷顛覆力矩作用。－數(shù)個驅(qū)動裝置和制動器的合理調(diào)整。－注重潤滑問題。16.變槳距傳動裝置：

－回轉(zhuǎn)軸承與偏航軸承類似，受軸向、徑向力以及顛覆力矩作用，也要經(jīng)受葉片強烈振動引起的異常載荷作用。

－葉片變矩方式：

1）步進電機和齒形皮帶驅(qū)動；

2）伺服油缸和四連桿驅(qū)動；

3）電機減速器驅(qū)動。

變槳距線性電機驅(qū)動裝置變槳距傳動應用線性電機直接驅(qū)動，簡化了機構，但性能和成本有待實踐考驗17.機組對軸承要求：－修正壽命17.5萬小時，適應極端氣候條件，承受震蕩、湍流等突變載荷作用，性能穩(wěn)定，合適的極限應力值。設計選用標準：ISO281;ISO81400-Part4和供應商資料。應用趨勢：傾向于滾子軸承，滾錐軸承組合尤為常見。軸承失效：－點蝕、疲勞剝落、變形和磨損等常見形式。－低速重載裝置空載時的“打滑”現(xiàn)象引起關切。－研究“白裂紋”（WEC：WhiteEtchingCracks）機理，預防過早失效。18.連桿式彈性聯(lián)軸器－平穩(wěn)傳遞扭矩－補償軸的偏移（徑向和軸向）－影響動力鏈的動能（減振、轉(zhuǎn)換共振點）－防過載（電機短路過載扭矩等）19.風力發(fā)電設備對潤滑的要求：－潤滑油的使用壽命長；－超強抗磨，齒輪抗微點蝕保護；－保護軸承；－20年設計壽命期間無故障運行；－良好的高低溫性能以適應機組外部環(huán)境的要求；－優(yōu)良的過濾性能；－良好的對水的容忍性。－FAGFE8測試：

齒輪油對軸承的抗磨保護測試，共有4級，測試軸承磨損量和存積物的量。－齒面的抗磨保護測試FZG防膠合負荷測試，DIN51354。－其他指標：

抗氧化性能；與密封材料的兼容性；防銹防腐性能；保持清潔的能力；抗泡性和空氣釋放性能；抗剪切性能；環(huán)境友好性能......油品清潔度要求－潤滑油的清潔度對齒輪箱齒輪，特別是軸承壽命的影響：

油液清潔度每提高一個等級，軸承的壽命將成倍延長－清潔度要求：

狀態(tài)

油品清潔度（ISO4406）加入齒輪箱的新油

14/11帶負荷試驗前的最低清潔度14/11磨合期的最低清潔度