風電增速箱工況分析

(湯克平-杭州前進增速箱集團股份有限公司技術中心風電所311203)

　　摘要：

　　本文對各種風電機組的工況作了詳細分析，對風電增速箱的完善開發提供了積極的參考建議。

　　關鍵詞：雙饋風力發電機、一點式、兩點式、三點式、緊湊型

　　Theconditionanalysisofwindpowergearboxes

　　(TangKePing-HangzhouadvancegearboxgroupCo.,LTD.Thewindpowergearboxesinstituteoftechnologycenter311203)

　　Summary:Thearticlehasmadethedetailedanalysisabouttheworkingconditionofthewindgenerator,andprovidedaperfectpositivereferenceSuggestionsaboutdesigningwind

　　powerboxes.

　　Keywords:doubly-fedwindturbine,abulletpoint,twopoints,threepoints,compact

　　引言：

　　風力發電機多種多樣，但歸納起來可分為兩類：①水平軸風力發電機，風輪的旋轉軸與風向平行；②垂直軸風力發電機，風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流方向。

　　水平軸風力發電機通常又分為雙饋風力發電機和直驅風力發電機。

　　目前市場上雙饋風力發電機是主流，技術比較成熟，但其有很多缺點，特別是有增速箱增加了系統的復雜性和維護費用等。

　　直驅風力發電機是新興的一種發電機，省去了增速箱，而且可以在低速的風速下取得較好的發電效率。直驅風力發電機雖然效率高，但也面臨永磁材料退磁，原材料成本高昂，造價成本高等難題，目前遠沒有達到大批量投產及主流的地位。

　　雙饋風力發電機的工況分析

　　增速箱是雙饋風力發電機動力傳動系統中的最核心部件之一，在系統中起到傳遞動力及支撐傳動軸的作用。作為增速箱生產者，往往對增速箱內部的結構設計研究非常重視，技術的發展也非常快。對增速箱外圍工況的研究相對較少，因此外圍聯接的設計處于無人重視的真空地帶。主機設計單位認為增速箱設計者會考慮，增速箱設計單位認為主機設計者會考慮。由此埋下安全隱患，故障的表現往往體現

　　在增速箱某個零部件的損壞上。

　　風電增速箱的動力輸入者為風機葉片，葉片的轉速完全受自然風況的直接影響，由此增速箱常年處于交變載荷的作用。同時由于風機葉片重量及增速箱本身重量的作用，增速箱在風電機組中的受載變得異常復雜，這是風電增速箱設計的真正難點所在。

　　按雙饋風力發電機的機組結構型式，可分為：一點式、兩點式、和三點式、緊湊型。這種分法主要針對風電機組的主軸支撐特點來分的。

　　一點式：風電機組的主軸集成于增速箱上，葉片產生的所有徑向力和軸向力均由增速箱承受。由于主軸是增速箱的一個零件，故軸承的選型及結構布置有絕對的自主權，力的傳遞關系相對明晰，是設計的一大便利。對機組而言，整體結構緊湊，造價上有一定的優勢。但也存在日后維護麻煩，維修費高等問題。主軸軸承的選型通常推薦圓錐滾子軸承配對使用為佳，因為圓錐滾子軸承可軸向預緊，定位精度高，對齒輪級的傳動影響小。但軸向配合間隙有一定的難度，同時成本相對較高。主軸前端軸承常用的是調心滾子軸承，因調心滾子軸承安裝簡單，成本不高。但因考慮調心軸承帶來的主軸變形對齒輪傳動級造成的影響。

　　一點式機組

　　兩點式：風電機組的主軸由兩點軸承獨立支撐于風機機倉上。增速箱與主軸之間只有轉速和扭矩的傳遞，不受風機葉片產生的重量與軸向載荷，但應考慮主軸的軸向竄動量的大小。通常情況下，對增速箱而言，此種工況是最為理想的，同時也日后增速箱的維護提供了極大的便利。主軸與增速箱的聯接有脹緊聯接、法蘭聯接、花鍵聯接等方式。

　　兩點式機組

　　三點式：是指風電機組一端支撐于機倉主軸承上，一端與增速箱聯接。增速箱由兩個扭力臂支撐于機倉上。主軸承與兩扭力臂構成三點支撐。這種結構布局相對前兩種結構型式而言，增速箱受力工況具有較大的不確定性。首先，增速箱需承擔傳遞扭矩的轉速的功能，同時需承受風機葉片產生的徑向力。這些工況是相對確定的，增速箱需承受的載荷也能通過載荷譜計算。而軸向力卻是一個不確定的因素，受主軸輸入軸承的類型的不同而不同。如輸入主軸承由兩個圓錐滾子軸承組合使用，則工況相對確定，軸向力由主軸軸承承受。因圓錐滾子軸承可以軸向預緊，對增速箱而言則不需考慮風機葉片產生的軸向力。如輸入主軸承為調心滾子軸承，則軸向力是一個未知數，有可能由調心軸承來承受軸向力，也有可能由增速箱來承受軸向力。增速箱結構設計的不同，其受力會各不相同。同時增速箱還應考慮主軸變形對增速箱的影響。此種工況對增速箱是最惡劣的，增速箱在結構上要應對如此復雜的工況，將是一個嚴峻的考驗。

　　三點式機組

　　緊湊型：緊湊型風電機組軸向尺寸小，結構緊湊，整體造價低。主軸前端由主軸承（雙列圓錐滾子軸承）支撐，主軸承座與主機架成為一體。主軸后端通過法蘭與增速箱相連接。風輪載荷（彎矩和徑向力）由主軸承承受，并傳遞到主機架上。增速箱扭力臂上的液壓支承主要承受扭矩，而由于主機架和主軸承變形產生的附加載荷將通過扭力臂上的液壓支承傳遞到增速箱上。增速箱一般不需考慮葉片產生的軸向力。

　　緊湊型機組

　　增速箱輸出軸與發電機經彈性聯軸聯接，只要在裝配時保證增速箱與發電機之間的一定的同心度即可。相對輸入軸而言，輸出軸的工況稍好，但也要考慮應急剎車對增速箱的沖擊載荷。

　　結束語：

　　研究風機工作工況是設計風電增速箱的前提，也是設計好風電增速箱的難點和關鍵。

　　參考文獻：

　　《風電機組齒輪傳動技術展望》宣安光

　　作者簡介：湯克平杭州前進增速箱集團股份有限公司技術中心風電所工程師電話：13588240210E-mail:hctkp2012@163.com