风电机组传动系统

1、第五章风电机组传动系统风电机组的主传动链是指将风轮轴功率传递到发电机系统所需 的机构。一般意义上，采用所谓“标准设计”的典型主传动链包括了 如图 所示的风轮主轴系统、增速传动机构（齿轮箱）、以及轴系的支 撑与连接（如轴承、联轴器）和制动装置等。齿轮箱齿轮箱的作用风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要的功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到发电机组的要求，必须通过齿轮 箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。齿轮箱的结构从上图可以看出，本齿轮箱由如下极大部分组成:(1)传动轴(俗称大轴)：传动轴的作用就是将风轮的动能

2、传递到齿轮机箱的齿轮副。(上图)齿轮箱最大的特点就是将主轴置于齿轮箱的内部。这样设计可以使风机的结构更为紧凑、减少机舱的体积和重 量、有利于对主轴的保护。(2)箱体部分：箱体由三部分组成：前机体、中机体和后机体。齿轮箱的箱体承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反作用力，并将力传递到主机架。箱体部分采用QT400铸造而成，这种材料具有减 震性和易于加工等特点(3)齿轮副：齿轮箱的增速机构一一齿轮副，采用了两级行星和一 级平行轴传动。采用行星机构可以提高速比、减小齿轮箱的体积齿轮箱的工作过程从上图可知，齿轮箱主轴的前端法兰与风轮相连， 风作用到叶片上驱 动风轮旋转，风轮带动齿轮箱主轴旋转，从而主

3、轴带动后面的增速机 构开始运转。这样齿轮箱就把风轮所吸收的低转速、 大扭矩的机械能 转化成高转速、小扭矩的机械能传递到齿轮箱的输出轴上。 齿轮箱的 输出轴通过弹性联轴器与电机轴相连，驱动发电机的转子旋转，将能量输入给发电机。发电机将输入的动能转化成电能并输送到电网上。风电齿轮箱的传动形式.风电齿轮箱的种类很多，按其传动形式大致可分为定轴、行星齿轮 以及组合传动的齿轮箱；按传动级数可分为单级或多级齿轮箱； 按布 置形式又可分为展开式、分流式和同轴式等形式的齿轮箱。用于在大 型风电机组主传动链中的齿轮箱，多采用一级或两级行星齿轮与定轴 齿轮组成混合轮系的传动方案.齿轮箱可同时具有两种或其中一种齿轮

4、传动形式：一是齿轮传动,图14：平行轴和行星轮混合另一种是行星齿轮传动。由于增速比要求很大，风电齿轮箱通常为多级齿轮传动。用于在大型风电机组主传动链中的齿轮箱， 多采用一级或两级行星齿轮与定轴齿轮组成混合轮系的传动方案.需要指出，可以有多种方式实现齿轮箱给定的设计要求，而传动方案的设计在很大程度上将影响齿轮箱的性能和成本构成。 如图 所示, 采用多级行星轮传动方式，往往可以获得更紧凑的结构，但同时可能 会增加设计与制造的难度和成本。5.1.4润滑与冷却风电齿轮箱的失效形式与设计和运行工况有关， 但良好的润滑是 保证齿轮箱可靠运行的必备条件。为此，必须高度重视齿轮箱的润滑 问题，配备可靠的润滑油

5、和润滑系统。(1)润滑油润滑油的品质是润滑决定性因素之一，对润滑油的基本要求是考虑其 对齿轮和轴承的保护作用。选用的润滑油应关注的性能包括减少摩 擦、较高的承载与防止胶合能力、降低振动冲击、防止疲劳点蚀和冷 却防腐蚀等。由于风电齿轮箱属于闭式硬齿面齿轮传动，齿面会产生高温和较大接 触应力，在滑动与滚动摩擦的综合作用下， 若润滑不良很可能会在其 运转初期(一年左右)时，齿面出现一些直径 10m佐右的“微点蚀” 麻点，进而使噪声增大，引起毁坏性的胶合与点蚀失效。因此，硬齿 面齿轮传动润滑油的选择，应重点保证足够的油膜厚度和边界膜强 度。还应注意，常用润滑油使用一段时间后的性能将会降低，而高品质润滑

6、油在其整个预期寿命内都应保持良好的抗磨损与抗胶合性能 粘度是润滑油的又一个最重要的指标，为提高齿轮的承载能力和抗冲 击能力，根据环境和操作条件，往往需要适当地选择一些添加剂构成 合成润滑油。但添加剂有一些副作用，应注意所选择的合成润滑油的 性能，保证在极低温度状况下具有较好的流动性， 而在高温时的化学 稳定性好并可抑制粘度降低。专业齿轮箱制造厂一般可根据经验或实 验推荐相应的润滑油，5.1.4齿轮箱附件.转子锁在齿轮箱的前端设有转子锁定装置，当对系统进行检修时可以通 过此装置锁定风轮，确保风力发电机处于安全状态。如下图所示，当 需要锁定风轮时，用手将转子锁关闭.加热器在齿轮箱的前部和后部分别设

7、有三个加热器。 当齿轮箱工作环境 温度较低时，为确保齿轮箱内部的润滑油保持在一定的粘度范围，可使用加热器对齿轮箱润滑油进行加热。加热器的开与关是通过系统自 动控制的。Pt 10晒轮箱上设有三个温度传感器，控制系统可以通过这三个传感 器对油温、高速端轴承温度进行时时监控，确保风机的安全。3,空气过滤器齿轮箱上部设有一个空气过滤器，它可以保证齿轮箱内部的压力 稳定。防止外部的杂质进入齿轮箱内部。4,雷电保护装置齿轮箱前端设有三组雷电保护装置，具作用是将风轮上产生的电 流传导到齿轮箱的机体上，通过连接在齿轮箱机体上的接地线将电流 倒入大地，保护风机。5.液位传感器在齿轮箱的后端安有液位传感器。 通过

8、这个液位传感器，控制系 统可以对齿轮箱内部润滑油的油位进行时时监控，当油位低于系统设定值时，系统会自动发出报警以便添加润滑油。 在液位传感器的旁边 还设有一个观察器。通过它可以润滑的状态(如：颜色、油位高度、 油质情况等)5.2风力发电机组的偏航系统偏航系统偏航驱动马达与机舱底座永久性相连，并使机舱对准风向，使风 能得到最大的利用，使风机取得最大功率。偏航系统包括：马达、驱 动、刹车、传感器、旋转枢轴轴承(Slewing ring )、控制和润滑系 统。偏航三相马达传输扭矩给外部旋转枢轴轴承，这样机舱自动的对准风向。Yaw driveSlewing ring (yaw bearingring)

9、 between tower and nacelle偏航系统作用及分类.偏航系统的主要作用有两个：是与风力发电机组的控制系统相互配合， 使风力发电机组的风轮 始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率； 提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。.风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方 式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。 对于并网型风力发电机组来 说，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。5.2.2偏航系统

10、的技术要求1.环境条件应根据典型值或可变条件的限制，确定设计用的气候条件。选择 设计值时，应考虑几种气候条件同时出现的可能性。在与年轮周期相 对应的正常限制范围内，气候条件的变化应不影响所设计的风力发电 机组偏航系统的正常运行。环境条件在进行偏航系统的设计时， 必须 考虑的环境条件如下：1）温度；2）湿度；3）阳光辐射；4）雨、冰雹、雪和冰；5）化学活性物质；6）机械活动微粒；7）盐雾；8）近海环境需要考虑附加特殊条件。.电缆为保证机组悬垂部分电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂 失效，必须使电缆有足够的悬垂量，在设计上要采用冗余设计。电缆 悬垂量的多少是根据电缆所允许的扭转角度确定的。.阻尼

11、为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机 的共振，偏航系统在机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩。阻尼力矩 的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性力矩来确定。其基本的确定 原则为确保风力发电机组在偏航时应动作平稳顺畅不产生振动。 只有 在阻尼力矩的作用下，机组的风轮才能够定位准确，充分利用风能进 行发电。.解缆及扭缆保护解缆和扭缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要 功能。偏航系统的偏航动作会导致机舱和塔架之间的连接电缆发生扭 绞，所以在偏航系统中应设置与方向有关的计数装置或类似的程序对 电缆的扭绞程度进行检测。一般对于主动偏航系统来说，检测装置或 类似的程序应在电缆达到规定的

12、扭绞角度之前发解缆信号； 对于被动 偏航系统检测装置或类似的程序应在电缆达到危险的扭绞角度之前 禁止机舱继续同向旋转，并进行人工解缆。偏航系统的解缆一般分为 初级解缆和终极解缆。初级解缆是在一定的条件下进行的， 一般与偏 航圈数和风速相关。扭缆保护装置是风力发电机组偏航系统必须具有 的装置，这个装置的控制逻辑应具有最高级别的权限，一旦这个装置被触发，则风力发电机组必须进行紧急停机。.偏航转速对于并网型风力发电机组的运行状态来说，风轮轴和叶片轴在机 组的正常运行时不可避免的产生陀螺力矩， 这个力矩过大将对风力发 电机组的寿命和安全造成影响。为减少这个力矩对风力发电机组的影 响，偏航系统的偏航转速

13、应根据风力发电机组功率的大小通过偏航系 统力学分析来确定。根据实际生产和目前国内已安装的机型的实际状况，偏航系统的偏航转速的推荐值见表 7-1表1归航转速推荐值风力发电机组功率W100200250 .1505007001300-1500偏航转述/（/min）芟030.10,0926.偏航液压系统并网型风力发电机组的偏航系统一般都设有液压装置，液压装置 的作用是拖动偏航制动器松开或锁紧。一般液压管路应采用无缝钢管 制成，柔性管路连接部分应采用合适的高压软管。 连接管路连接组件 应通过试验保证偏航系统所要求的密封和承受工作中出现的动载荷。 液压元器件的设计、选型和布置应符合液压装置的有关具体规定和

14、要 求。液压管路应能够保持清洁并具有良好的抗氧化性能。 液压系统在 额定的工作压力下不应出现渗漏现象。.偏航制动器采用齿轮驱动的偏航系统时，为避免振荡的风向变化，引起偏航 轮齿产生交变载荷，应采用偏航制动器（或称偏航阻尼器）来吸收微 小自由偏转振荡，防止偏航齿轮的交变应力引起轮齿过早损伤。 对于 由风向冲击叶片或风轮产生偏航力矩的装置，应经试验证实其有效 性。.偏航计数器偏航系统中都设有偏航计数器，偏航计数器的作用是用来记录偏航系统所运转的圈数，当偏航系统的偏航圈数达到计数器的设定条件 时，则触发自动解缆动作，机组进行自动解缆并复位。计数器的设定 条件是根据机组悬垂部分电缆的允许扭转角度来确定

15、的，其原则是要小于电缆所允许扭转的角度。.润滑偏航系统必须设置润滑装置，以保证驱动齿轮和偏航齿圈的润 滑。目前国内的机组的偏航系统一般都采用润滑脂和润滑油相结合的 润滑方式，定期更换润滑油和润滑脂。.密封偏航系统必须采取密封措施，以保证系统内的清结和相邻部件之 间的运动不会产生有害的影响。.表面防腐处理偏航系统各组成部件的表面处理必须适应风力发电机组的工作 环境。风力发电机组比较典型的工作环境除风况之外，其他环境（气 候）条件如热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用应加以考虑。5.2.3偏航系统的组成偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、扭缆保护装置、偏航液压回路等几个部

16、分组成。偏航系统的一般组成结构。风力发电机组的偏航系统一般有外齿形式和内齿形式两种。偏航驱动装置可以采用电动机驱动或液压马达驱动，制动器可以是常闭式或常开式。常开式制动器一般是指有液压力或电磁力拖动 时，制动器处于锁紧状态的制动器；常闭式制动器一般是指有液压力 或电磁力拖动时，制动器处于松开状态的制动器。 采用常开式制动器 时，偏航系统必须具有偏航定位锁紧装置或防逆传动装置。.偏航轴承偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上， 加工相对来说比较简单；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上， 啮 合受力效果较好，结构紧凑。具体

17、采用内齿形式或外齿形式应根据机 组的具体结构和总体布置进行选择。偏航轴承的润滑应使用制造商推 荐的润滑剂和润滑油，轴承必须进行密封。.驱动装置驱动装置一般由驱动电动机或驱动马达、减速器、传动齿轮、轮齿间隙调整机构等组成。驱动装置的减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星 减速器串联；传动 齿轮一般采用渐 开线圆柱齿轮。传动齿轮的齿面和齿根应采取淬火处理，一般硬度值应达到HRC55-62偏航驱动装置要求起动平稳，转速均匀，无振动现象.偏航制动器：一般采用液压拖动的钳盘式制动器a,偏航制动器是偏航系统中的重要部件， 制动器应在额定负载下，制 动力矩稳定，其值应不小于设计值。在机组偏航过程中，制动

18、器提供 的阻尼力矩应保持平稳，与设计值的偏差应小于5%制动过程不得有 异常噪声。制动器在额定负载下闭合时，制动衬垫和制动盘的贴合面 积应不小于设计面积的50%制动衬垫周边与制动钳体的配合间隙任 一处应不大于0.5mm制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块 磨损时进行自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的稳定。b.在偏航系统中，制动器可以采用常闭式和常开式两种结构形式，常 闭式制动器是在有动力的条件下处于松开状态， 常开式制动器则是处 于锁紧状态。两种形式相比较并考虑失效保护，一般采用常闭式制动 器。c.制动盘通常位于塔架或塔架与机舱的适配器上，一般为环状，制动盘的材质应具有足够的强度和韧性，

19、 如果采用焊接连接，材质还应 具有比较好的可焊性，止匕外，在机组寿命期内制动盘不应出现疲劳损 坏。制动盘的连接、固定必须可靠牢固。.制动钳由制动钳体和制动衬块组成。制动钳体一般采用高强度螺栓连接 用经过计算的足够的力矩固定于机舱的机架上。 制动衬块应由专用的 摩擦材料制成，一般推荐用铜基或铁基粉末冶金材料制成， 铜基粉末 冶金材料多用于湿式制动器，而铁基粉末冶金材料多用于干式制动 器。一般每台风机的偏航制动器都备有 2个可以更换的制动衬块。.偏航计数器偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置，当偏航系统旋转的 圈数达到设计所规定的初级解缆和终极解缆圈数时，计数器则给控制 系统发信号使机组自动进行

20、解缆。计数器一般是一个带控制开关的蜗 轮蜗杆装置或是与其相类似的程序。.扭缆保护装置扭缆保护装置是偏航系统必须具有的装置，它是出于失效保护的 目的而安装在偏航系统中的。它的作用是在偏航系统的偏航动作失效 后，电缆的扭绞达到威胁机组安全运行的程度而触发该装置，使机组进行紧急停机。一般情况下，这个装置是独立于控制系统的，一旦这个装置被触发，则机组必须进行紧急停机。扭缆保护装置一般由控制开关和触点机构组成，控制开关一般安装与机组的塔架内壁的支架上，触点机构一般安装与机组悬垂部分的电缆上。当机组悬垂部分的电缆扭绞到一定程度后，触点机构被提升或被松开而触发控制开关。5.2.4偏航系统的维护.偏航制动器1

21、）需要注意的问题：a液压制动器的额定工作压力；b每个月检查摩擦片的磨损情况和裂纹。2）必须进行的检查：a检查制动器壳体和制动摩擦片的磨损情况，如有必要，进行更换；b根据机组的相关技术文件进行调整；c清洁制动器摩擦片；d检查是否有漏油现象；e当摩擦片的最小厚度不足&*,必须进行更换；f检查制动器联接螺栓的紧固力矩是否正确。.偏航轴承1）需要注意的问题：a检查轴承齿圈的啮合齿轮副是否需要喷润滑油，如需要，喷规定型号的润滑油；b检查是否有非正常的噪声；c检查联接螺栓的紧固力矩是否正确；d检查是否有非正常的噪声。2）必须进行的检查：a检查轮齿齿面的腐蚀情况；b检查啮合齿轮副的侧隙；c检查轴承是否需要加

22、注润滑脂，如需要，加注规定型号的润滑脂。.偏航驱动装置必须进行的检查：a检查油位，如低于正常油位应补充规定型号的润滑油到正常油位;b检查是否有漏油现象；c检查是否有非正常的机械和电气噪声；d检查偏航驱动紧固螺栓的紧固力矩是否正确。.偏航系统的维修和保养1）应进行的检查a每月检查油位，如有必要，补充规定型号的油到正常油位；b 2000h运行后，需用清洗剂清洗后，更换机油；c每月检查以确保没有噪声和漏油现象；d检查偏航驱动与机架的联接螺栓，保证其紧固力矩为规定值；e检查齿轮副的啮合间隙；f制动器的额定压力是否正常，最大工作压力是否为机组的设计值;g制动器压力释放、制动的有效性；h偏航时偏航制动器的

23、阻尼压力是否正常。2）维护和保养a每月检查摩擦片的磨损情况，检查磨擦片是否有裂缝存在；b当摩擦片的最低点的厚度不足2mnM,必须更换；c每月检查制动器壳体和机架联接螺栓的紧固力矩，确保其为机组的规定值；d制动器的工作压力是否在正常的工作压力范围之内；e每月对液压回路进行检查，确保液压油路无泄漏；f每月检查制动盘和摩擦片的清洁度、 有无机油和润滑油，以防制动 失效；g每月或每500h,应向齿轮副喷洒润滑油，保证齿轮副润滑正常；h每两个月或每1000h,检查齿面的腐蚀情况，轴承是否需要加注润 滑脂，如需要，加注规定型号的润滑脂；i每三个月或每1500h,检查轴承是否需要加注润滑脂，如需要，加 注规

24、定型号的润滑脂，检查齿面是否有非正常的磨损与裂纹；j每六个月或每3000h,检查偏航轴承联接螺栓的紧固力矩，确保紧 固力矩为机组设计文件的规定值，全面检查齿轮副的啮合侧隙是否在 允许的范围之内。联轴器联轴器作用为实现机组传动链部件间的扭矩传递，传动链的轴系还需要设置 必要的连接构件（如联轴器等）。齿轮箱高速轴与发电机轴的连接构 件一般采用柔性联轴器，以弥补机组运行过程轴系的安装误差， 解决主传动链轴系的不对中问题同时，柔性联轴器还可以增加传动链的系统阻尼，减少振动的传递。图轴间的联轴器结构示意。是某大型风电机组高速轴与发电机联轴器设计齿轮箱与发电机之间的联轴器设计，需要同时考虑对机组的安全保护功能。由于机组运行过程可能产生异常情况下的传动链过载， 如 发电机短路导致的转矩甚至可以达到额定值的 5-6倍，为了降低设计 成本，不可能将该转矩值作为传动系统的设计参数。采用在高速轴上 安装防止过载的柔性安全联轴器， 不仅可以保护重要部件的安全，也 可以降低齿轮箱的设计与制造成本。联轴器设计还需要考虑完备的绝 缘措施，以防止发电系统产生的寄生电流对齿轮箱产生的不良影响。机械制动功能机械制动系统是风电机组中除了风轮气动制动系统外另外一个不可或缺的制