风电机组机械传动技术进展-原版091113

风电机组机械传动技术进展杭州前进风电齿轮箱有限公司宣安光－风轮直径已从80年代的15米增大到现在的126米，－塔架高度从15米到100米，－功率从30kW到5MW。风电技术高速发展－

用于变换速度和扭矩，使紧凑的标准发电机能够在机组上应用。－上世纪八十年代，平行轴齿轮传动装置在风电机组上应用。－为取得高功率密度和大速比，应用了行星齿轮和平行轴齿轮组合传动结构。－行星架将动力多分路传递到多个行星轮，再将动力汇合在太阳轮上输出。平行轴齿轮传动，用于500kW以下兆瓦级机组采用行星和平行轴齿轮组合传动或差动组合传动1.主传动齿轮箱技术发展一级行星和两级平行轴齿轮传动－应用较多的典型传动结构，功率可达2.5MW。－齿轮箱结构随机组传动轴系的布置方式而定。－与主轴一起适用于“两点式”或“三点式”支撑。－账紧套联接主轴和齿轮箱输入轴（行星架）。－固定端设在主轴上，行星架轴承(或箱体）应能轴向浮动。－双支撑行星架提高结构刚度。－常用三个行星轮，太阳轮浮动均载；采用斜齿轮，传动平稳，降低噪声。两级行星和一级平行轴齿轮传动－也是典型结构，最大功率可到5kW。－应用情况与前例相同。行星差动和定轴齿轮组合传动－可能达到的速比：200：1－行星/差动级：35：1－平行轴：6：1－应用实例：－一级速比：4.85：1－二级速比：3.15：1－三级速比：6：1－功率分流：－内齿圈差动至末级主动轮：72.1％－行星轮、太阳轮至末级主动轮：27.9％－多行星轮（4-5个以上）－采用柔性行星销轴结构均载－需提高制造精度－体积重量比传统结构减小25％以上－柔性销轴受力变形呈拉长的“S”型。－轴线偏移会在行星轮上产生弯矩，使承载点回到齿宽中心位置上去。行星齿轮传动中的柔性销轴技术理论上可能获得的速比：第一到第三级：～40：1平行轴级（末级）：～5：1总增速比200：1以上应用实例的总速比：～100：1功率分流：来自第一级太阳轮：61.8％来自行星架和内齿圈：38.2％-体积和重量比传统结构减小～20％。-增加一级传动，效率降低～1％。-需提高传动件的精度，确保均匀分流。-零件数增多和多个箱体增加误差累积。行星差动四级齿轮传动2.液力变速传动加装可调式液力变矩器；与行星传动相配合；利用差动和功率分流原理；变化的风轮转速到同步发电机转速能恒定输入；保证发电机输出电压与频率稳定；不必配置大功率的逆变装置。－通过同步发电机获得更好的电网输电品质。－在较宽速度范围内获得大功率输出。－隔离衰减扭振，均衡峰值负载。－与同级传统机组相比，减轻重量约20％。－机舱体积减小约10％。3.液压传动－风轮驱动径向柱塞泵－系统通过阀组增压－液压马达驱动发电机－机构简单、紧凑－液压系统的效率较低多油泵传动创意方案：－数个风轮分别带动油泵再汇集到总管路驱动马达。4.风电场设备故障率统计－统计数据表明，电气和控制的故障率占有较大比例，但多数可现场处理，停机时间较少。－齿轮箱的故障率所占比例较小，可是一旦出现故障，现场较难处理，停机时间较长，直接和间接损失较大故障名称百分比电气系统23%风场控制系统18%传感器10%液压系统9%偏航系统8%叶片7%机械刹车6%轮毂5%发电机4%底座结构件4%齿轮箱4%传动链2%

5.机组轴系“两点式”布置－传统方式，有多年的运行经验，比较可靠。－为承受风轮载荷，主轴尽量加强，让齿轮箱仅传递扭矩和升速。－“静不定”问题的处理：主轴与齿轮箱柔性联接（应用高弹、液力联轴器）。－因重量引起轴线下垂，增加了高速轴损坏的几率，需改善扭力臂的支撑结构。6.“三点式”布置：－主轴省去后轴承，简化了机构，但使齿轮箱的载荷复杂化；－箱体下垂现象比“两点式”严重，必须增强扭力臂；－高速端采用的高弹联轴节要减少对高速轴轴承的脉动应力7.轴系对中－直接影响传动链的传动质量。－动、静对中定期进行。－避免高速轴轴承过早损坏。8.采用扭力轴，力的传递更为合理－风轮轮毂通过两个轴承支撑在与塔架相连的主支架上，仅以一根扭力轴将风轮扭矩传给齿轮箱。－齿轮箱与支撑结构分离，风轮产生的附加负荷通过支架直接传到塔架上。9.齿轮箱设计应关注的问题－恶劣的环境条件（极端温度、湿度、沙尘、……）－多变的风况（风向、风速、风暴、湍流……）－频繁的启动和制动－停机和紧急停机－前风轮和后电机突变载荷冲击－传动链动态设计和载荷分配－高功率密度、大速比增速传动－设计、材料、精度高要求－冷却、润滑条件－抗点蚀、抗疲劳损坏要求－噪声和振动－长寿命要求－监控－建立简化的传动系统模型－模拟实际工况－分析载荷与各组成件的刚度的关系－运用有限元、断裂力学等工具计算动态特性并分析各阶模态振型和频率－改进传动链布置－采取措施减少齿轮传动误差－减少啮合力，优化的齿形参数－避开系统共振响应点10.传动系统模态化设计11.四轴（或更多轴）功率分流机组•正在运行的为2.5MW样机。•10MW机组处于研发阶段。•特点:两级多平行轴齿轮分流传动。•多个永磁发电机组合•实现齿轮均载是关键。•风轮突变载荷直接作用在低速轴上。12.关于永磁风电机组－低速、中速和高速永磁发电机设计制造技术、变频馈电和调节技术有了较大进步，众多新机型相继问世。－直驱机型向大型化发展仍有难题，齿轮传动方案受到关注：“半直驱混合传动”、“高速永磁传动”。13.“一点式”紧凑型永磁同步发电机组传动装置：－关键技术——双排滚锥轴承的研制；－风轮所有变异载荷和激振全部由齿轮箱机承受，有较大的风险；－较难布置柔性联接结构。“一点式”支撑轴承：－大锥角圆锥滚子轴承，－承受多变的复合载荷。－两个轴承组合，用螺栓将旋转的外圈或内圈与机组对应的构件连接。－为节省空间，应用穿销式保持架。－采用油脂润滑或压力油润滑，以及特殊密封方式。－带绝缘层的滚道或陶瓷滚子防止电蚀。“一点式”支撑轴承的研发促进了紧凑型机组技术的进展14.“主轴和箱体集成式”从概念设计到实际应用的改进：－低速重载悬臂行星架改为双支撑结构；－内齿圈单面紧固改为双面紧固；－大锥角滚锥轴承的应用。15.偏航回转装置：－采用“零游隙”四点接触轴承，能承受冲击载荷荷颠覆力矩作用。－数个驱动装置和制动器的合理调整。－注重润滑问题。16.变桨距传动装置：

－回转轴承与偏航轴承类似，受轴向、径向力以及颠覆力矩作用，也要经受叶片强烈振动引起的异常载荷作用。

－叶片变矩方式：

1）步进电机和齿形皮带驱动；

2）伺服油缸和四连杆驱动；

3）电机减速器驱动。

变桨距线性电机驱动装置变桨距传动应用线性电机直接驱动，简化了机构，但性能和成本有待实践考验17.机组对轴承要求：－修正寿命17.5万小时，适应极端气候条件，承受震荡、湍流等突变载荷作用，性能稳定，合适的极限应力值。设计选用标准：ISO281;ISO81400-Part4和供应商资料。应用趋势：倾向于滚子轴承，滚锥轴承组合尤为常见。轴承失效：－点蚀、疲劳剥落、变形和磨损等常见形式。－低速重载装置空载时的“打滑”现象引起关切。－研究“白裂纹”（WEC：WhiteEtchingCracks）机理，预防过早失效。18.连杆式弹性联轴器－平稳传递扭矩－补偿轴的偏移（径向和轴向）－影响动力链的动能（减振、转换共振点）－防过载（电机短路过载扭矩等）19.风力发电设备对润滑的要求：－润滑油的使用寿命长；－超强抗磨，齿轮抗微点蚀保护；－保护轴承；－20年设计寿命期间无故障运行；－良好的高低温性能以适应机组外部环境的要求；－优良的过滤性能；－良好的对水的容忍性。－FAGFE8测试：

齿轮油对轴承的抗磨保护测试，共有4级，测试轴承磨损量和存积物的量。－齿面的抗磨保护测试FZG防胶合负荷测试，DIN51354。－其他指标：

抗氧化性能；与密封材料的兼容性；防锈防腐性能；保持清洁的能力；抗泡性和空气释放性能；抗剪切性能；环境友好性能......油品清洁度要求－润滑油的清洁度对齿轮箱齿轮，特别是轴承寿命的影响：

油液清洁度每提高一个等级，轴承的寿命将成倍延长－清洁度要求：

状态

油品清洁度（ISO4406）加入齿轮箱的新油

14/11带负荷试验前的最低清洁度14/11磨合期的最低清洁度