風(fēng)電增速箱工況分析
(湯克平-杭州前進(jìn)增速箱集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心風(fēng)電所311203)
摘要：
本文對(duì)各種風(fēng)電機(jī)組的工況作了詳細(xì)分析，對(duì)風(fēng)電增速箱的完善開(kāi)發(fā)提供了積極的參考建議。
關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、一點(diǎn)式、兩點(diǎn)式、三點(diǎn)式、緊湊型
Theconditionanalysisofwindpowergearboxes
(TangKePing-HangzhouadvancegearboxgroupCo.,LTD.Thewindpowergearboxesinstituteoftechnologycenter311203)
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powerboxes.
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引言：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)多種多樣，但歸納起來(lái)可分為兩類：①水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；②垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向。
水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常又分為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
目前市場(chǎng)上雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是主流，技術(shù)比較成熟，但其有很多缺點(diǎn)，特別是有增速箱增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)費(fèi)用等。
直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是新興的一種發(fā)電機(jī)，省去了增速箱，而且可以在低速的風(fēng)速下取得較好的發(fā)電效率。直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然效率高，但也面臨永磁材料退磁，原材料成本高昂，造價(jià)成本高等難題，目前遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到大批量投產(chǎn)及主流的地位。
雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工況分析
增速箱是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的最核心部件之一，在系統(tǒng)中起到傳遞動(dòng)力及支撐傳動(dòng)軸的作用。作為增速箱生產(chǎn)者，往往對(duì)增速箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究非常重視，技術(shù)的發(fā)展也非常快。對(duì)增速箱外圍工況的研究相對(duì)較少，因此外圍聯(lián)接的設(shè)計(jì)處于無(wú)人重視的真空地帶。主機(jī)設(shè)計(jì)單位認(rèn)為增速箱設(shè)計(jì)者會(huì)考慮，增速箱設(shè)計(jì)單位認(rèn)為主機(jī)設(shè)計(jì)者會(huì)考慮。由此埋下安全隱患，故障的表現(xiàn)往往體現(xiàn)
在增速箱某個(gè)零部件的損壞上。
風(fēng)電增速箱的動(dòng)力輸入者為風(fēng)機(jī)葉片，葉片的轉(zhuǎn)速完全受自然風(fēng)況的直接影響，由此增速箱常年處于交變載荷的作用。同時(shí)由于風(fēng)機(jī)葉片重量及增速箱本身重量的作用，增速箱在風(fēng)電機(jī)組中的受載變得異常復(fù)雜，這是風(fēng)電增速箱設(shè)計(jì)的真正難點(diǎn)所在。
按雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)組結(jié)構(gòu)型式，可分為：一點(diǎn)式、兩點(diǎn)式、和三點(diǎn)式、緊湊型。這種分法主要針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的主軸支撐特點(diǎn)來(lái)分的。
一點(diǎn)式：風(fēng)電機(jī)組的主軸集成于增速箱上，葉片產(chǎn)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(gè)零件，故軸承的選型及結(jié)構(gòu)布置有絕對(duì)的自主權(quán)，力的傳遞關(guān)系相對(duì)明晰，是設(shè)計(jì)的一大便利。對(duì)機(jī)組而言，整體結(jié)構(gòu)緊湊，造價(jià)上有一定的優(yōu)勢(shì)。但也存在日后維護(hù)麻煩，維修費(fèi)高等問(wèn)題。主軸軸承的選型通常推薦圓錐滾子軸承配對(duì)使用為佳，因?yàn)閳A錐滾子軸承可軸向預(yù)緊，定位精度高，對(duì)齒輪級(jí)的傳動(dòng)影響小。但軸向配合間隙有一定的難度，同時(shí)成本相對(duì)較高。主軸前端軸承常用的是調(diào)心滾子軸承，因調(diào)心滾子軸承安裝簡(jiǎn)單，成本不高。但因考慮調(diào)心軸承帶來(lái)的主軸變形對(duì)齒輪傳動(dòng)級(jí)造成的影響。
一點(diǎn)式機(jī)組
兩點(diǎn)式：風(fēng)電機(jī)組的主軸由兩點(diǎn)軸承獨(dú)立支撐于風(fēng)機(jī)機(jī)倉(cāng)上。增速箱與主軸之間只有轉(zhuǎn)速和扭矩的傳遞，不受風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的重量與軸向載荷，但應(yīng)考慮主軸的軸向竄動(dòng)量的大小。通常情況下，對(duì)增速箱而言，此種工況是最為理想的，同時(shí)也日后增速箱的維護(hù)提供了極大的便利。主軸與增速箱的聯(lián)接有脹緊聯(lián)接、法蘭聯(lián)接、花鍵聯(lián)接等方式。
兩點(diǎn)式機(jī)組
三點(diǎn)式：是指風(fēng)電機(jī)組一端支撐于機(jī)倉(cāng)主軸承上，一端與增速箱聯(lián)接。增速箱由兩個(gè)扭力臂支撐于機(jī)倉(cāng)上。主軸承與兩扭力臂構(gòu)成三點(diǎn)支撐。這種結(jié)構(gòu)布局相對(duì)前兩種結(jié)構(gòu)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(dān)傳遞扭矩的轉(zhuǎn)速的功能，同時(shí)需承受風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的徑向力。這些工況是相對(duì)確定的，增速箱需承受的載荷也能通過(guò)載荷譜計(jì)算。而軸向力卻是一個(gè)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(gè)圓錐滾子軸承組合使用，則工況相對(duì)確定，軸向力由主軸軸承承受。因圓錐滾子軸承可以軸向預(yù)緊，對(duì)增速箱而言則不需考慮風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的軸向力。如輸入主軸承為調(diào)心滾子軸承，則軸向力是一個(gè)未知數(shù)，有可能由調(diào)心軸承來(lái)承受軸向力，也有可能由增速箱來(lái)承受軸向力。增速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，其受力會(huì)各不相同。同時(shí)增速箱還應(yīng)考慮主軸變形對(duì)增速箱的影響。此種工況對(duì)增速箱是最惡劣的，增速箱在結(jié)構(gòu)上要應(yīng)對(duì)如此復(fù)雜的工況，將是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
三點(diǎn)式機(jī)組
緊湊型：緊湊型風(fēng)電機(jī)組軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，整體造價(jià)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(jī)架成為一體。主軸后端通過(guò)法蘭與增速箱相連接。風(fēng)輪載荷（彎矩和徑向力）由主軸承承受，并傳遞到主機(jī)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(jī)架和主軸承變形產(chǎn)生的附加載荷將通過(guò)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(chǎn)生的軸向力。
緊湊型機(jī)組
增速箱輸出軸與發(fā)電機(jī)經(jīng)彈性聯(lián)軸聯(lián)接，只要在裝配時(shí)保證增速箱與發(fā)電機(jī)之間的一定的同心度即可。相對(duì)輸入軸而言，輸出軸的工況稍好，但也要考慮應(yīng)急剎車對(duì)增速箱的沖擊載荷。
結(jié)束語(yǔ)：
研究風(fēng)機(jī)工作工況是設(shè)計(jì)風(fēng)電增速箱的前提，也是設(shè)計(jì)好風(fēng)電增速箱的難點(diǎn)和關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)：
《風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)技術(shù)展望》宣安光
作者簡(jiǎn)介：湯克平杭州前進(jìn)增速箱集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心風(fēng)電所工程師電話：13588240210E-mail:hctkp2012@163.com