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(shù)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(fā)提供了積極的參考建議。
關(guān)鍵詞：雙饋風力發(fā)電機、一點式、兩點式、三點式、緊湊型
Theconditionanalysisofwindpowergearboxes
(TangKePing-HangzhouadvancegearboxgroupCo.,LTD.Thewindpowergearboxesinstituteoftechnologycenter311203)
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powerboxes.
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引言：
風力發(fā)電機多種多樣，但歸納起來可分為兩類：①水平軸風力發(fā)電機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸與風向平行；②垂直軸風力發(fā)電機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向。
水平軸風力發(fā)電機通常又分為雙饋風力發(fā)電機和直驅(qū)風力發(fā)電機。
目前市場上雙饋風力發(fā)電機是主流，技術(shù)比較成熟，但其有很多缺點，特別是有增速箱增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護費用等。
直驅(qū)風力發(fā)電機是新興的一種發(fā)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(fā)電效率。直驅(qū)風力發(fā)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(chǎn)及主流的地位。
雙饋風力發(fā)電機的工況分析
增速箱是雙饋風力發(fā)電機動力傳動系統(tǒng)中的最核心部件之一，在系統(tǒng)中起到傳遞動力及支撐傳動軸的作用。作為增速箱生產(chǎn)者，往往對增速箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究非常重視，技術(shù)的發(fā)展也非?？臁υ鏊傧渫鈬r的研究相對較少，因此外圍聯(lián)接的設(shè)計處于無人重視的真空地帶。主機設(shè)計單位認為增速箱設(shè)計者會考慮，增速箱設(shè)計單位認為主機設(shè)計者會考慮。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(zhuǎn)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(fù)雜，這是風電增速箱設(shè)計的真正難點所在。
按雙饋風力發(fā)電機的機組結(jié)構(gòu)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(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零件，故軸承的選型及結(jié)構(gòu)布置有絕對的自主權(quán)，力的傳遞關(guān)系相對明晰，是設(shè)計的一大便利。對機組而言，整體結(jié)構(gòu)緊湊，造價上有一定的優(yōu)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(yù)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(diào)心滾子軸承，因調(diào)心滾子軸承安裝簡單，成本不高。但因考慮調(diào)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(zhuǎn)速和扭矩的傳遞，不受風機葉片產(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(lián)接有脹緊聯(lián)接、法蘭聯(lián)接、花鍵聯(lián)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(lián)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(gòu)成三點支撐。這種結(jié)構(gòu)布局相對前兩種結(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，增速箱需承擔傳遞扭矩的轉(zhuǎn)速的功能，同時需承受風機葉片產(chǎn)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(yù)緊，對增速箱而言則不需考慮風機葉片產(chǎn)生的軸向力。如輸入主軸承為調(diào)心滾子軸承，則軸向力是一個未知數(shù)，有可能由調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計的不同，其受力會各不相同。同時增速箱還應(yīng)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(jié)構(gòu)上要應(yīng)對如此復(fù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生的軸向力。
緊湊型機組
增速箱輸出軸與發(fā)電機經(jīng)彈性聯(lián)軸聯(lián)接，只要在裝配時保證增速箱與發(fā)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(yīng)急剎車對增速箱的沖擊載荷。
結(jié)束語：
研究風機工作工況是設(shè)計風電增速箱的前提，也是設(shè)計好風電增速箱的難點和關(guān)鍵。
參考文獻：
《風電機組齒輪傳動技術(shù)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(shù)中心風電所工程師電話：13588240210E-mail:hctkp2012@163.com