风力发电齿轮箱的设计

goldwinddqh

谈谈风力发电齿轮箱的设计
周茂清
1 T! @  f' C+ R1 |风力发电齿轮箱的作用是将风力带动的槳叶经齿轮箱增速后传给发电机发电，风电齿轮箱是风力发电动力传递的核心装置，一旦齿轮箱出了问题，整台发电设备就处于瘫痪状态，而且齿轮箱处于几十米的高空，维修吊装极为困难，由于齿轮箱使用工况很不稳定，工况极其恶劣，而且要持续每年３００天以上运行。这些都应该在齿轮箱的设计中考虑和解决的问题。因此齿轮箱的设计必需安全可靠，经久耐用。目前我国使用的国内外风电齿轮箱，主要有配套有GE、维德、美德、德雅可夫、维司塔斯、西班牙等各公司齿轮箱，以及在此基础上进行设计的国内生产的风电齿轮箱。目前这些齿轮箱的适用范围为：发电功率200ＫＷ－1660ＫＷ，风力带动桨叶的转速为19—28.5r／min（齿轮箱的输入转速），增速齿轮箱的输出转速为1440—1520r／min（发电机转速），齿轮箱的速比范围为：Ｕ＝36—78（个别达到98）目前国内外的这些大型风电齿轮箱的主要结构型式有三种：１、二级平行轴，２、三级平行轴，３、一级行星加二级平行轴.在大功率的风电齿轮箱中主要是第３种结构型式，即为一级行星加二级平行轴的结构型式。结构示意图如图一所示： 其传动路线是；桨叶——传动轴——收缩套——行星架——太阳轮——第二级平行轴大齿轮——第二级平行轴小齿轮——第一级平行轴大齿轮——第一级平行轴小齿轮——发电机齿轮箱的材料：外齿轮材料为优质低碳合金结构钢，如17CrNiMo6，内齿轮材料为42CrMoA，内齿圈磨齿，外齿轮渗碳淬火磨齿，精度在ＩＳＯ1328之６级以上，轴承全部为ＳＫＦ、ＦＡＧ、ＮＳＫ等进口轴承，且多为双列向心球面滚子轴承，单列园柱滚子轴承等。齿轮箱的润滑为强制润滑系统，设置有油泵、过滤器，下箱体作为油箱使用，油泵从箱体抽油口抽油后经过过滤器通过管系将油送往齿轮箱的轴承，齿轮等各个润滑部位。还设置有电加热器，测油温的热电阻ＰＴ100，油位传感器，液压空气滤清器等等，以适于地面监控。无论是从国外进口的风电齿轮箱，还是国内生产的风电齿轮箱，在使用中都出现过质量问题，国内生产的故障率更高，返修比例很大，甚至成百台的返修，这样给用户和制造厂都带来了重大的经济损失，这些严酷的事实使我们清醒地认识到，目前风电齿轮箱的质量还不过硬，如果这个问题不解决，将严重地制约着我国风力发电的发展。为此我们对国内外的大型风电齿轮箱进行了详细的研究，分析和计算，尽管出现故障部位和情况多种多样，比如说，断轴、齿面点蚀剥落断齿、箱体开裂、漏油等等。但是归根结底还是一个问题：就是齿轮箱设计的安全系数过小，齿轮强度偏低，可靠性差。片面追求高精度，反映了国外风电齿轮箱片面采用高精度换取高强度的设计理念。出了问题也只能头痛医头脚痛医脚，不能从根本上解决问题。下面从825ＫＷ的某风电齿轮箱为例进行的计算结果，计算分两个项目进行，即我们通常进行的接触强度和弯曲强度的计算，为了简化，我们用接触强度系数Ｋ和弯曲强度（荷模比）Ｗ来表示，计算公式： Ｋ＝Ft(u+1)/bdu　　　　　Ｗ＝Ft/bMn　　　　第一级平行轴齿轮（高速级）Ｋ＝51　Ｗ＝69 第二级平行轴齿轮（中间级）Ｋ＝56　Ｗ＝86 第三级行星传动（低速级）Ｋ＝58、3 Ｗ＝66 Ｋ、Ｗ值越大，安全系数越小。因此根据我们长期设计的经验，根据风电齿轮箱的实际使用工况，风电齿轮的设计值应该为Ｋ=45，Ｗ=80以下比较合适，Ｋ、Ｗ值越小，安全系数越大，越安全。因此风力发电齿轮箱设计思想是： 1、 思想上不要局限在国外已有产品的水平上，要打破框框，要根据国内的材料、工艺加工、使用等实际情况设计风电齿轮箱。 2、 核心的问题是提高齿轮强度提高安全系数，提高可靠性，达到上述K、W设计要求。在提高可靠性的同时，要保持同型号的齿轮箱的重量和外形尺寸基本一致，尽可能保持安装尺寸的通用性，当然重量变轻、尺寸能缩小更好。 3、 由于齿轮箱的维修非常困难，且不经济，最好做到更换小零件不用吊到地面，在舱内就可以进行。平时能最大限度的观测齿轮箱内部的运行情况，及时发现问题和检修。 4、 轴承的选用以寿命长为原则，在同样的条件下应选用额定负荷最大的轴承，使用寿命最长。 5、 彻底解决漏油问题。 根据上述设计思想我们设计了新一代的风电齿轮箱，在国外现有风电齿轮箱的基础上推陈出新，突破了国内外传统的结构型式，采用了更为先进的一级平行轴加两级行星的结构型式。结构示意图如图二所示： 其传动路线是；桨叶——传动轴——收缩套——第二级行星架——第二级太阳轮——第一级行星架——第一级太阳轮——平行轴大齿轮——平行轴小齿轮——发电机经过优化设计齿轮强度计算值如下；平行轴齿轮（高速级） K=36.85 W=56.25 第一级行星传动（中间级）K=36 W=62.5 第二级行星传动（低速级）K=45 W=60.9 从计算结果可以看出；安全系数大大提高了，传递能力提高30 %左右，从根本上保证了风电齿轮箱的可靠性、安全性和使用寿命的要求。这两种齿轮箱外形尺寸如图三所示： 新齿轮箱在设计上除采用了国外齿轮箱的所有检测功能外，同时设置了能观察到齿轮箱内部的齿轮、轴承的观察孔。为了拆装检修方便，齿轮箱不用吊出，就能开盖检查，进行维修和更换零部件，行星齿轮采用浮动均载，拆卸、装配方便，一般问题在机舱内就能解决。达到了预期的目的，为了与齿轮强度寿命相匹配，低速级行星齿轮的轴承由二个增加到三个，高速轴的轴承提高了一个规格，因而使轴承的寿命大大提高。新齿轮箱虽然传递能力增加了， 但体积和重量没有增加，反而结构更加紧凑，体积变小，重量降低了10%左右，安装尺寸上发电机中心高的尺寸降低了120mm，降低了发电机的重心高度。齿轮箱的输出轴轴径由原 100加大到 110，提高了轴的强度，其余安装尺寸安全一样，从而达到了通用的目的。（本文作者系中国机械工业科技专家、国务院政府特殊津贴获得者、南京市科技功臣、中共中央、国务院直接掌握并联系、进入中国专家支持系统的《中华人民共和国专家》。）

crsforever

不错啊，但是本人没有研究齿轮箱那一块，呵呵，好资料！！
不管怎么说，这个齿轮的研究还是比较难的，希望我国能尽快的自主开发成功！！

yezisunshine

good 好资料！  要是有图解就更好了！希望国内的的技术水平能够达到设计者的要求～～

garbery

没图好像说服力差了点

DDN

原文作者是搞水泥磨的国内知名专家，现在也开始关注风电行业的发展了，说明这个行业前景广阔啊。
& k$ m1 S+ R* y
前段时间听到消息说SKF和TIMKEN都将在中国大陆建新厂专用于生产风电行业用轴承。

C791218

好文章，对风机齿轮箱的设计讲得筒单扼要。谢谢楼主！