风电场开发研讨班培训教材（主轴—齿轮箱—偏航系统—刹车系统—控制系统—塔架与基础).doc

风电场开发研讨班培训教材（齿轮箱、偏航系统、刹车系统、控制系统、塔架与基础） 吴运东 2005年7月 于杭州 风电场开发研讨班培训教材（齿轮箱、偏航系统、刹车系统、控制系统、塔架与基础） §1 风力发电机组的齿轮箱 风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用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，远达不到发电机发电的要求，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。 根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称主轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴端形式是法兰盘连接结构。也有将主轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。2 1．齿轮箱的设计要求 齿轮箱设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。根据机组要求，采用CAD优化设计，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置，等等，是设计齿轮箱的必要前提条件。 设计要求 齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型，对起动、运行、空转、停机、正常起动和紧急制动等各种工况进行模拟，针对不同的机型得出相应的动态功率曲线，利用专用的设计软件进行分析计算，求出零部件的设计载荷，并以此为依据， 风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T10300标准计算确定。国际上通行的《风力机组认证规范》有相应的章节给出载荷谱计算公式，本教材也对水平轴风力发电机组气动载荷谱分析计算作了详尽的讲解。这些资料都可用作设计计算的参考. 当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数KA＝1； 当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。 风力发电机组增速箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落，故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，常用的标准是GB/T3480或DIN3990（等效采用ISO6336）中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析。 1.1.1. 效率 齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其他机件阻尼等。齿轮传动的效率可按下列公式计算： η＝η1η2η3η4 (1) 式中 η1——齿轮啮合摩擦损失的效率； η2——轴承摩擦损失的效率； η3——润滑油飞溅和搅油损失的效率； η4——其他摩擦损失的效率。 对于行星轮系齿轮机构，计算效率时还应考虑对应于均载机构的摩檫损失。行星齿轮轮系的效率可通用一般机械设计手册推荐的公式进行计算。其方法主要有啮合功率法和力偏移法两种。啮合功率法通过转化机构（定轴轮系）的机械效率来求出行星轮系的机械效率，虽然是一种近似算法，但由于方便计算和理解，故常用此法进行设计计算。力偏移法有较高的精度，但计算繁杂，一般少用。 风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。 对于采用滚动轴承支承且精确制造的闭式圆柱齿轮传动，每一级传动的效率可概略定为99%，一般情况下，风力发电机组齿轮箱的齿轮传动不超过三级。值得指出的是，随着传递载荷的减小，效率会有所下降，这是因为整个齿轮箱的空载损失，即润滑油飞溅和搅动时的能量损失、轴承的摩擦以及密封等的损失，在传递功率变化时几乎是不变的。 噪声级 风力发电增速箱的噪声标准为85