风电齿轮箱相关问题.pdfVIP

采用齿轮传动的风力发电机组中，齿轮箱是主动力轴系重要的机械部件，其功用是将风轮在

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。

由于机组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，保证齿轮

箱平稳工作，防止振动和冲击，保证充分润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，还要设

置监控点，配置合适的加热和冷却装置。对齿轮箱的性能、制造精度、装配和试验提出了一

系列近乎苛刻的要求。

1.齿轮箱在风电机组中的布置形式

风力发电机组轴系最为常见的布置形式如图1所示，与风轮连接的大轴支撑在两个单独设置

的轴承上，其末端通过涨紧套与齿轮箱相连。齿轮箱的支架安装在机舱底盘上，而齿轮箱的

高速轴则用柔性联轴节与发电机相连。这就是所谓的“一字型”布置。风轮的异常载荷通常由

两个大轴轴承承受，齿轮箱受到影响较少，各个主要部件间隔较大，便于安装和维修，只是

机舱轴向尺寸较长。但也有的观点认为大轴的

图1.常见的风力发电机组布置形式：大轴独立支撑，末端与齿轮箱连接

如果省去一个大轴的支撑轴承，使大轴末端直接与齿轮箱输入轴相连，则变为图20-2所示

的结构，在这种情况下，虽然能缩短轴向尺寸，但对齿轮箱不利，必须采取措施加强其支撑

刚性，同时要尽可能消除风轮通过大轴对齿轮箱施加异常负荷的影响。

图20-2大轴一端支撑在轴承上另一端直接与齿轮箱连接的结构

有时为了缩短机舱长度尺寸而将发电机反向布置，发电机骑在大轴箱上，这时齿轮箱的输

入和输出轴处于同一侧，齿轮箱设计成“U”型，大轴箱与主支架做成一体，具有足够的支撑

刚性，机舱内各部分重量的集中度较好（见图20-3）。

图20-3齿轮箱“U”型布置形式

为了进一步减小机舱体积，也可以省去大轴，如图20-4所示，将齿轮箱输入轴和风轮轮毂

过渡法兰直接连接，过渡法兰用一个特殊的轴承支撑。

图20-5齿轮箱直接与风轮法兰连接的结构

更为紧凑的，将齿轮箱与机舱主支架做成一体，齿轮箱低速级的行星架直接与轮毂联接，使

传动线路最短，增加了机组结构刚性，只是主机架和齿轮箱制造难度加大。（见图20-6）。

图20-6齿轮箱与机舱主支架一体化设计的布置形式

第二节齿轮箱设计

作为风力发电机组主传动关键部件，齿轮箱位于风轮和发电机之间传递动力提高转速，是一

种在无规律变向载荷和瞬间强冲击载荷作用下工作的重载齿轮传动装置。

特别需要指出的是，在狭小的机舱空间内减小部件的外形尺寸和减轻重量十分重要，因此齿

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，同时要考

虑便于维护的要求。根据机组提供的参数，采用CAD优化设计，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。

受风轮转速的限制，齿轮箱输入额定转速一般在20r/min左右，而发电机额定转速通常为1，

000–1，500r/min，故齿轮箱的增速比在50–100左右。300kW–2，000kW风电机组齿

轮箱，为了使结构紧凑，常常采用行星齿轮传动或行星与平行轴齿轮组合传动。

图20－7一级行星两级平行轴齿轮传动的风电增速箱

常见的兆瓦级风力发电机组增速箱如图20－7所示，由一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传

动组成，是一种典型的传动装置。齿轮箱利用其前箱盖上的两个突缘孔内的弹性套支撑在支

架上。齿轮箱低速级的行星架通过涨紧套与机组的大轴连接，三个一组的行星轮将动力传至

太阳轮，再通过内齿联轴节传至位于后箱体内的第一级平行轴齿轮，再经过第二级平行轴齿

轮传至高速级的输出轴，通过柔性联轴节与发电机相联。齿轮箱输出轴端装有制动法兰供安

装系统制动器用。此外，为了保护齿轮箱免受极端负荷的破坏，中间传动轴上还装有安全保

护装置。

一、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