新能源风力发电机组传动系统

风力发电机齿轮箱简介

摘 要

随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高,对能源的需求越来越大，环境的破坏也渐趋严重，新能源的开发及利用是当今社会发展的必然趋势。风能作为一种清洁环保的绿色能源受到世界各国的青睐，而将风能转化为电能的装置--风力发电机的研究也是现在的一大热门主题。本文主要介绍了风力发电机传动系统的主要部分--齿轮箱，对其设计要求、结构类型、零部件进行了介绍，同时结合自身专业知识进对其工作环境、存在的失效故障问题进行了简单研究。

关键词：新能源；风力发电机；齿轮箱；工作环境；失效问题

ABSTRACT

With the rapid development of global economy and the increasing of human living standard, the demand for energy is more and more large, the destruction of the environment is also becoming more serious, the development of new energy and utilization is the inevitable trend of social development. Wind power as a kind of clean and environmental protection green energy is favored by countries around the world, and the device which changes wind energy into electrical energy--wind turbine, the research of it is now a hot topic. The paper mainly introduced the drive system of wind turbines--gearbox, the design requirements, structure types and main components of it are introduced. At the same time, according to the own professional knowledge, the work environment and the

existing question about fault has been simply studied by according to the own professional knowledge.

Key words：new energy sources; wind turbine; gear box; the work environment; the failure problems

1 绪论

随着科技进步和国民经济的日益发展，石油资源日益枯竭，而燃煤、核能等又存在大量环境污染和安全隐患，寻找新的可再生清洁能源、改善世界能源结构就成为了世界各国迫在眉睫的头等大事。风力发电作为可再生绿色能源，越来越受到世界各国的关注和重视，我国中长期规划明确支持“重点研究开发大型风力发电设备”，风电装置由此得到迅速发展。2009 年，全球风机装机容量已达159213MW，新增装机容量 38312 MW，增长率为 31.7%。中国则继续在世界风能发展中发挥领军作用，2009年新增装机容量达1.38×104MW，第四次实现超过1倍增长[1]。

随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高，对能源的需求越来越大。化石燃料是人类最早利用的能源之一。从18世纪开始，即随着英国产业革命的发生和发展，化石资源—最先是煤炭,然后是石油和天然气，就逐步替代柴草进入人类社会生活的各个方面，并有力地推动着社会生产力的发展。虽然到目前为止，石油、天然气和煤炭等化石能源仍然是世界经济的能源支柱，然而化石资源的有限和对环境的危害性，已经日益地威胁着人类社会的安全和发展。充足的能源、洁净的环境是经济持续发展的基础条件[2]。风能利用的最主要型式就是风力发电，风是风力发电的原动力，它是由于太阳照射到地球表面各处受热不同，产生温差引起大气运动形成的。据理论计算全球大气中风能总的能量1017kw，而且是可再生的，估计大约有3.5×1012kw的蕴藏风能可以被开发利用，这个价值至少比

世界上可利用的水能大10倍[3]。

风能清洁无污染是一种绿色能源，风取之不尽、用之不竭，不存在资源衰竭问题；同时在风能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。尽管从全能量系统的观点来看，在风电设备及其原材料的生产、制造和安装过程中需要消耗一定的化石能源,进而对环境构成一定的污染，但其排放量相对于风力机发出的电力而言则微不足道。

2 风电齿轮箱

2.1 风电齿轮箱简介

风力发电机组中的齿轮箱（简称风电齿轮箱）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。

2.2 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。

2.2.1载荷要求

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，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。

2.2.2 效率要求

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（1）计算：

=12341

式中 1——齿轮啮合摩擦损失的效率；

2——轴承摩擦损失的效率；

3——润滑油飞溅和搅油损失的效率；

4——其他摩擦损失的效率。

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。

2.2.3 噪声级要求

风力发电增速箱的噪声标准为85dB（A）左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：

1) 适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；

2) 提高轴和轴承的刚度；

3) 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振。

齿轮箱安装时采取必要的减振措施，按规范找正，充分保证机组的联接刚度，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543规定的C级之内。

2.2.4 可靠性要求

由于风力发电机的工作环境的限制，对其进行检测、维修耗费的成本很高，所以对于风力发电机而言，其齿轮箱的寿命必须达到要求，所以齿轮箱的可靠性也是一个重要的指标。

按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运

行条件下进行零部件试验的方法。可靠性分析的步骤是: 在方案设计开始时进行可靠性初步分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。

2.3 齿轮箱的结构种类

风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。下面将对几种常用的齿轮箱结构特点及其应用进行介绍：

1）两级平行轴斜齿传动，结构如图2.1所示，Bonus100kW风力机使用的齿轮箱，一般为焊接箱体，飞溅润滑，结构简单，成本低廉，维修方便，传递的功率小。由于传动比小，所以叶轮的转速较高。检查时注意油位及轴承是否正常，必须保证润滑充分及油的品质。

图2.1两级平行轴斜齿传动 图2.2三级平行轴斜齿传动

2）三级平行轴斜齿传动，结构如图2.2所示，箱体特点为可做成剖分式结构和焊接结构；体积较大、加工容易、装配方便、便于检修、成本较低，多用于小功率机组。

3）一级斜齿二级分流三级人字齿平行轴传动，结构如图2.3所示，分别用斜齿、人字齿、分流结构让齿轮箱运行更加平稳安全，提高安全系数。齿轮箱结构复杂，维修装配困难，体积庞大。齿轮箱分两个部分，小箱体高速部分与大箱体低速部分。箱体特点：箱体一般为焊接结构，传递功率一般，传动比不大，人字齿加工困难，成本较高。

图2.3一级斜齿二级分流三级人字齿平行轴传动

4）一级行星两级平行轴斜齿传动，结构如图2.4所示，齿轮箱一般都为铸造箱体，箱体分为两个部分，行星齿箱部分与斜齿箱部分。箱体特点：体积小，传动比高，传递功率大，运行平稳，加工困难，成本较高。

图2.4一级行星两级平行轴斜齿传动 图2.5三级平行轴斜齿传动

5）准行星齿轮箱，结构如图2.5所示，结构上这种箱体还是定轴轮系的齿轮箱，不是

周转轮系。与行星轮系结构齿轮箱相比，它的大齿圈是旋转的，而行星轮系的大齿圈了固定的。箱体特点：体积小，传递功率一般，加工困难，装配困难。这样的齿轮箱有JF’750kW FLA800、FLB800型箱体。从实际运行来看，国产的这种齿轮箱如果加工精度和强度达不到要求，特别容易出现齿轮箱故障，运行不稳定。

所以风电齿轮箱的选用需要根据实际需要来选定，在满足风力发电机载荷、效率、噪声、可靠性要求的同时，选择经济适用的齿轮箱也是一个重要的问题。

3 风电齿轮箱主要存在问题分析

风电齿轮箱存在的故障失效问题是由其工作环境引起的，所以在对失效问题进行分析的时候，首先应该对其工作环境进行考察，然后再根据具体的实际检测参数进行故障失效问题研究。这里主要对大型风力发电机进行研究分析。

3.1 风电齿轮箱的工作环境

风电机组的基本功能是利用叶轮旋转接收风能转换成机械能，通过风力发电

传动系统使叶轮的转轴与发电机的转轴相连，完成机械能向电能转换，最后通过

并网装置将发电机产生的电能馈送到电网。风电机组齿轮箱的实质是增速齿轮

箱，旨在将风轮旋转速度通过增速机构提高到一个与标准感应电机相匹配的转

速，即将仅为9～20转／分的风轮转速提高到1000～2200转／分。风电机组中的齿轮箱工作在距地几十米高的高空，其恶劣的工作环境表现为：

（1）长期工作在交变复杂载荷下：风电机组容量日益增大，随着轮毂高度增加，齿轮箱传动系统所承受的交变力变的更加复杂。由于不同风电场对气流的影响，会使风电机组齿轮箱传动系统经常出现超过其设计极限条件的情况，而且这种气流是不稳定的[4]。

（2）承受扭转冲击力：风电机组启动时，发电机由于惯性作用对来自齿轮箱高速端的动力产生阻碍，此瞬间齿轮箱承受来自叶轮的动力和发电机负载的阻力。

（3）承受较大疲劳冲击：机组的正常刹车和紧急刹车也对齿轮箱产生疲劳冲击，特别是在高负荷情况下的紧急停机。

（4）工作温度过低：在北方地区，冬季气温很低，一些风场极端最低气温达到-40℃以下，而风电机组的设计最低运行气温在-20℃，个别低温型风电机组最低可达-30℃，长时间在低温下运行，齿轮油因气温太低而变得粘稠，当采用飞溅润滑时，箱内某些润滑部位无法得到充分润滑[5]。

（5）要求大传动比，结构复杂，级数多，行星轮增速风电齿轮箱在结构形式上是一种多级行星传动机构,是一种大传动比、大功率的增速传动装置，风轮转速较低，额定转速一般不超过20r／min ，发电机的额定转速一般为1500或1800 r／min，因此大型风电增速齿轮箱的速比一般在75～100左右。

（6）风电齿轮箱的体积和重量对机组其他部件的载荷、成本等都有重要影响，因而设法减小其结构和减轻重量显得尤为重要。但结构尺寸与可靠性的矛盾，往往使风电齿轮箱设计陷入两难境地。

3.2 风电齿轮箱的存在的问题

由于大型风力发电机长期工作在交变复杂载荷下、承受扭转冲击力、承受较大疲劳冲击、工作温度过低、传动比大、结构与可靠性矛盾，使得当前大型风力发电机齿轮箱主要存在以下问题：

（1）风电齿轮箱齿轮断齿或点蚀情况严重，轴承过早损坏。风力发电机在其发电转化过程中，叶片的速度是根据风速的变化而不断变化的，由于风轮锁紧产生的巨大应力会使齿轮产生严重失效，由于漏油情况的存在轴承也会过早损坏。

（2）由于风电机组齿轮箱工作环境恶劣，所承受的载荷情况非常复杂。因而目前对复杂载荷下的齿轮箱数据收集还是空白，对风电机组在使用过程中经常出现的瞬间载荷、制动载荷、极限载荷等的处理有些情况下完全凭经验估算。此外，在设计计算过程中性积累损伤理论不能真实反映实际破坏情况，这将导致设计计算基础的不合理。

（3）随着现代制造业的发展，轴承材料性能和制造精度的不断提高，原有的轴承寿命计算理论难以满足现代风电机组齿轮箱轴承计算的要求。国际著名轴承公司提出的新轴承寿命计算方法的相关资料一般较少公开，而国内对轴承寿命究还处于初级阶段。

4 总结

风能作为清洁环保的新能源，其利用效率的关键在于风力发电机的转换利用效率，本文对风力发电机的齿轮箱进行了介绍。

对风电齿轮箱的设计要求：载荷要求、效率要求、噪声要求、可靠性等进行了分析；对风电齿轮箱的几种结构形式及其特点进行了简单的介绍；同时根据大型风力发电机的使用要求，对其恶劣的工作环境进行了分析；最后在分析其工况的基础上对其主要存在的三

大问题进行了总结。

所以本文后续还应该对三大问题的解决方法进行深入的研究分析，使对风电齿轮箱的理解更加全面，为风电齿轮箱的设计、选型、失效问题研究提供必要的理论知识。

参考文献：

[1] China Wind Energy Association. Installed capacity statistics of China’s wind power 2009[R].Beijing ：CWEA ，2010

[2] 戴慧珠，陈默子，王伟胜，王晓蓉. 中国风电发展现状及有关技术服务[J]. 中国电力,2005,1(38):11-14

[3] 王梦.对我国开发利用风力发电的思考[J].中国国土资源经济，2009(2).

[4] 何玉林，王磊，杜静等.海浪作用下的风力发电机组总体性能仿真. 重庆大学学报.2011.34(3)18-24

[5] 招妙妍，风电齿轮箱高速轴故障处理与分析[J].设备管理与维修，2011，1(09):16-17