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1、 学号 密级 公开 xxxxxxxxx 本科生毕业设计本科生毕业设计 风力发电机传动系统的设计 学院名称：培黎工程技术学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学生姓名：马 指导教师：同 教授 二一三年五月 BACHELORS DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITY Design of Transmission System of Wind Power Generator College : School of Bailie Engineering drive system; direct drive; doubly-fed; step-up gear
2、box 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 风力发电机研究的背景及其意义1 1.1.1 风力发电机研究的背景 1 1.1.2 风力发电研究的意义 1 1.2 风力发电发展的过程、现状及趋势2 1.2.1 风力发电初创时期 2 1.2.2 风力发电徘徊发展期 2 1.2.3 风力发电的现状及趋势 3 1.2.4 我国风力发电技术存在的问题 4 1.3 本文研究的主要内容5 第 2 章 风力发电机组的组成和驱动结构型式.6 2.1 概述6 2.2 风力发电机组的组成与结构7 2.3 风力发电机的结构型式10 2.3.1 直驱型风力发电机 10 2.3.2 双馈型风力发电机 11 2.3.3 直驱
3、型风力发电机和双馈型风力发电机的特性比较 12 第 3 章 风力发电机组传动系统设计 .14 3.1 传动系统的结构14 3.2 风力发电机传动系统布置型式及其特点比较14 3.3 增速齿轮箱传动系统的典型结构型式及分析15 3.4 增速齿轮箱传动系统设计17 3.4.1 设计的主要内容 17 3.4.2 齿轮增速传动系统设计 19 3.4.2.1 传动比的分配20 3.4.2.2 行星齿轮选用满足的几何条件20 3.4.2.3 传动部分参数计算20 3.4.2.4 齿轮参数确定21 3.4.3 箱 体 30 3.4.4 齿轮箱的冷却和润滑 31 3.4.5 齿轮箱的使用及其维护 31 3.5
4、 联轴器的选用32 总结与展望 .33 参考文献 .34 致谢 .35 附录 .36 0 第 1 章 绪论 1.1 风力发电机研究的背景及其意义 1.1.1 风力发电机研究的背景 风能是一种可再生的自然资源，是太阳能的转化形式,具体指的是太阳的辐射造成 地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均匀，从而使空气沿水平方向运动，空 气流动所形成的动能。据统计，地球上的风能理论蕴藏量约为 2.741015MW,可开发利 用的风能为 2.109MW，是地球水能的 10 倍，只要能够使用地球上 1%的风能就能满 足全球能源的需要。 风能是人类利用历史悠久的能源和动力之一，风能利用主要包括风力发电、风帆
5、助航、风车提水、风力磨坊、风力锯木等。人类对于风能的利用已有千年的历史，风 能最早的利用方式是“风帆行舟” 、利用“方格形风车” （Panemon）来带动石磨磨谷等。 12 世纪，风车从中东传入欧洲。据认为，是班师的十字军将风车的概念和设计带到了 欧洲，风力和水力很快就在中世纪的英格兰成了机械能的主要来源。 今天，荷兰人将风车视为国宝，北欧国家保留的大量荷兰式的大风车，已成为人 类文明是的见证。如 1895 年，丹尼尔哈利戴开始发展了后来演变成鼎鼎有名的“美 国农场风车” 。在今天，假如没有这种风车，那么在美国、阿根廷和澳大利亚的许多地 区，牲畜的牧场饲养也不是不可能的。 19 世纪末，丹麦人
6、首先研制了风力发电机。1891 年丹麦建成了世界第一座风力发 电站。到 1973 年发生石油危机后，风力发电进入了一个蓬勃发展的阶段，在世界不同 地区建立了许多大、中型的风电场。同时，气候的变化也推动了风电技术的进一步升 温。预计到 21 世纪中叶，风能将会成为世界能源供应的支柱之一，成为人类社会可持 续发展的主要动力源1。 1.1.2 风力发电研究的意义 从我国来看，改革开放以来,由于我国的经济增长基本建立在高消耗，高污染的传 统发展模式上,出现了比较严重的环境污染和生态破坏,环境与发展的矛盾日益突出。 再加之不断增加的人口因素 ,这一切最终的结果是资源相对短缺，生态环境脆弱，环 境容量不足
7、，这也逐渐成为中国发展中的重大问题。从世界范围内来看，风力发电作 1 为无污染的可再生能源随着世界范围内石油、煤炭储量的不断减少和燃用石油、煤炭 等对环境污染产生严重影响。因此，节约能源，提高能源利用率，大力开发使用新能 源和可再生能源，逐步以洁净能源替代矿物燃料，是我国能源建设与发展应遵循的原 则，也是实施可持续发展战略的一个重要组成部分，对于环境保护和增加能源供应有 着积极作用。此种情况下风能的利用受到人们的关注，但我国的风力发电机大多引进 国外整套设备，从中国大范围、持久开发风能的需要来看，单纯依赖国外进口风机绝 不是根本出路。只有在引进国外先进技术的同时发展我们自己的风机制造业，才是百
8、 年大计，才能保证不会面临淘汰的危险。因此研制具有自主知识产权的风力发电机具 有十分重大的意义。 总之，发展风电技术，对于缓解能源危机,保护环境，发展国民经济具有深远的意 义。 1.2 风力发电发展的过程、现状及趋势 1.2.1 风力发电初创时期 风力发电初创时期从 18871888 年冬到二十世纪 30 年代初开始，主要代表有美 国人布拉什安装了一台被现代人认为是第一台自动运行的且用于发电的风力发电机， 以及 1891 年，丹麦人拉库尔（LaCour）教授设计建造了世界上第一座风力发电试验站， 采用蓄电池充、放电方式供电，获得成功，并得到推广应用。1897 年，LaCour 教授发 明了快速
9、转动、叶片数少的风力发电机，在发电时比低转速的风力发电效率高得多， 如图 1.1。到小容量的风力发电机组技术已经比较成熟，并得到广泛的推广和应用。 图 1.1 四叶片直流风力发电 图 1.2 Gedser 风力发电机 2 1.2.2 风力发电徘徊发展期 从 20 世纪 30 年代初到 60 年代末，为风力发电的第二个阶段。此时风力发电处于 徘徊时期。 比如,丹麦在风力发电机并网方面研究比较深入，取得了很多成果。1942 年，丹麦 F.L.Smidth 公司在 Bobo 岛安装了一批两叶片和三叶片的风机，这些风机（与它们的前 辈一样）发的是直流电，如图 1.2,最具代表性的是盖瑟（Gedser）
10、风力发电机组。 创新的 200kW 盖瑟风力发电机在 19561957 年由 Johannes Juul 为 SEAS 电力公司 建成，风机安装在丹麦南部的盖瑟海岸。三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步 发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。这台风力机是失速调节型风力机， JohannesJuul 发明了紧急气动叶片尖刹车，在风力机过塑是通过离心力的作用解放。基 本上与现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。这台风力发电机，在随后的很多 年一直是世界上最大的。它在无需维护的情况下，运行了 11 年。 同样的，法国、英国、德国在这一时期对风力发电技术都取得了一些进展，但仍 由于一些客观
11、技术原因的存在，仍没有将风力发电技术发展到对于当时来说的最大化。 如前所述，为了找到更加廉价的能源，世界各国对风力发电寄予厚望，也投入了 大量的人力、物力、财力，研制成功了一些大型风力发电机，取得了一些经验，但在 20 世纪 60 年代初，由于石油价格降低，风力发电在造价和稳定可靠性方面远竞争不过 火力发电，所以风力发电的研究又停滞下来 1。 1.2.3 风力发电的现状及趋势 随着国际社会能源紧缺压力的不断增大，环境问题日益严重化，风力发电得到了 高度的重视。二十多年来，风电技术日趋成熟，应用规模越来越广。 其中我国增长最快，维持 100%的增速，当年吊装完成 1400 万千瓦，比 2008
12、年增 加了 760 万千瓦，同比增长 120%；欧盟实现装机容量 1056 万千瓦，同比增长 17%； 美国净增 992 万千瓦，同比增长 19%。根据全球风能理事会的统计，截止到 2010 年 12 月，2010 年全球风能新增装机 3850 万千瓦，累计装机 19440 万千瓦，同比 2009 年 （15870 万千瓦）增长了 22.5%。2010 年新增风电投资近 473 亿欧元（650 亿美元） 。 从风电发展的区域分布区域来看，2010 年欧洲、亚洲、北美仍分居世界三甲， 3 2010 年底的装机容量分别达到 8756 万千瓦、5828 万千瓦合 4699 万千瓦。欧洲虽然仍 居首位
13、，但是与亚洲、北美的差距正在缩小，我国风电新增容量超过欧盟。业内人士 普遍估计，到 2010 年三大风电装机容量将基本持平。从国别来看，我国以累计装机容 量 4478 万千瓦稳居首位，美国以 4027 万千瓦的装机容量位居第二，德国以 2736 万千 瓦的容量位居第三，西班牙和印度位居第四和第五，累计装机容量分别 2030 万千瓦和 1297 万千瓦。进入前十名的还有法国（596 万千瓦） 、英国（586 万千瓦） 、意大利 （579 万千瓦） 、加拿大（401 万千瓦） 、和葡萄牙（383 万千瓦） ，详见图 1.3。 图 1.3 2010 年全球风电装机排名前十的国家 总之,随着各国政策的
14、倾斜和科技的不断进步,世界风力发电发展迅速,展现出了广 阔的前景。未来数年世界风力发展的趋势可能如下发展: (1) 风力发电从陆地向海面拓展。 (2) 单机容量进一步增大单机容量为 5 MW 的风机已经进入商业化运行阶段。 (3) 在技术上,经过不断发展,世界风力发电机组逐渐形成了水平轴、三叶片、上 风向、管式塔的统一形式.进入 21 世纪后,随着电力电子技术、微机控制技术和材料技 术的不断发展,世界风力发电技术得到了飞速发展,主要体现在: 1) 变桨距功率调节方式迅速取代定桨距功率调节方式。 2) 变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式。 3) 无齿轮箱系统的直驱方式增多。 (4) 风力发电机组更
15、加个性化。 (5) 从事风力发电的队伍进一步扩大2。 1.2.4 我国风力发电技术存在的问题 虽然目前我国的风电发展速度非常快, 但与发达国家相比, 主要存在以下问题: 4 1国内风力发电机产量不足, 很大一部分核心设备主要从国外进口, 采购价格较 高; 同时某些技术瓶颈也使生产成本增加, 故风力发电的能源价格居高不下。 2从发电量因数的比较可以看出, 我国的发电量因数还不到世界的一半, 这就意 味着我国风力发电机的安装量和发电量严重不成比例。 3我国近海的风能资源比陆上丰富, 具有更高、更稳定的风速; 与陆上相比, 可 提供的能量超过 120%140%以上, 故海上风力发电的发展在我国未来非
16、常重要。但 是, 我国的海上风电发展已慢于世界其他国家, 且在技术研发方面也有不小的差距。 1.3 本文研究的主要内容 风力发电机依据有无齿轮箱分为直驱式风力发电机和双馈式风力发电机以及介于 二者之中的半直驱式风力发电机。而当前风电技术和设备的发展主要呈现大型化、变 速运行、变桨距、无齿轮箱等特点。 双馈式风力发电机，由于极对数小，因而结构比较简单，体积小，但是由于需要 齿轮增速箱，因此传动系统结构比较复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。 直驱风电机组的风轮直接驱动发电机转子旋转，不需要齿轮箱增速，从而提高了传动 效率和可靠性，减少了故障点，但是直驱式机组的发电机极对数高，体积比较大，
17、结 构也复杂得多。 所以本文在基于对二者优缺点的对比中，取长补短进行对传动系统的优化设计， 即对双馈式风力发电机的增速齿轮箱进行设计，使传动系统既具有双馈式的增速作用， 又能够具备直驱式的高的传动效率。 5 第 2 章 风力发电机组的组成和驱动结构型式 2.1 概述 风力发电机的功能是将风轮获取的空气动能转换成机械能，再将机械能转换为电 能，输送到电网中。对风力发电机组的基本要求是在风电场所处的气候和环境条件下 长期安全输送，以较低的成本获取最大的年度发电量。图 2.1 为风力发电设备示意。 如图所示机械传动、偏航、液压、制动、发电机和控制等系统大部分都装在机舱内部， 机舱外伸部分则是轮毂支撑
18、的风轮。偏航系统直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴 承与偏航机构连接，并安装在塔架上，可随时根据风向变化调整迎风风向3。 图 2.1 风力发电设备示意 风电机组的主要部件布置要使得机组在运行时，机头（机舱与风轮）中心与塔架 中心相一致，整个机舱底部与塔架的连接应能抵御风轮对塔架造成的动力负载与疲劳 负载作用。 机舱外壳是玻璃纤维和环氧树脂制造的机舱罩，具有低成本、重量轻、强度高的 特点，能有效地防雨、防潮和抵御盐雾、风沙的侵蚀。 图 2.2 是上风向、三叶片、水平轴、变桨变速带齿轮箱的兆瓦级风电主流结构。风 电机的风轮旋转产生的能量，通过轮毂、主轴、齿轮箱的高速轴和柔性联轴器送到发 电机。之所
19、以使用齿轮箱，是为了将风轮上的低转速高转矩能量，转换为用于发电机 6 上的高转速低转矩的能量，这样就可以使用就结构较小的普通电机发电。 如果不使用齿轮增速箱，在很低的风轮转速下只能用一个技术较多的发电机，而 用发电机转子的质量与转矩大小成正比例，这样的发电机将非常庞大和笨重。直驱式 风力发电机就是没有齿轮增速箱，由风轮直接驱动发电机，亦称无齿轮箱风力发电机， 如图 2.3 所示。 图 2.2 风电机组的结构图 图 2.3 直驱式风力发电机结构 2.2 风力发电机组的组成与结构 如图 2.1 所示，风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系 统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架
20、和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮 旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能 转化成电能。其工作过程流程图如图 2.4。 风风 能能 机械能机械能 机械能机械能 电能电能 图 2.4 风力发电机的工作过程 1风轮 风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由 23 个叶片和轮毂组 成，其主要功能就是将风能转换为机械能。普通风力机从审美观点看一般三叶片更令 人满意。 叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转 动是风作用在叶片上产生的升力导致。 风风 轮轮传动系统传动系统风力发电风力发电 机机 7 轮毂是风轮的枢纽，也是叶片
21、的根部与主轴的连接件。 所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到 风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（是叶片做 俯仰转动）的所在。 图 2.5 轮 毂 2传动系统 叶轮产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机,风力机的传动系统一般包括 低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴器、制动器和安全过载保护装置等组成。齿轮用于增 加叶轮转速,从 20 到 50r/min 增速到 1000 到 1500r/min,驱动发动机。齿轮箱有两种:平 行轴式和行星式。但有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。还 有些风力机（特别是小型风力机）设计成无齿轮箱的，风轮直接连接发电机。 传动系
22、统要按输出功率和最大扭矩载荷来设计。 3偏航系统（对风装置） 偏航系统主要有两个作用：其一是风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发 电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其 二是提供必要的紧缩力矩，以保障风力发电机组的安全运行。 偏航系统工作原理：风向标作为感应元件，对应每一个风向都有一个相应的脉冲 输出信号，通过偏航系统软件确定旋转方向和偏航角度，风向标将风向变化用脉冲信 号传递到偏航点击的控制回路的处理器里，经过偏航系统调节软件比较后处理给偏航 电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，风机转速将通过 同轴连结的减速器减速后，将偏航力矩
23、作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对准风 向，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。 4液压和制动系统 液压系统的主要功能是向制动系统或液压、伺服变桨距控制系统的工作油缸提供 压力油，由电动机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀组成。 制动系统主要分为空气动力制动和机械制动两部分。 5发电机 发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。齿轮箱高速轴和发电机轴通 过柔性联轴器连接，发电机通过四个橡皮减震器与机舱底盘连接，这种结构可以有效 8 地降低发电机噪声。风电机组要求发电机在负荷相对较低的情况下，仍保持有较高的 效率，因为风电机组大多数时间内在较低风速下运行。 风力
24、发电机系统包括发电机、变流器、水循环装置（水泵、水箱）或空冷装置。 常见的发电机由异步发电机和同步发电机两种。 6控制系统 控制系统利用微处理机，逻辑程序控制器或单片机通过对运行过程中输入信号的 采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率，如发生故障或其他异常情况能自 动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。 其主要任务是自动控制风电机组运行，依照其特性自动检测故障并根据情况采取 相应的措施。主要包括控制和检测两部分。根据风电机组的结构和载荷状况、风况、 变桨变速特点及其他外部条件，将组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电 状态、大风停机方式、故障停机方式，人工停机方式
25、和紧急停机方式。 7机舱 机舱的布置应遵循以下原则： (1) 操作和维修方便。 (2) 功能效率要求高。 (3) 尽量保持机舱静平衡，使机舱的重心位于机舱的对称面内，在塔架与风轮之 间偏塔架轴线一方。这样便于吊具设计、机舱吊装，并有利于偏航回转装置负载均匀。 图 2.6 机舱布置图 1轮毂 2增速 3机舱罩 4联轴器 5电控系统 6发电机 7冷却器 8泵站 9偏航驱动 10偏航制动 11偏航轴承 12底座 13弹性底座 14叶片 8塔架与基础 塔架是支持风轮、发电机等部件的架子，还承受风向风力机和塔架的风压及风力 9 机运行中的动载荷。塔架不仅要有一定的高度，使风力机处于较为理想的位置上（及
26、涡流影响较小的高度）运转，还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载 荷，包括启动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等。 风力机组的基础通常为钢筋混凝土结构，并且根据当地地质情况设计成不同的形 式。其中心预置与塔架连接的基础件，以便将风力发电机组牢牢固定在基础上，基础 周围还要设置与防雷机的接地系统3。 2.3 风力发电机的结构型式 风力发电机依据传动系统有无齿轮箱分类，分为直驱型风力发电机和双馈式风力 发电机。下面主要以按照有无齿轮箱，研究直驱式与双馈式风力发电机的工作特性， 其中主要以双馈式为主。 双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采 用齿轮箱增
27、速和双馈异步发电机并网，而直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电 机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。直 驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。 还有一种介于二者之间的半直驱式，由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电 机，是直驱式和传统型风力发电机的混合。 2.3.1 直驱型风力发电机 直驱式风力发电机，是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机， 这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部 件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件， 因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速
28、时高效率、低噪音、高寿命、 减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。 直接驱动式变速恒频（DDVSCF）风力发电系统框图如图 2.7 所示，风轮与同步发 电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率、幅值均变化的三相交流电， 经过整流之后变为直流，然后通过逆变器变换为恒幅恒频的三相交流电并入电网。通 过中间电力电子变流器环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟 踪，最大效率利用风能。 与双馈式风力发电系统相比，直驱式风力发电系统的优点在于： 10 （1）传动部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性、能源利用率和生产周期缩 短； （2）变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；
29、 （3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音、提高了整机效率； （4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本，维修工作量也大大降低 了； （5）利用现代电力电子技术可以实现对电网有功功率无功功率的灵活控制； （6）发电机与电网之间采用全功率逆变流器输出功率完全可控，使发电机与电网 之间的相互影响减少，电网故障时对发电机的损害较小。 其缺点在于： (1) 由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种 有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。 (2) 为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构 变得非常复杂，体积庞大，需要
30、进行整机吊装； (3) 由于全功率连接，使得功率变换器造价昂贵，控制复杂； (4) 用于直接驱动发电的发电机，工作在低转速、高转矩状态，电机设计困难、 极数多、尺寸大造成体积大、造价高、运输、安装困难。 图2.7 直接驱动式风力发电系统框图4 2.3.2 双馈型风力发电机 双馈型发电机又被人们称之为交流励磁发电机。双馈型风电机组中，为了让风轮 的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加 了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗； 机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。 双馈型风力发电机组的特点是采用了
31、多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它 的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护 永磁同步 发电机 电容 电网 风力机 整流器 逆变器 11 成本高且存在机械运行损耗。 双馈感应发电机组是具有定、转子两套绕组的双馈型异步发电机（DFIG） ，定子 接入电网，转子通过电力电子变换器与电网相连，如图 2.8 所示。 在风力发电中采用交流励磁双馈风力发电方案，可以获得以下优越的性能： (1) 调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并 网的要求，即变速恒频运行。这样可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电 机组的经济效益。 (2) 调节励
32、磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无 功功率。这样不但可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功需求，还可以提高电力 系统的静态和动态性能。 (3) 由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接” ，即可以根据电 网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能 满足要求。 (4) 由于控制方案是在转子电路实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发 电机的转速运行范围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的一小部分，这样就大大 降低了变频器的容量，减少了变频器的成本。 齿轮箱电网DFIG 转子侧 变换器 网侧 变换器 图 2.8 双馈式变速恒频
33、风力发电系统结构框图4 2.3.3 直驱型风力发电机和双馈型风力发电机的特性比较 双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它 的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护 成本高且存在机械运行损耗。 直驱式风力发电机组在传动链中省掉了齿轮箱，将风轮与低速同步发电机直接连 接，然后通过变流器全变流上网，降低了机械故障的概率和定期维护的成本，同时提 12 高了风电转换效率和运行可靠性，但是电机体积大、价格高。 表 2.1 直驱式和双馈式风力发电机的特性比较 机型和特性励磁双馈型风力发机组永磁直驱风力发电机组 统维护成本较高（齿轮箱故障多）低
34、 系统价格中高 系统效率较高高 变流其容量全功率的 1/3全功率变流 变流系统稳定性中高 电机滑环半年换碳刷，两年换滑环无碳刷，滑环 电机重量轻重 电机种类励磁永磁，设计时要考虑永磁体退磁问题 综上文所述，双馈式较之直驱式具有下列特点： （1）励磁双馈风电机组具有很高的性价比，尤其适合变速 恒频风力发电系统，因 而在未来一段时间内仍然是风电行业的主流机型。 （2）永磁直驱风电机组可靠性高、运行维护简单；电网运行质量大大提高。在技 术经济条件成熟时，永磁直驱风电机组有望成为风电领域更受欢迎的产品。 目前，由于双馈风电机组技术十分成熟，生产厂商较多，业主选择性更强，运行 经验丰富，仍是风电场开发的
35、主流机型。而直驱风电机组技术尚未完全成熟，国内生 产厂商较少，有些机型还处在设计研发阶段，并且已投人运行的机组运行时间较短， 其性能、工艺质量尚需时日考验，更大兆瓦级直驱风电机组仍需在结构、材料、工艺 等方面进一步研究。 13 第 3 章 风力发电机组传动系统设计 3.1 传动系统的结构 风力发电机组机械传动系统是指将风轮获得的空气动力以机械方式传递到发电机 的整个轴系及其组成部分，由主轴、齿轮箱、联轴器、制动器和过载安全保护装置等 组成。风力发电机组主传动系统有各种各样的布置方式，因而其结构形式也具有多样 化的特点。轴系的结构主要与采用的发电机形式有关。目前，双馈式风力发电机一般 采用齿轮箱
36、增速。 图 3.1 带增速齿轮箱的风电机组传动系统示意图5 3.2 风力发电机传动系统布置型式及其特点比较 传统的风力发电机采用齿轮增速装置，按主轴轴承的支撑方式风力发电机组传动 形式分为“两点式” 、 “三点式” 、 “一点式”和“内置式”四种，具体见表 3.1。 表 3.1 四种布置方式的比较 特性 分布方式 概念比较优点缺点 两 点 式 主轴用两个轴承座支撑， 其中靠近轮毂的轴承作为 固定端，另一个轴承作为 浮动端， 让主轴及其轴承承 受风轮的大部分载荷， 减少风轮载荷突变对 齿轮箱的影响 稳定性最好 轴系较长，增大了机舱 的体积和重量 机组功率越大，随着主 轴直径和长度的增大，机 舱布
37、置和吊装难度也随之 增大 14 三 点 式 该种方式实际上是在“两 点式”的基础上省去了一 个主轴的轴承，由主轴前 端轴承和齿轮向两侧的支 架组成 缩短轴向尺寸 简化了结构 对齿轮箱的承载能力要 求高 噪声大 该种布置不需主轴，风轮 法兰直接通过一个大轴承 支撑在机架上 齿轮箱的输入轴不会 因弯曲力矩而变形 一 点 式 不需主轴，齿轮箱箱体和 机舱支架做成一体 传动装置紧凑 传动链的前轴承、齿轮 箱和箱架合的机架结构设 计难度加大 对零件的强度和性能的 要求较高 内 置 式 该种布置是将主轴、主轴 承与齿轮相集成在一起， 主轴内置于齿轮箱内，主 轴与第一级行星轮采用花 键或过盈连接，风轮载荷
38、通过箱体传到主轴机架上 结构紧凑风轮与 主轴装配方便 齿轮箱内齿轮采用 集中强制润滑，润滑 效果好 现场安装、 维护工作量小 齿轮箱外形尺寸和重量 大 制造成本相对较高 风轮载荷直接作用在齿 轮箱箱体上，度齿轮和轴 承的运转影响较大 3.3 增速齿轮箱传动系统的典型结构型式及分析 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箱、行星齿轮箱 以及他们相互组合起来的齿轮箱；按照传动的技术分为单机和多级齿轮箱；按照传动 的布置形式又分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等3。 近年来，风力发电机组已发展到兆瓦级，下面就兆瓦级风电机组齿轮箱予以简单 的介绍。 1一级行星和两级平行轴齿轮传动
39、一级行星和两级平行轴齿轮传动形式，其传动原理简单的概括为，行星架将风轮 动力传至行星轮（通常设置三个行星轮），再经过中心太阳轮到平行轴齿轮，经两级 平行轴齿轮传递是高速轴输出。图 3.2 的视图显示了动力传递和增速线路以及齿轮箱结 构。 机组的主轴与齿轮箱输入轴（行星架）利用胀紧套连接，装拆方便，能保证良好 15 的对中性，且减少应力集中。在行星齿轮级中常利用太阳轮的浮动实现均载。这种结 构在 12MW 的机组中应用较多。 图 3.2 一级行星和两级平行轴齿轮传动齿轮箱 2两级行星齿轮和一级平行轴齿轮传动 两级行星齿轮和一级平行轴齿轮传动型式，采用了两级行星齿轮增速可获得较大 增速比，实际应用
40、时在两行星级之外加上一级平行轴齿轮，错开中心位置，以便利用 中心通孔通入电缆或液压管路。图 3.3 的视图显示了其动力传递和增速线路以及结构。 图 3.3 两级行星和一级平行轴齿轮传动箱齿轮 3内啮合齿轮分流定轴传动 内啮合齿轮分流定轴传动是将一级行星和两级平行轴齿轮传动结构的行星架与箱 体固定在一起，行星轮轴也变成固定轴，内齿圈成为主动轮，动力通常由三根齿轮分 流传至同轴连接的三个大齿轮，再将动力汇合到中心轮传至末级平行轴齿轮。这种传 动方式也通常用于半直驱机组的传动装置中。 由内齿圈输入，将功率分流到几个轴齿轮，再从同轴的几个大齿轮传递到下一级 平行轴齿轮，相当于行星架固定，内齿圈作为主动
41、轮，再排行星齿轮变为定轴传动。 这种装置由于没有周转轴，有利于布置润滑油路。另外从结构上看各个组件可独立拆 卸，便于在机舱内进行检修。 4分流差动齿轮传动 16 对于分流差动齿轮传动方式可以通过图 3.4 来了解，如图所示，则是利用差动和行 星齿轮传动进行动力分流和合流的传动方式，可在结构设计中增加行星轮的个数，并 采用柔性行星轮轴，是载荷分配更加均匀，用于较大功率场合。由图中可以看出，行 星架传入的动力一部分经行星轮左侧传至太阳轮，另一部分通过与行星架项链的大内 齿圈经一组定轴齿轮传至太阳轮，由于差动传递的作用，两部分的动力在此合成输出， 传至末级平行轴齿轮。 图 3.4 内啮合齿轮分流定轴
42、传动 3.4 增速齿轮箱传动系统设计 随着风力发电技术的日趋成熟，风电机组正向大型化发展，由于风能资源一般分 布在环境相对极其恶劣、人烟稀少的极地地方，而风电场的安置又必须以风能的分布 为先决条件。所以，相对来说，鉴于对风力机的装机、传动效率、维护、维修方面的 原因，提高风力机的可靠性是不容置缓。如第二章中所述，现代风力机的结构形式依 据有无齿轮箱可分为带增速齿轮箱风电机组、直驱风电机组和半直驱风电机组。 由其特性可知，尽管直驱式风电机组具有简化传动结构的特点，在风力发电机组 容量越来越向大型化发展的今天，过于庞大的低速发电机造成的运输、吊装难题，加 上较高制造成本的条件限制，不得不回过头来思
43、考如何减小机构的体积和重量以及降 低成本的途径。适当运用齿轮增速或利用功率分流的方法是解决问题的思路之一。 3.4.1 设计的主要内容 与其它工业齿轮箱相比,由于风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭 小机舱内,其本身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维修费用等都有 重要影响。同时,由于维修不便、维修成本高,通常要求齿轮箱的设计寿命为 20 年,对 可靠性的要求也极其苛刻。因此，总体设计阶段应在满足可靠性和工作寿命要求的前 17 提下,以最小体积、最小重量为目标进行传动方案的比较和优化；结构设计应以满足传 递功率和空间限制为前提,尽量考虑结构简单、运行可靠、维修方便。 由于
44、叶尖线速度不能过高,因此随着单机容量的增大,齿轮箱的额定输入转速逐渐 降低,兆瓦以上级机组的额定转速一般不超过 20r/ min。另一方面,发电机的额定转速一 般为 1500 或 1800r/ min ,因此大型风电增速齿轮箱的速比一般在 75100 左右。为了 减小齿轮箱的体积,500kW 以上的风电增速箱通常采用功率分流的行星传动； 500kW1000kW 常见结构有一级行星和两级平行轴以及二级行星和一级平行轴传动两 种形式；兆瓦级齿轮箱多采用一级行星和两级平行轴传动的结构。由于行星传动结构 相对复杂,而且大型内齿圈加工困难,成本较高,即使采用 2 级行星传动,也以 NWG 传 动形式最为
45、常见6。 结合以上分析，设计此次的增速齿轮箱的传动方式采用行星轮系，以图 3.5 作为参 考传动方案，初步拟定定轴部分采用减速器的设计方法，再结合书籍资料完成风力发 电齿轮箱的设计，校核，CAD 二维的装配图及其零件图 。 关于行星轮系的传动比，及齿轮的计算，会参照机械原理 机械设计手册等 一些书籍的部分内容进行，还有关于轴的计算等。有关设计的主要参数如表 3.2 所示。 表 3.2 齿轮箱设计的重要参数 输入功率0.55kW 输入转速范围1020r/min5 风轮转速18r/min 传动形式一级行星和两级平行定轴 总传动比100 发电机型号FG500M46-4RB+KK 发电机额定功率156
46、0kW 发电机转速范围10002000r/min 发电机额定转速1800r/min 由于风力发电机组运转的环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要 满足机械强度条件外，还应能满足极端温差条件下所具有的材料特性，比如抵抗低温 冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等。并且外齿轮制造精度不低于 6 级，齿面硬 度 5862HRC。同时，为了提高承载能力，所以，齿轮、轴类采用合金钢制造，具体 为外齿轮采用 20CrMnMo 材料，内齿圈和轴类零件采用 42CrMo 材料。 18 表 3.3 所选材料的部分特性8 截面尺寸力学性能 bs5钢号热处理状态直径 D/mm 壁厚 s/mm /Nmm-2/
47、% ak /Jcm-2 硬度 HBS 20CrMnMo 渗碳+正火+ 低温回火 30 100 15 50 1079 834 785 490 7 15 40 40 39.2 39.2 表 5662HRC 心 2833HRC 42CrMo调质 100250 250300 300500 50125 125150 150250 735883 637 588 589 490 441 14 14 10 40 35 30 58.8 39.2 39.2 207269 207269 207269 3.4.2 齿轮增速传动系统设计 根据设计要求，即发电机的转速要求达到 2000r/min 左右，依据现有风力机相对
48、应 的发电机的功率及额定转速选取 1.5MW 双馈异步风力发电机，包括常温型、防盐雾性、 低温型。一般对于兆瓦级风电齿轮箱，传动比一般多在 100 左右，传动系统多采用行 星传动，因为行星传动具有以下优点： 第一，传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大， 使功率分流； 第二，合理使用内啮合，共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小； 第三，运动平稳、抗冲击和振动能力较强。 在具有上述特点和优越性的同时，行星齿轮传动也存在一些缺点：结构形式比定 轴齿轮传动复杂；对制造质量要求高；由于体积小，散热面积小，导致油温升高，故 对于润滑与冷却装置要求严格。而这两种行星传动与平行轴传
49、动相混合的传动形式， 综合了两者的优点。 因此，依据提供的技术数据，设计齿轮箱的传动比为 1:100，由于增速比较大， 按照此传动比，齿轮箱的传动结构形式可设计为：一级行星和两级平行轴传动7。 19 图 3.5 一级行星+两级平行轴传动简图 3.4.2.1 传动比的分配 根据设计参数，已知风轮转速为 n发=18r/min，电动机转速 nm =1800r/min 则总传动比 i= m n n f 100 1 合理的分配传动比是传动系统设计的一个重要问题。它将直接影响到传动系统外 廓尺寸重量、润滑及传动机构的中心距等多方面。所以为了使齿轮传动系统结构紧凑， 外形轮廓尺寸相对较小，所一般对增速传动系统于传动比的分配是高速级的传动比低 于低速级。因此依据定轴轮系传动比的分配范围选取合理的传动比，选取 两级定轴传动比 i定=i2i3=44 则一级行星齿轮传动比 i=100