风电增速箱工况分析
(汤克平-杭州前进增速箱集团股份有限公司技术中心风电所311203)
摘要：
本文对各种风电机组的工况作了详细分析，对风电增速箱的完善开发提供了积极的参考建议。
关键词：双馈风力发电机、一点式、两点式、三点式、紧凑型
Theconditionanalysisofwindpowergearboxes
(TangKePing-HangzhouadvancegearboxgroupCo.,LTD.Thewindpowergearboxesinstituteoftechnologycenter311203)
Summary:Thearticlehasmadethedetailedanalysisabouttheworkingconditionofthewindgenerator,andprovidedaperfectpositivereferenceSuggestionsaboutdesigningwind
powerboxes.
Keywords:doubly-fedwindturbine,abulletpoint,twopoints,threepoints,compact
引言：
风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
水平轴风力发电机通常又分为双馈风力发电机和直驱风力发电机。
目前市场上双馈风力发电机是主流，技术比较成熟，但其有很多缺点，特别是有增速箱增加了系统的复杂性和维护费用等。
直驱风力发电机是新兴的一种发电机，省去了增速箱，而且可以在低速的风速下取得较好的发电效率。直驱风力发电机虽然效率高，但也面临永磁材料退磁，原材料成本高昂，造价成本高等难题，目前远没有达到大批量投产及主流的地位。
双馈风力发电机的工况分析
增速箱是双馈风力发电机动力传动系统中的最核心部件之一，在系统中起到传递动力及支撑传动轴的作用。作为增速箱生产者，往往对增速箱内部的结构设计研究非常重视，技术的发展也非常快。对增速箱外围工况的研究相对较少，因此外围联接的设计处于无人重视的真空地带。主机设计单位认为增速箱设计者会考虑，增速箱设计单位认为主机设计者会考虑。由此埋下安全隐患，故障的表现往往体现
在增速箱某个零部件的损坏上。
风电增速箱的动力输入者为风机叶片，叶片的转速完全受自然风况的直接影响，由此增速箱常年处于交变载荷的作用。同时由于风机叶片重量及增速箱本身重量的作用，增速箱在风电机组中的受载变得异常复杂，这是风电增速箱设计的真正难点所在。
按双馈风力发电机的机组结构型式，可分为：一点式、两点式、和三点式、紧凑型。这种分法主要针对风电机组的主轴支撑特点来分的。
一点式：风电机组的主轴集成于增速箱上，叶片产生的所有径向力和轴向力均由增速箱承受。由于主轴是增速箱的一个零件，故轴承的选型及结构布置有绝对的自主权，力的传递关系相对明晰，是设计的一大便利。对机组而言，整体结构紧凑，造价上有一定的优势。但也存在日后维护麻烦，维修费高等问题。主轴轴承的选型通常推荐圆锥滚子轴承配对使用为佳，因为圆锥滚子轴承可轴向预紧，定位精度高，对齿轮级的传动影响小。但轴向配合间隙有一定的难度，同时成本相对较高。主轴前端轴承常用的是调心滚子轴承，因调心滚子轴承安装简单，成本不高。但因考虑调心轴承带来的主轴变形对齿轮传动级造成的影响。
一点式机组
两点式：风电机组的主轴由两点轴承独立支撑于风机机仓上。增速箱与主轴之间只有转速和扭矩的传递，不受风机叶片产生的重量与轴向载荷，但应考虑主轴的轴向窜动量的大小。通常情况下，对增速箱而言，此种工况是最为理想的，同时也日后增速箱的维护提供了极大的便利。主轴与增速箱的联接有胀紧联接、法兰联接、花键联接等方式。
两点式机组
三点式：是指风电机组一端支撑于机仓主轴承上，一端与增速箱联接。增速箱由两个扭力臂支撑于机仓上。主轴承与两扭力臂构成三点支撑。这种结构布局相对前两种结构型式而言，增速箱受力工况具有较大的不确定性。首先，增速箱需承担传递扭矩的转速的功能，同时需承受风机叶片产生的径向力。这些工况是相对确定的，增速箱需承受的载荷也能通过载荷谱计算。而轴向力却是一个不确定的因素，受主轴输入轴承的类型的不同而不同。如输入主轴承由两个圆锥滚子轴承组合使用，则工况相对确定，轴向力由主轴轴承承受。因圆锥滚子轴承可以轴向预紧，对增速箱而言则不需考虑风机叶片产生的轴向力。如输入主轴承为调心滚子轴承，则轴向力是一个未知数，有可能由调心轴承来承受轴向力，也有可能由增速箱来承受轴向力。增速箱结构设计的不同，其受力会各不相同。同时增速箱还应考虑主轴变形对增速箱的影响。此种工况对增速箱是最恶劣的，增速箱在结构上要应对如此复杂的工况，将是一个严峻的考验。
三点式机组
紧凑型：紧凑型风电机组轴向尺寸小，结构紧凑，整体造价低。主轴前端由主轴承（双列圆锥滚子轴承）支撑，主轴承座与主机架成为一体。主轴后端通过法兰与增速箱相连接。风轮载荷（弯矩和径向力）由主轴承承受，并传递到主机架上。增速箱扭力臂上的液压支承主要承受扭矩，而由于主机架和主轴承变形产生的附加载荷将通过扭力臂上的液压支承传递到增速箱上。增速箱一般不需考虑叶片产生的轴向力。
紧凑型机组
增速箱输出轴与发电机经弹性联轴联接，只要在装配时保证增速箱与发电机之间的一定的同心度即可。相对输入轴而言，输出轴的工况稍好，但也要考虑应急刹车对增速箱的冲击载荷。
结束语：
研究风机工作工况是设计风电增速箱的前提，也是设计好风电增速箱的难点和关键。
参考文献：
《风电机组齿轮传动技术展望》宣安光
作者简介：汤克平杭州前进增速箱集团股份有限公司技术中心风电所工程师电话：13588240210E-mail:hctkp2012@163.com