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1、第5章 主传动系统设计,风力发电机组设计与制造,1. 机舱底盘 2. 变桨距驱动器 3. 风轮轴 4. 风轮叶片 5. 轮毂 6. 变桨距机构 7.主轴承 8. 齿轮箱 9. 制动装置 10. 高速轴 11. 发电机 12. 测风系统 13. 液压系统 14. 电气控制系统,风电机组的主传动链是指将风轮轴功率传递到发电机系统所需的机构。典型的主传动链包括了风轮主轴系统、增速传动机构（齿轮箱）、以及轴系的支撑与连接（如轴承、联轴器）和制动装置等。 主传动链中的主轴（也称低速轴）连接风轮和齿轮箱的输入轴，高速轴连接齿轮箱输出端与发电机。 1传动链布局设计的要求 传动链的布局形式对机组传动系统和机舱
2、设计有决定性的影响，组成主传动链需要研究可靠的主轴支撑系统和轴系连接结构。对传动主轴及其支撑设计需要考虑的主要问题包括：如何使风轮载荷从风轮传递到塔架路径最短；结构尽可能更紧凑；尽可能使机械传动系统与承载轴承部件集成采用的结构，但部件集成可能与零件标准化和可维修性的要求矛盾，应综合考虑。,2主传动链中主要构件的支撑方式 组成主传动链的主要构件包括主轴、变速传动装置和其他轴系部件，而这些构件的结构设计均与风轮主轴的支撑结构形式密切相关。因此，需要首先讨论主要构件的支撑方式问题。 （1）由独立轴承支撑的主轴 （2）三点支撑式主轴,（3）主轴集成到齿轮箱的传动布局 （4）轴承集成在机舱底盘的结构 （
3、5）采用固定主轴支撑风轮的结构,风电机组传动链中的主传动轴的径向与轴向支撑通常采用滚动轴承。 主轴易产生弯曲变形，且主轴轴向位移可能引起轴承滚子磨损。,1.轴承 （1）设计要求,轴承的径向基本额定寿命：,径向基本额定寿命，单位是h；,转速，单位是rpm；,根据ISO281确定的基本额定动态载荷，单位是N；,动态当量轴承载荷，单位是N；,寿命指数，对球轴承取3.0，对滚子轴承取10/3。,轴承的最小径向基本额定寿命推荐值：,轴承的使用寿命计算： 使用实测载荷谱计算时，其平均当量动载荷按下式计算,将当量动载荷带入寿命计算公式计算基本额定寿命，并根据失效概率系数a1、材料和工作条件系数a23，计算风
4、电轴承的使用寿命Lna。,平均当量动载荷；,总循环次数；,作用于轴承上的当量动载荷。,（1）仅考虑主轴传递转矩的初步结构设计,主轴转矩：,P 功率，单位W 角速度，单位Rad/s,主轴截面所受剪应力：,r 求剪应力处距主轴中心距离，单位mm J主轴的转动惯量,由主轴截面所受最大剪应力求最小截面直径：,例：某机组主传动轴零件设计，已知所选电机额定功率为200kw，低速轴转速为40r/min，高速轴转速为1800r/min，假设所选实心钢轴推荐最大应力为55MPa，齿轮箱在额定条件下效率为0.94，电机在额定条件下效率为0.93，试确定低速轴和高速轴的直径。,主轴承受载荷情况比仅扭矩作用的条件复杂
5、。 若考虑全部载荷作用，主轴直径通常为风轮直径的1%左右。,齿轮箱的功能：将风轮所产生的转矩传递到发电机，并使其得到相应的转速。,风电机组齿轮箱是一种大传动比、大功率的增速传动装置，需要承受多变的风载荷作用及强阵风的冲击，且对运行可靠性和使用寿命的要求比一般机械要高得多，通常要求设计寿命为20年。设计过程往往难以确定齿轮箱所承受的动态载荷，在很大程度上也是齿轮箱故障的诱因。 2运行条件与环境的影响 齿轮箱需要常年运行在酷暑、严寒和极端温差的自然环境条件，且安装在高空，维修困难。因此，除常规状态机械性能外，对构件材料还要求低温状态下抗冷脆性等特性。需考虑对齿轮传动装置的充分润滑条件，并具备适宜的
6、加热与冷却措施，以保证润滑系统的正常工作。 3设计空间与安装条件 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，往往使齿轮箱设计陷入两难境地。 4其他 一般需要在齿轮箱的输入端（或输出端）设置制动装置，配合风轮的气动制动实现机组的制动功能。巨大的制动载荷对传动系统会产生不良影响，应考虑防止振动和冲击措施，设置合理的传动轴系和齿轮箱体支撑。,（1）箱体 （2）传动机构 （3）支撑构件 （4）润滑系统 （5）其他附件,定轴传动 行星传动 组合传动,采用三级行星传动的齿轮箱,常用齿轮箱的传动形式及其特点,定轴轮系的传递
7、比计算方法：,首个齿轮的转速,末轮的转速,定轴轮系中的齿轮数量,定轴轮系的传递比计算算例：,算例: 若设平面定轴轮系单级齿轮传动的最大增速比为6：1，某风电机组的电机输入转速为1800r/min，而风轮的输出转速分别为30 r/min和52.5r/min两种，考虑相应的传动轮系设计问题。,尽量采用级数少的轮系，降低成本,若轮系中至少有一个齿轮的轴线可绕其他齿轮的轴线转动，这样的轮系称为行星轮系。,设计行星齿轮传动机构，首先需要了解传动要求、工况和所需齿轮的机械特性等初始条件。 行星齿轮传动的设计计算步骤推荐如下： （1）绘制传动方案分析简图 （2）配齿设计计算 （3）确定齿轮的基本传动参数 （
8、4）结构设计 （5) 装配条件验算,行星轮系的传动比计算方法：反转分析法,na、nb、nc:行星轮各齿轮转速。 nx ：系杆X的转速,p：齿圈b相对于 中心轮a的齿数比，也称为行星轮的特性参数,例5-2 如上图所示轮系，已知z1=20,z2=40,z2=20, z3=30,z4=60，均为标准齿轮传动，试求i1H.,GB/T 19073-2008风力发电机组齿轮箱：中国国家标准，风轮扫略面积40的齿轮箱的技术要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输、储存等提出概况性要求。 2.其他相关设计标准 ANSI/AGMA/AWEA6006-A03:美国国家标准，40kW2MW风电齿轮箱设计、制造和运
9、行等做出了完整规定。 ISO81400-4:2005：国际标准，由ANSI/AGMA/AWEA6006-A03而来。,设计载荷：齿轮箱的构件强度及轴承寿命计算的重要依据，齿轮箱结构设计的重要参数之一。,载 荷 谱：反映风轮输出转矩及其相应特征，一般由风电机组寿命期间实测的风轮转矩变化与发生频率表示。齿轮箱设计要在载荷谱上方留出足够余量。,等效载荷：以等效载荷作为齿轮箱设计计算依据(AGMA6006给出理想方法) 。,3. 设计载荷的工况系数 齿轮箱结构设计一般关注两方面内容，一方面是“内部”构件（如齿轮、轴、轴承等）的尺寸，这是结构设计中应考虑的主要的问题，另一方面，需要根据运行环境确定“外部
10、”载荷的准确信息，作为重要的设计参数。,1.初步确定总体结构参数：是风电机组齿轮箱重要的设计依据，根据设计目标和各种限制条件，应反复比较寻得优化设计方案。可按下列方法之一，初步确定齿轮箱的总体结构尺寸。,1）参照已有工作条件相同或类似的传动，用类比方法初步确定总体结构参数。 2）根据齿轮箱在机舱上的安装和布置要求（如中心距、高度及外廓尺寸等），初步确定主要尺寸。 3）采用专门的应用分析计算程序初步确定主要尺寸。,2.箱体的结构设计 箱体是齿轮箱基础部件，承受风轮和齿轮传动过程产生的各种载荷，应有足够强度和刚度，以保证传动的质量。 箱体的设计一般应依据主传动链的布局需要，并考虑加工、装配和安装条
11、件，同时要便于检修和维护。 批量生产的箱体一般采用铸造成型，常用材料有球墨铸铁或其他高强度铸铁。用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁降低20%-30%。但当轻合金铸件材料的强度性能指标较低时，需要增加铸造箱体的结构尺寸，可能使其降低重量的效果并不显著。,3.齿轮和传动轴结构设计,4.构件的连接,根据传动要求，设计过程要考虑可靠的构件的联接问题。齿轮与轴的联接可采用键联接或过盈配合联接等方式。 键联接包括平键和花键两种基本联接方式，其中花键联接的承载能力高，对中性好，但制造成本高。 由于传动构件的运转环境和载荷情况复杂，要求设计采用的材料除满足常规力学性能条件外，还应具有极端温差条件
12、下的材料特性。,由于传动构件的运转环境和载荷情况复杂，要求设计采用的材料除满足常规力学性能条件外，还应具有极端温差条件下的材料特性。,鉴于齿轮传动效率与传动比、齿轮类型和润滑油粘度密切相关，设计过程一般按经验值考虑传动效率：对于定轴传动齿轮，每级约有2%的损失，而行星轮每级约有1%的损失。图5-22基本可以反映不同类型齿轮箱的传动效率。,除了传动设计条件外，齿轮箱的传动效率还与额定功率PR与实际传递功率P有关。图5-23是根据某1.5MW机组2级行星齿轮箱实测值的传动效率与功率变化关系。从中可见，机组传动载荷较小时，效率会有明显的下降，其原因是此种条件下的润滑、摩擦等空载损失的比重相对增大，会
13、使传动效率相应的下降。,良好的润滑是保证齿轮箱可靠运行的必备条件，须重视齿轮箱润滑问题，配备可靠的润滑油和润滑系统。,润滑油的品质是润滑决定性因素之一，对润滑油的基本要求是考虑其对齿轮和轴承的保护作用。 2.润滑系统 对大型风力发电机齿轮箱而言，根据运行条件设计合理的润滑与冷却系统显得尤为重要。,润滑、冷却系统及其使用方法：,1）在机组每次启动之前，先启动润滑与冷却系统，齿轮箱充分润滑后再投入工作。,2）要求齿轮箱内的润滑油工作温度不低于-15C 。低温使润滑油粘度大，系统压力升高，安全阀打开，润滑油需先由加热回路。,3）当温度在-15C45C的工作范围，系统压力降低，润滑油不再经加热回路，经
14、两级过滤器对齿轮箱实施润滑，但保证规定流量，确保充分润滑。,4）当系统的油温超过一定值时，需冷却润滑油；油经过热交换器冷却，再流回齿轮箱进行润滑。,；,风力发电机组关机过程的运动方程为,1.空气动力矩 根据叶速动量理论，作用在风轮上的空气动力矩的计算公式为,气流诱导因子,切向气流诱导因子a,轴向气流诱导因子a,2.机械制动力矩,其中：,式中 摩擦系数，设计计算中一般取=0.4； F制动器单侧闸体对制动盘的压紧力，单位为N； R0制动力臂，单位为m。 n0制动器数。,式中 p液压系统工作压力，单位为Pa； A0制动活塞有效作用面积，单位为m2。,3.发电机电磁力矩,式中 p 电机极对数； 电机定
15、子相数； 定子角频率，即电网角频率，单位为rad/s； 定子额定相电压，单位为V； s 转差率； 定子绕组的电阻，单位为； 定子绕组的漏抗，单位为； 折算到定子侧的转子每相电阻，单位为； 折算到定子侧的转子每相漏抗，单位为。,1. 定桨距机组 定桨距机组空气动力制动主要由叶尖扰流器来实现（见图5-27）。叶尖扰流器一般由液压系统控制。叶尖扰流器的设计目标是扰流段的长度，作用在叶尖扰流器上的力矩可以由叶素动量定理求出，运动方程服从式（5-11）。为了机组的安全，需要在液压系统中设置“突开阀”，在液压系统发生故障，风轮超过临界转速时，突开阀动作，叶尖扰流器弹开。 2. 变桨距机组 变桨距机组空气动
16、力制动主要由顺桨来实现。 在液压控制的统一变桨距系统中，液压系统的设计应该考虑到，即使控制动作失效，叶片也应该在空气动力的作用下自动顺桨，起到保护作用。,(1) 离心应力的限制 制动盘的制动材料不同，离心应力要求不同。 (2) 摩擦速度的限制 (3) 摩擦片温升的限制 树脂基材料300；铜基粉末冶金材料300400 (4) 制动盘温升限制 制动盘过热会导致摩擦片损坏、液压油超高温；,2.高速轴制动设计,（1）求设计制动力矩; （2）制动盘直径的选择 （3）摩擦片的数量和尺寸 （4）求制动时间和制动盘温升 （5）求制动活塞有效作用面积,1. 起动 作为简单的例子，这里给出额定转速1000r/min的异步发电机起动过程的规划：当风速高于起动风速时，使叶片桨距角变化到15。叶片转速逐步上升，若发电机的转速大于8
