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1、第1章 目录目录第一章绪论31.1研究背景31.2国内外研究现状51.2.1国外研究现状与发展趋势51.2.2国内研究现状与发展趋势61.3研究目的与内容71.3.1研究目的71.3.2研究内容7第二章 500kW风力发电机组增速器设计72.1传动方案的确定72.1.1增速器基本设计要求及设计步骤82.1.2传动方案及运动原理图92.2增速器整机设计102.2.1第一级行星轮系传动设计及校核其装配条件102.2.2第二级平行轴圆柱直齿轮设计122.2.3第三级平行轴圆柱斜齿轮设计122.2.4行星齿轮具体结构的确定132.3材料选择及强度校核152.3.1第一级行星传动强度校核152.3.2第
2、二级直齿圆柱齿轮强度校核202.3.3第三级斜齿圆柱齿轮强度校核232.4主要构件设计选用与计算272.4.1行星轮心轴的设计与校核272.4.2圆柱齿轮传动中间齿轮轴设计282.4.3圆柱齿轮传动输出轴的设计30- 1 -第1章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。为了解决化石能源的不断消耗对经济可持续发展和环境的影响问题，我国和一些主要发达国家在未来能源规划中，都明确提出了可再生能源发展的具体目标。在国家中长期（20062020年）科学和技术发展规划纲要中，将可再生能源规模化利用列为能源可持续发展中的关键科学问题之一。2005年颁布的中
3、国可再生能源法进一步明确了包括风能在内的可再生能源的战略地位，为可再生能源的发展提供了法律保证。风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源。风能发电与太阳能、地热能、潮汐能、氢能、可燃冰等新能源发电相比，发展迅速，技术成熟，将成为21世纪最主要的绿色动力之一。截止2008年底，全球风力发电机组的总装机容量已超过了1亿kW，我国经过近几年的快速发展，风力发电机组总装机容量也达到1200万kW。根据国家发改委2005年得规划，到2020年，全国风力发电机组总装机容量将达到3000万kW。我国的风能源资源丰富，陆地加上近海的风力资源有15亿千瓦以上。其中，陆地10米高度以内，风力资源为2.53亿千
4、瓦；陆上塔杆高度100米内，可利用风能约7亿千瓦。海上可开发利用的风能储量约7.5亿千瓦。因此，风能的规模化利用是国家能源可持续发展的重大需求。虽然我国风力发电事业发展如此迅猛，但其生产设备长期依赖进口，在自主开发风力发电机方面还比较落后，特别是大功率发电机组的核心技术领域更是基本属于空白。国内各大主要风力发电厂的生产机组基本全部是引进国外设备，部分国产机组也是以仿制国外产品为主，核心技术领域仍然是空白，设计水平以及实验水平与国外先进技术相比不可同日而语。而且不同地域的风况存在较大差异，这也造成了仿制风机的“水土不服”，很难达到生产应用要求。所以单纯的仿制并不能解决我国风力发电机设计水平较差的
5、现状，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化”，设计出具有自主知识产权的风力发电核心设备，突破我国风电行业发展的“瓶颈”，使风电行业走上一条健康发展之路。水平轴风力发电机组有多种构成形式，图1-1是一种水平轴风力发电机组的典型结构。此处所谓典型结构，是指目前被多数风力发电机组采用的设计结构，其主体由风轮、偏航系统、传动与制动装置、发电机、机舱和塔架等主要部件构成，同时还需要相应的运行控制、安全保障与电源转换系统。图1-1 一种水平轴风力发电机组的典型结构1主机架 2偏航驱动机构 3风轮轴 4风轮叶片 5轮毂 6变浆距机构7风轮主轴承8齿轮箱 9制动装置 10高速轴 11发电机
6、 12测风装置13液压系统 14电气控制系统据统计，国内外风力发电机故障率最高的部件当数齿轮箱。就我国而言，风场齿轮箱损坏率高达4050%，极个别品牌机组齿轮箱跟换率几乎达到100% ；国外在对风力发电机各主要部件的故障统计中，齿轮箱的故障百分率也居高不下，如图1-2是国外对风力发电机组主要部件故障百分率的统计结果。据西班牙纳瓦拉水电能源集团公司最近几年对风力机主要部件的故障统计：由齿轮箱、发电机、叶片引起的故障是风力发电机故障的主要原因，其中齿轮箱的故障发生率还在逐年升高，故障百分比已超过60%，是机组中故障发生率最高的部件 。 图1-2 风力发电机主要部件故障百分率1.2 国内外研究现状1
7、.2.1 国外研究现状与发展趋势进入21世纪后，随着电力电子技术、控制技术和材料技术的不断进步，风电设备设计与制造技术得到了快速发展。早在2004年，美国就已经实现了风力发电在全国范围内的普遍应用，风力发电的总装机容量已经超过6740MW，可以达到20的普通居民用电要求。而风力资源比较丰富的加拿大发展风电的步伐也十分迅速，风力发电已成为其能源结构的一个重要构成。到2015年，加拿大的风力发电能力预计将达到4700MW 。传统风电强国德国、西班牙、荷兰等国家的风力发电发展速度也以惊人的速度在增长。作为我们的邻国和主要经济竞争对手，印度在风力发电领域走在了我国的前面。经过短短的二十年时间，印度风电
8、产业从无到有，从弱到强，迅速成为世界上风力发电应用最为广泛的国家之一 。经过近五十年的研究与发展，风力发电技术由百、千瓦级向兆瓦级甚至十兆瓦级发展，它极大地提高了电厂单位面积发电量，极大提高了风力发电的经济效益。近年来，风力发电机组已经逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、钢筒塔架的典型设计形式。当前，世界风电设备市场的主流机型的额定功率多为13MW。主流机组的风轮设计多采用变速、变桨距运动方式，风轮与发电机之间采用大速比的增速齿轮箱传动。同时，无齿轮增速箱的直驱式风力发电机组在市场上也逐渐受到重视。轻型、高效、高可靠性及大功率是现代风力发电机组的主要发展方向。为了提高风力发电机的整机可靠性，齿轮
9、箱一直是各国研究的重中之重。1.2.2 国内研究现状与发展趋势我国幅员辽阔，风能储量惊人，具备大规模开发风电的前提条件。目前我国新能源应用仍以水电为主，但与水能储量相比，我国风能储量毫不逊色。根据有关资料显示，我国各类可开发风电装机容量可达10亿千瓦，远超欧美风电强国，所以我国开发风电产业是具有先天优势的。但由于技术限制，我国风能资源开发利用早期阶段以分散、小规模试验和示范形式为主，20世纪90年代规模化风力发电场才开始建设，进入大规模使用阶段。近年来，我国的风电设备设计与制造技术取得了长足的进步，初步具备了1.53MW大型风力发电机组的整机制造能力。同时，风力发电机组的主要部件如叶片、电控系
10、统、齿轮箱、发电机、偏航系统等的设计与制造能力也有很大的提高。通过技术引进与消化，国内目前已形成以几大风电整机制造企业为代表的风电设备产业，具备0.751.5MW风电机组的整机批量生产能力，并建成了相对稳定可靠的配套产业链。据2008年对国内新增风力发电机组的统计，我国内资与合资风力发电机组制造商所占的设备市场份额已达到70%以上，并具备了一定的国际竞争能力。虽然我国风电业增长率十分喜人，但是由于我国风电设备产业的起步较晚，对相关的风力发电机组基础设计理论和技术方面的研究还很不够，在风电技术与规模上与世界上风电强国相比的差距仍然十分明显，并不匹配我国巨大的风能存储量。其根本原因还是风力发电机的
11、关键部件的研究上遭遇“瓶颈”，比如大功率齿轮箱的设计、轴承的设计等都远远落后于世界先进水平。为了实现我国风力发电技术健康迅速发展的目标，建立完善的设计体系和故障分析体系，放弃单纯模仿，真正掌握核心部件设计方法将是我们在下一阶段工作的首要任务。1.3 研究目的与内容1.3.1 研究目的在风力发电机组的各个部分中，齿轮箱是故障率最高的部件之一，它也是我国风力发电机组设计的主要瓶颈 。目前，国产风力发电机齿轮箱的故障主要集中在齿轮箱工作寿命达不到设计要求。其中齿轮失效是齿轮箱发生故障的主要原因。因此，合理设计齿轮箱传动系统就成为风力发电机制造的关键。本文以500kW风力发电机为例，通过一种新型多级混
12、合式增速器的结构及传动设计，并对主要零部件进行受力分析、计算与校核。为打破国外垄断，实现我国风力发电机国产化贡献绵薄之力。1.3.2 研究内容本文的主要研究内容主要包括以下两个方面：(1) 500kW风力发电组增速器的设计风力发电机组的基本工作原理是风力推动叶轮产生动力和相应转速，再由增速器传递给发电机并使其产生电能。本文结合CAD设计方法，对增速器箱体进行结构设计，然后对齿轮传动装置设计，对船东类型采用一种新型混合式传动。由两级行星轮系和一级平行轴轮系组成，齿轮箱结构安全可靠，符合中国船级社标准。(2) 危险零部件应力分析针对增速器中齿轮、齿轮轴等危险部件进行受力分析和计算，校核其强度，从而
13、验证设计方案的可靠第2章 500kW风力发电机组增速器设计第二章 500kW风力发电机组增速器设计传动装置是大多数机器的主要组成部分。传动件及传动装置设计是否合理、 制造和装配质量是否符合要求，将成为决定产品质量的关键。传动可以分为机械传动、流体传动和电传动三类 。而机械传动按其工作原理分为啮合传动与摩擦传动，具体分为链传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动四类。根据风力发电机组传动特点和工作环境要求，一般均选择齿轮传动。齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动形式。其主要优点是：具有瞬时传动比恒定、可靠性高、寿命长、结构紧凑。齿轮传动分为开式、半开式和闭式三种传动方式 。由于风力发电机工作
14、环境恶劣，一般采用闭式传动以满足润滑要求。增速器是指安装在原动机与工作机之问独立的闭式传动装置，用于增加转速应相应减小转矩 。增速器是风力发电机组的重要组成部分，它承担了调速、改变运动形式、动力和运动的传递和分配等功能。考虑到风力发电机要求传动比大、结构紧凑、效率高等特点，本文采用两级行星齿轮传动加一级平行轴斜齿轮传动的结构形式。2.1 传动方案的确定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；按照传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。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表2-1。表2-
15、1 常用风力发电机组增速箱的形式和应用传递形式传动简图推荐传动比特点及应用两级圆柱齿轮传动展开式结构简单，但齿轮箱对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大刚度。高速级齿轮布置在原理转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭转变形可部分抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均现象，用于载荷比较平缓场合。高速级一般做成斜齿，低速级可做成直齿分流式结构复杂，但由于齿轮箱对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀、轴承受载较均匀，中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半，适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿同轴式减速器横向尺寸较小，两对齿轮浸入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，使沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于充分利用同轴分流式每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受转矩，中间轴只受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小500kw以上的风电增速箱由于功率大，大转矩的特点，通常采用功率分流的行星传动。常见结构有：两级平行轴加一级行星和一级平行轴加两级级行星传动两种形式。本文采用的是平行轴与行星轮
