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1、风力发电机齿轮箱结构及其主要故障类型的处理方法 摘要第一章 绪论1.1 论文的目的和意义1.2 风力发电的现状1.3 风力发电齿轮箱的研究现状第二章 齿轮箱结构2.1 风力发电机的整体结构2.2 齿轮箱的结构及其传动方案第三章 风力发电机组齿轮箱故障类型3.1 齿轮箱的主要故障类型3.2 风力发电机组齿轮箱振动故障分析3.3 风力发电机组传动齿轮油温故障分析第四章 风力发电的发展存在问题和主要趋势4.1 我国风电齿轮箱设计生产存在问题4.2 风电发展的主要趋势致谢参考文献中文摘要摘要：风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮 箱作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究
2、机构的 关注。但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱，特别是兆 瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术。因此，急需对兆瓦级风电 齿轮箱进行自主开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实 现风机国产化目标。本文以兆瓦级风力发电机齿轮箱为对象，通过方案选取，齿轮 参数确定等对其配套的齿轮箱进行阐述。首先，介绍全球风力发电产业高速发展和国内外风电设备制造业 概况，阐述我国风力发电齿轮箱的现状及齿轮箱的研究。其次，确定齿轮箱的机械结构。选取两级行星派生型传动方案， 通过计算，确定各级传动的齿轮参数。对行星齿轮传动进行受力分析， 得出各级齿轮受力结果。依据标准进行静强度校核，结果符合安全要 求。
3、然后，论述了风力发电机组齿轮箱故障诊断的主要类型，深入探 究风电机组齿轮箱振动故障机理，研究了油温高的故障机理，分析了 传动齿轮温度场和热变形的情况。最后，阐述我国风力发电存在的主要问题和发展前景。关键词：风电齿轮箱；结构；故障类型；存在问题ABSTRACT第一章 绪 论1.1 论文的目的、意义面对当前不可再生能源短缺的境况，许多国家都发展清洁能源， 主要有风能、太阳能等，但规模最大的是风力发电。现在风力发电技 术已日趋成熟，市场正逐步扩大，风力发电已成为增长最快的可再生 能源之一，并具备了与常规能源竞争的能力。本论文就是建立在对引进的兆瓦级风力发电增速齿轮箱结构技 术消化吸收的基础上，对增速
4、齿轮箱在转矩、齿数和分度圆等量的论 述，计算轮齿进行接触应力分析和齿根的弯曲强度校核。我国风力发 电机组故障中齿轮箱的损坏率在机组部件中最髙，达到40%50%, 风力发电机组建在风电场，而风力机传动件的核心部件就是齿轮箱， 由于安装环境条件很差，随着载荷的增加，齿轮箱的拆装越发不容易， 若出现故障，对发电机组带来的影响很大，维修也非常困难。随着设 备的不断升级，例如风力发电机容量的增大，齿轮箱故障所带来的损 失越来越大，齿轮箱故障诊断的研究是非常必要的。转动中的齿轮受 弯曲载荷、振动等载荷作用，所以发生故障是不可避免的。目前，主 要有三种风力发电机，一种依靠齿轮箱增速，一种是直驱风力发电机 组
5、，第三种是半直驱风力发电机，第一种的生产技术较为成熟，而且 在风电场中，该种风力发电机是主流机型，使用的较多。双馈感应发 电机所加装的电力电子变流器的功率占风力机组的 30%，虽然没有了 齿轮箱，风力机的故障发生率以及维护成本都大幅下降，但为了将直 驱风力发电机组联接电网，要给它加装一个全功率的电力电子变流 器，而变流器的价格非常高，增加了发电成本。由于以上两个原因， 就目前来说，风电机组齿轮箱故障研究有重要现实意义。由于我国风电场的齿轮箱受变载荷、强阵风的冲击，环境温度变 化较大，齿轮箱故障占到风力发电机组故障总数的12%，所占比重较 大，应高度重视，尽可能降低故障发生率。由于风力发电机组齿
6、轮箱 故障发生频繁，齿轮箱的维修费用也相当高，通过故障机理分析，我 们在一定程度上了解齿轮箱的故障特性、故障原因，加强齿轮箱的故 障诊断研究对提高风力机工作效率、保证齿轮箱的正常运行，具有十 分重要的实践意义。齿轮箱的故障分析，有助于在日常监测中及时发 现、正确判断故障，当出现故障后，在故障早期及时采取有效措施避 免故障继续发展。综上所述，只有高度重视并不断提高风力发电机组齿轮箱的结构 设计和运行维护能力，才能保证风力发电机组齿轮箱及机组的良好运 行。1.2 风力发电国内外发展现状风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比，风力发电不依赖 外部能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定，也没有碳排放等
7、环境 成本；此外，可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有 这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要 组成部分，发展迅速。根据全球风能理事会的统计，全球的风力发电 产业正以惊人的速度增长，在过去 10 年平均年增长率达到28，2007 年年底，全球装机总量达到了9400万千瓦，每年新增 2000 万千瓦，意味着每年在该领域的投资额达到了 200亿欧元。许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策，从 不同的方面引导和支持风电的发展。在政策的鼓励下，2007年全球 风电新装机容量约为2000万千瓦，累计装机9400万千瓦。2008年 是风电发展具有标志性的一年
8、：这一年风电成为非水电可再生能源中 第一个全球装机超过l亿千瓦的电力资源。风电作为能源领域增长最 快的行业，共为全球提供了近20万个就业机会，仅2006年风电场建 设投资就接近170亿欧元。欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其 中德国是目前风电装机最大的国家，装机容量超过2000万千瓦；美 国和西班牙也都超过了 1000万千瓦：印度是除美国和欧洲之外新装 机容量最大的国家，装机总容量也超过600万千瓦。世界风电前十名 国家近05至07年发展情况如图1-1所示。20Mi5on啊 500Gg*F*图1-1世界风电前十名国家近05至07年发展情况就近几年来世界风电发展格局和趋势分析来看，主要有以下几
9、 个特征：(1) 风电发展向欧盟、北美和亚洲三驾马车井驾齐驱的格局转变；(2) 风电技术发展迅速，成本持续下降；(3 )政府支持仍然是欧洲风电发展的主要动力；(4)中国是未来世界风电发展最重要的潜在市场。全球风能理事会是世界上公认的风电预测的权威机构，掘全球风 能理书会的预测，未来五年，全球风电还将保持20%以上的增长速 度，到2012年，全球风电装机容量将达到2.4亿千瓦，年发电5000 亿干瓦时。风电电力约占全球电力供应的3%。欧洲将继续保持总装 机容景第一的位置，亚洲将会超过北美市场排在第二位。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。2010年，国家气候 中心也采用数值模拟方法对我国风能资
10、源进行评价，得到的结果是： 在不考虑青减髙原的情况下，全国陆地上离地面10米髙度层风能资 源技术可开发量为25.48亿千瓦。近年来，特别是可再生能源法 实施以来，巾囤的风电产业和风电市场发展十分迅速，主要表现在以 下几个方面：(1)市场规模迅速扩大，如图1 -2所示pm-审图1-2我国风电发展现状(2) 风电制造业发展迅猛；(3) 技术转让步伐加快；(4) 风电政策趋揽熟；(5) 外资企业开发中国风电市场的障碍减少。2010 年，全球风电资金15投向了中国，总额达34 亿欧元，中 国真正成为全球最大的风电市场。从我国的发展情况来看，我国风电 产业将会长期保持快速发展，主要由以下因素的支撑：(1
11、)国家能源政策升华；(2)气候变化的推动；(3)风电技术成熟。依据目前的趋势，保守估计，到 2020 年，我国风电累计装机可 以达到 7000 万千瓦。届时风电在全国电力装机中的比例接近 6， 风电电量约占总发电量的 2.8。从 2020 年开始，风电和常规电力 相比，成本优势已比较明显。至 2030 年，风电在全国电力容量中的 比重将超过 11，可以满足全国5.7的电力需求。1.3 风电齿轮箱的发展现状风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱 作为风电机组中最重要的部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构 的关注。风机增速齿轮箱是风力发电整机的配套产品，是风力发电机组中 一个重
12、要的机械传动部件，它的重要功能是将风轮在风力作用下所产 生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速进行发电，它的研究和 开发是风电技术的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向发展。 风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩、海岛等野外风口处，经 常承受无规律的变相变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，并且常年 经受酷暑严寒和极端温差的作用，故对其可靠性和使用寿命都提出了 比一般机械产品高得多的要求。风电行业中发展最快，最有影响的国家主要有美国、德国等欧美 发达国家，在风电行业中处于统治地位。欧美发达国家早已开发出单 机容量达兆瓦级的风力发电机，并且技术相对成熟，具有比较完善的 设计理论和丰富的设计经验
13、，而且商业化程度比较高，因此在国际风 力发电领域中处于明显的优势和主导地位。国外兆瓦级风电齿轮箱是随发电机组的开发而发展起来的， Renk、Flender 等风电齿轮箱制造公司在产品开发过程中采用三维造 型设计、有限元分析、动态设计等先进技术，并通过模拟和试验测试 对设计方案进行验证。此外，国外通过理论分析及试验测试对风电齿 轮箱的运行性能进行了系统的研究，为风电齿轮箱的设计提供了可靠 的依据。国家标准GB/T19703-2003和国际标准IS081400-4： 2005都对风 电齿轮箱设计提出了具体的设计规范和要求。尽管国际上齿轮箱设计 技术已经比较成熟，但统计数据表明，齿轮箱出现故障仍然是
14、风机故 障的最主要原因，如图 1-3 所示，约占风机故障总数的 20左右。图1-3风机故障类型由于我同商业化大型风力旋电产业起步较晚，技术上较欧美等风 能技术发达国家存在报大差距。我同在九五期间丌始走引进生产技术 的路子，通过引进和吸收国外成熟的技术，成功研发出了兆瓦级以下 风力发电机。十五期间在国家863计划中重点提出容量更大的兆瓦绒 风力发电机组的研究和开发课题。但是最为世界上的风能人国，目前 我团大型风力发电机组的开发主要是引进国外成熟的技术，关键就是 因为我国的设计水平不髙。目前我国主要有3家公司制造风电齿轮箱：南京髙精齿轮有限公 司，重庆齿轮箱有限责任公司，杭州前进齿轮箱集团。其中，
15、前两家 公司占据了将近70%市场份额。对于现行主流的兆瓦级以风力发电 机组，国内的几十家生产厂商绝大多数采用的部是引进国外的成熟技 术。由于传递的功率大，对兆瓦绒增速齿轮传动的可靠性和寿命要求 非常髙。田而增速齿轮的设计成为风力发电机组的瓶颈，是整个风力 发电机组稳定运行的关键。从目前的情况束看，风电齿轮箱市场可发展空叫广阔，齿轮箱驱 动式风电机组仍是市场主流。第二章齿轮箱结构2.1风力发电机的整体结构O叶片导潦罩O轮殽变菜电机.?变桨轴承O变聲悴制柜O主抽承匪O主轴O偏航电机机枪底厳Q齿轮箱 联轴曙O电机一：主电控柜O提升机机艇罩0塔架傷航轴卓淞压站图2-1风力发电机整体结构图风力发电机组可分为无齿轮箱驱动的直联式和齿轮箱驱动式两 种。目前，齿轮箱驱动型有一定的成本优势，仍是固际上采用的主流 结构型式。齿轮箱驱动式风力发电机组的具体结构如图2-1所示.齿 轮箱布置在叶轮和发电机之间，它将叶轮受风力作用旋转而产生的动 力传递给发电机发电，同时将叶轮输入的根低的转速转变为满足发电 机所需的转速。2.2齿轮箱的结构方案风机的结构形式主要有两种：水平轴风机；垂直轴风机。目前市场上普遍应用的均为水平轴风力机。本文也主要参考水平轴的结构形 式。在风力发电机组中，齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功能 是将风轮在风力作用下所产生的动力传递到发电机并使其得到相应
