風(fēng)電機(jī)組齒輪箱功率傳遞方式概述

【摘 要】在風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率逐年提高的背景下，作為傳動系統(tǒng)重要部件的主齒輪箱，其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與否影響著傳遞功率的大小及效率。本文總結(jié)了近些年風(fēng)電齒輪箱設(shè)計發(fā)展的概況，歸納比較了行星輪平行軸系、柔性軸等傳動結(jié)構(gòu)的原理和特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】齒輪箱；行星輪；功率分流；柔性軸

0.引言

隨著風(fēng)力發(fā)電在綠色發(fā)電領(lǐng)域的快速發(fā)展，尤其是在目前我國環(huán)境嚴(yán)重污染的大環(huán)境下，采取綠色、可持續(xù)的風(fēng)電能源發(fā)展方向，是緩解我國能源配比，減少污染的必然選擇。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展推動了該領(lǐng)域制造業(yè)同行的對比競爭。尤其是隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率的不斷擴(kuò)展，使得齒輪箱在功率傳遞方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面不斷的進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

齒輪箱作為機(jī)組中最重要也是所占機(jī)組成本較大的部件，其成本大約是機(jī)組成本的17%左右，由于受到風(fēng)載的變載沖擊，以及極限風(fēng)況、極端溫度變化等因素的影響，齒輪箱故障占到機(jī)組故障總數(shù)已超40%，成為機(jī)組中最薄弱的一環(huán)。為提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，滿足20年的設(shè)計壽命要求，除了加強(qiáng)對齒輪箱油液分析、前期故障監(jiān)測分析以外，采用合適的功率傳遞方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為亟待發(fā)展解決的問題。

近年來，為提高機(jī)組發(fā)電功率與發(fā)電效率，風(fēng)電機(jī)組朝著提高單機(jī)容量，降低單位千瓦質(zhì)量，提高機(jī)組利用率及提升系統(tǒng)可靠性的方向發(fā)展。為適合這種發(fā)展需求，就必然面臨選擇使用何種功率傳遞方式的齒輪箱。對此，本文列舉了目前國內(nèi)外幾種功率傳遞方式的設(shè)計路線，分別介紹各設(shè)計特點(diǎn)，并比較分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.我國風(fēng)電齒輪箱研究現(xiàn)狀

由于國內(nèi)風(fēng)電起步較晚，風(fēng)電技術(shù)人才相對匱乏，所以目前并在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)將依賴于國外的設(shè)計公司，但是在引進(jìn)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的同時并沒有把齒輪箱的設(shè)計、制造技術(shù)同步引進(jìn)。國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計通常是從Romax、Obital2等國外專業(yè)設(shè)計公司引進(jìn)，再按照主機(jī)廠提出的要求在齒輪箱的結(jié)構(gòu)和外形尺寸上進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，然后結(jié)合國內(nèi)工藝制造水平實現(xiàn)齒輪箱的批量化生產(chǎn)，卻沒有掌握國外先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)。

盡管我國風(fēng)電齒輪箱國產(chǎn)化工作近年來取得了長足的進(jìn)步，并在兆瓦級的生產(chǎn)上形成了批量化，但是目前仍然存在很多制約風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的問題：

第一，基礎(chǔ)性工作的研究和數(shù)據(jù)積累嚴(yán)重匱乏，對國外技術(shù)的消化和吸收存在一定的局限性，沒有形成自主創(chuàng)新能力。

第二，由于國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)起步較晚，對設(shè)計、制造技術(shù)理解不深，高技術(shù)水平的人力資源匱乏。

第三，國內(nèi)目前還只是停留在類比設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計的階段，日益增長的大批量生產(chǎn)規(guī)模實際上存在大量的質(zhì)量隱患和問題，運(yùn)行壽命基本上難以保證整機(jī)設(shè)計壽命20年的要求。

第四，大功率齒輪箱2-3倍功率加載的試驗裝置和測試手段嚴(yán)重匱乏。

第五，國內(nèi)各齒輪箱廠家自鎖門庭、技術(shù)保密，沒有形成資源共享、信息互通的良性競爭機(jī)制。

2.功率傳遞方式綜述

隨著全球風(fēng)電市場單機(jī)容量的與日劇增，齒輪箱的發(fā)展也日趨迅猛。由常見的一級行星兩級平行軸傳動結(jié)構(gòu)方式逐漸過渡到兩級行星一級平行軸、柔性軸、功率分流、一入多出等更適合實際工況的大功率機(jī)型。

2.1行星輪系+平行軸系

常見的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱由一級行星兩級平行軸或兩級行星一級平行軸齒輪傳動組成，是一種典型的傳動裝置。低速軸帶動行星架上的三個行星輪，將動力傳至太陽輪，再帶動下一級平行軸或行星輪轉(zhuǎn)動，最終通過平行軸（即高速軸）輸出，如下圖1、2所示。

圖1 一級行星+兩級平行軸 圖2 兩級行星+一級平行軸

與平行軸輪系相比，行星輪系具有傳動效率高，徑向尺寸小，重量輕，空間緊湊，傳動比大，齒輪及軸受力較均勻，耐沖擊和抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但同時也存在一定缺點(diǎn)，較定軸輪系傳動復(fù)雜，齒輪精度要求高，由于結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積較小，在工作中導(dǎo)致油池溫升過快，需要配置潤滑冷卻系統(tǒng)。而兩者結(jié)合則同時具備各自優(yōu)點(diǎn)。

該傳動方式也是目前國內(nèi)裝機(jī)量最大的齒輪箱型式。

2.2復(fù)合行星齒輪系

2.2.1定軸式復(fù)合行星齒輪系

RENK公司設(shè)計的這種傳動方式是以內(nèi)齒圈作為動力輸入，帶動固定軸行星輪組合傳動，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大，機(jī)械效率高；由于該行星輪系采用定軸傳動，所以行星輪上軸承可實現(xiàn)定點(diǎn)潤滑，降低軸承的失效風(fēng)險；可維護(hù)性好，在塔上可實現(xiàn)全部零件拆卸維護(hù)。該方案齒圈制造精度要求較高，齒輪箱徑向尺寸較大，應(yīng)用在較小功率（1.5MW以下）齒輪箱的成本較高，但在大功率齒輪箱上反而能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，如下圖3所示。

圖3 定軸式復(fù)合行星齒輪系

2.2.2非定軸式復(fù)合行星齒輪系

該設(shè)計方案為GE公司設(shè)計，以行星架作為動力輸入，內(nèi)齒圈固定，與定軸式復(fù)合行星齒輪傳動相比，同樣具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大，機(jī)械效率高等特點(diǎn)，但該方案對潤滑系統(tǒng)的油路布置相對要求較高，如下圖4所示。

圖4 非定軸式復(fù)合行星齒輪系

2.3柔性行星軸

風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率逐漸發(fā)展擴(kuò)大，而傳統(tǒng)行星齒輪傳動中的太陽輪及行星架、行星輪的連接嚙合屬于剛性設(shè)計，由于不可避免的制造、安裝誤差，引起行星輪之間載荷分配不均，在大功率齒輪箱的嚙合傳動中不可避免的會形成偏載，造成局部嚙合齒面應(yīng)力提高，在長期交變載荷的影響下，易使齒面逐步發(fā)生點(diǎn)蝕、膠合，甚至斷齒等現(xiàn)象發(fā)生。

柔性軸技術(shù)則很好的解決了這個問題，具有良好的均載效果。柔性軸的實現(xiàn)方式是通過使用剛度值較小的銷軸，一端固定于行星架，一端套裝行星輪，整個行星架上的行星輪都處于懸臂狀態(tài)，在與太陽輪嚙合傳動的過程中，行星輪則能夠徑向浮動，實現(xiàn)載荷均載。但柔性軸的剛度不是越小越好，這會造成行星輪徑向浮動量過大，從而引起齒輪副的相對滑移磨損，所以應(yīng)根據(jù)齒輪箱的實際載荷工況選擇適宜的柔性軸剛度值。另外，柔性軸技術(shù)的使用對降低齒輪嚙合振動引起的噪聲，起到了一定的阻尼作用。如下圖5所示。

圖5 柔性行星軸

這種技術(shù)SMT，MAAG，Orbit2，Romax都在使用。在位于蘇格蘭奧克尼島（Orkney Island）上MAAG的3MW風(fēng)機(jī)齒輪箱中，II級行星傳動中共有7個行星齒輪，是目前風(fēng)電齒輪箱中行星輪使用最多的，同時采用了柔性軸技術(shù)。

2.4功率分流

為實現(xiàn)齒輪箱承載能力最大時齒輪箱體積和重量最小，達(dá)到功率密度最大化的目的，設(shè)計公司采用了功率分流技術(shù)。在風(fēng)電齒輪箱行業(yè)中，采用功率分流這一設(shè)計理念具有代表性的技術(shù)主要是MAAG和BOSCH。

MAAG 設(shè)計采用了兩級行星輪分流，第三級平行軸傳動。Ⅱ級傳動中的齒圈和I級傳動中的行星齒輪由低速軸驅(qū)動。I級傳動中輸入扭矩經(jīng)過分流，一部分分配到隨低速軸轉(zhuǎn)動的行星架。另一部分被分配到Ⅱ級傳動的齒圈。在該傳動中，行星架獲得了31-35%的扭矩，Ⅱ級內(nèi)齒圈則傳遞了其余65-69%的扭矩部分。

BOSCH齒輪箱設(shè)計與MAAG類似，不過其采用了三級行星一級平行軸的結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是：第一，對第二級行星輪系的太陽輪和第三級行星輪系的內(nèi)齒圈采用了浮動設(shè)計，更有利于整個齒輪箱的均載；第二，由于第二級和第三級行星傳動的內(nèi)齒圈與箱體分離，所以能有效減小齒輪箱傳動所產(chǎn)生的振動；第三，通過功率分流很好的降低各個嚙合齒輪副所傳遞的載荷，從而減小傳動齒輪的尺寸，在同等尺寸條件下，該設(shè)計更有利于提高齒輪箱的容量，目前該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于3MW及以上的風(fēng)電齒輪箱中。

利用功率分流在兩級傳動中的差動特性，很好的降低了齒輪副的接觸應(yīng)力，從而實現(xiàn)功率密度的最大化。如下圖6、7所示。

圖6 MAAG型式功率分流 圖7 BOSCH型式功率分流

2.5一入多出

隨著對海上風(fēng)電的研究發(fā)展，惡劣的海上環(huán)境也對風(fēng)電提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，Winergy研發(fā)了一款專門應(yīng)用于海上風(fēng)電的一入雙出齒輪箱，該結(jié)構(gòu)是為Bard公司開發(fā)設(shè)計的，相比傳統(tǒng)齒輪箱，在結(jié)構(gòu)上有很大的創(chuàng)新嘗試。由于處于樣機(jī)試運(yùn)行階段，所以該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢還有待繼續(xù)觀察。如下圖8所示。

圖8 一入雙出

從該結(jié)構(gòu)設(shè)計方面來看，其優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

第一，結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高。在同樣的機(jī)艙內(nèi)可以放置比傳統(tǒng)驅(qū)動功率更大的驅(qū)動系統(tǒng)，可將一臺發(fā)電機(jī)更改為兩臺并排橫向放置，在功率增大的同時，縮短了傳動鏈的長度。

第二，維修方便，可維護(hù)性強(qiáng)。

維護(hù)和維修時無需從機(jī)艙中拆除 一入多出（目前僅為一入雙出）齒輪箱的設(shè)計確保其各組件質(zhì)量不超過機(jī)艙吊機(jī)的承載能力。這樣在對齒輪箱進(jìn)行維修及維護(hù)時，就可以無需借助其它起重設(shè)備，尤其是對海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行作業(yè)時，更能體現(xiàn)出其方便之處。且在齒輪、軸承等方面大量采用了完全相同的零部件。與傳統(tǒng)齒輪箱相比，這些零部件尺寸更小，重量更輕。因此，該結(jié)構(gòu)齒輪箱的互換性更強(qiáng)，成本也較低。

第三，通過兩臺發(fā)電機(jī)實現(xiàn)不同的功率輸出，可擴(kuò)展至 12MW一入雙出齒輪箱采用八等分載荷分流， 最后集成輸出至兩個高速軸連接兩臺發(fā)電機(jī)，根據(jù)機(jī)組的實際運(yùn)行工況及控制方式，可以匹配選擇不同的發(fā)電機(jī)輸出功率。

為滿足不同的市場需求，目前可實現(xiàn)3MW-12MW之間的額定功率選擇。由于采用了比傳統(tǒng)齒輪箱尺寸更小，重量更輕的設(shè)計，其額定功率越大，優(yōu)勢也越明顯。

2.6融合技術(shù)方案

該技術(shù)方案是綜合了柔性行星軸與功率分流兩種設(shè)計特點(diǎn)，更能體現(xiàn)齒輪箱功率密度的最大化。

2.7齒輪箱+電機(jī)集成式

近年來開發(fā)設(shè)計的HybridDrive 混合驅(qū)動技術(shù)，通過采用齒輪箱與發(fā)電機(jī)集成設(shè)計，大大降低了傳動鏈重量，傳動鏈軸向長度也可縮短35% ～ 50%。此外，齒輪箱和發(fā)電機(jī)采用可獨(dú)立拆卸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別適合于海上風(fēng)電的維護(hù)需求。因此，在傳動系統(tǒng)中采用集成化設(shè)計和緊湊型結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是未來特大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢。

2.8齒輪箱+液力耦合

Voith公司為Bard公司研發(fā)的齒輪箱+液力耦合方案，可以通過調(diào)節(jié)液力單元的沖程來實現(xiàn)齒輪箱傳動比的控制，把變速輸入轉(zhuǎn)化為恒定速度輸出。該傳動方式調(diào)速范圍寬，對環(huán)境要求不高。

3.結(jié)語

盡管近年來直驅(qū)型機(jī)組得到了大力發(fā)展，由于在拿掉齒輪箱后，機(jī)組故障率會明顯降低，但直驅(qū)、雙饋兩種機(jī)型各有優(yōu)勢。另外，雙饋型機(jī)組在我國風(fēng)電市場中占有的地位不言而喻，這與我國多數(shù)整機(jī)廠在初期的技術(shù)引進(jìn)、路線選擇有關(guān)，也同整個市場初期的供給和此后所形成的需求有關(guān)。

可以說，雙饋機(jī)型的“主軸-齒輪箱-發(fā)電機(jī)”傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最成熟，技術(shù)延續(xù)性最完整的“標(biāo)準(zhǔn)”結(jié)構(gòu)，在不改變這種功率傳遞方式的前提下，齒輪箱的技術(shù)發(fā)展依然令人期待。作為機(jī)艙傳動系統(tǒng)最重要的一環(huán)，功率密度最大化始終是齒輪箱設(shè)計的初衷，在向大功率機(jī)組發(fā)展的過程中，齒輪箱的設(shè)計影響著機(jī)組的升級、擴(kuò)容。

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