5MW风电齿轮增速箱设计 (一级行星轮系)【7张CAD图纸与说明书全套资料】
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5MW风电齿轮增速箱设计
(一级行星轮系)【7张CAD图纸与说明书全套资料】
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Musial国家风力技术中心国家可再生能源实验室1617科尔大道金，共80401布瑞恩麦尼夫麦尼夫轻工业43狗岛路港湾，我04642简要一个新的设施，最近已完成在国家可再生能源实验室，允许风力发电机组零部件全面的测功机测试，完成从发电机的风力涡轮机。本装置设有一个2.5兆瓦的电机，变速箱，变速驱动系统提供轴扭矩。模拟风力机载荷MTS疲劳额定负荷系统等方面充分集成到设备。这将允许致动器循环荷载的结构在各种不同的方式。正式安然水平风公司已安装在设备的第一测试文章帮助成熟z-750系列风机设计的。试验包括制动控制系统调整，耐久性试验齿轮和轴承元件，和结构测试。功率变换器的某些方面也将测试。本文介绍了测功机试验台及其功能。同时，在综述水平测试的程序设计。介绍风力发电系统有较大的增长在过去的十年。虽然风电成本继续下降，每个涡轮机成本增加使原型的实证方法现场测试的风险越来越大。新的涡轮机的设计，兆瓦级的原型是昂贵的建立和长，单位生产时间消耗的生产利润。随着从原型到生产典型高峰，制造商经常发现问题太晚在大批量生产运行修正开始。这会导致过早的失败和昂贵的改造。风电机组传动问题的记录，包括变速箱故障和磨损，轴承生活问题，发电机故障，控制器引起的系统故障。1-3中可能出现的问创业初始，极端风力条件下，或可长期操作相关。在任何情况下，本及时发现和解决这些问题是在第一单元测试。多年来，汽轮机制造商依靠实验室检测的关键部件，如转子叶片，减少灾难性的现场事件的潜在风险。 4 直到现在他们没访问能够测试整个涡轮驱动系统的设施，这是所有发电机组的核心设计。在国家可再生能源实验室（NREL）一种新的测功机试验台（DTB）建试验风机的传动系统和组件。从行业要求出世，这个新设施极大地改变到新的风力涡轮机系统的评价方法。它现在被用来验证的安然传动设计正式标记物风公司z-750涡轮系统。设备描述一般描述DTB位于美国国家风能技术中心（NWTC）是致力于测试风电机组传动系统。这些通常是由一些组合的齿轮，联轴器，轴承，轴，润滑系统，齿轮箱，发电机，控制器，和电源转换系统。这可以从100千瓦到2.5兆瓦的范围内测试系统大小。测功机的原动机是一个可变的扭矩，变速电动机控制的变频驱动系统。这4160伏电机连接到一个2.5兆瓦，三级行星变速箱。测试文章可以连接到电机的高速轴，齿轮箱的低速轴，或一个中间轴不同的速度和扭矩的要求 显示了作战能力在每个轴。系统的控制逻辑允许的转矩和速度可连续变化，通过手动操作命令信号或自动的方式数据采集与监控（SCADA）命令。图1显示了两个信封，每一个驱动轴的选项，和一个实际的风力涡轮机设计极限曲线，用以指导测功机设计。一组有代表性的实际风涡轮机的设计（现有的或计划中的）被表示为在这个图的数据点。这些数据根据其额定输出乘以1.3和1.7之间的一个因素。这是近似的的缩放因子，必须加快全寿命运行到几个月耐久性试验在连续运行。驱动电机和变速箱总成安装到169千牛（38吨）升降驱动表中有一个3.05-m垂直调整的跨度（10英尺），倾斜的能力从0到6度。一个1.52（5深口袋驾驶台下允许表的顶部将0.61米（2-ft）以下等级水平。这个范围可以容纳多达3.05-m轴的高度（10英尺）。图12.5MWNREL的测功机操作信封表2借助四222千牛（50吨）电动螺旋千斤顶，位于该表的每一个角落。螺旋千斤顶操作前后对绝对定位精度25毫米。（0.010）。这种微调能力是内置到系统允许精确分析传动系统的轴和试验第轴。在适当的位置时，表在两反应墙对驾驶台两侧的垂直面。此连接采用10角钢支架，螺栓通过驱动表和附加到垂直的T型槽，加工成钢板安装到墙上。表的运动是由一个可编程逻辑控制器（PLC）接收的确切位置从绝对位置编码器位于每个螺旋千斤顶的信息。这一信息翻译由PLC为轴的位置和角度。设施配备222千牛（50吨）电动桥式起重机运行的长度27.4-m（90英尺）试验台。吊挂件与多个控制速度的能力。所有的测试文章被机械地耦合到一个驱动系统中的三轴。测试的物品安装槽底板嵌入在工厂的南端地或网格或者网墙图22.5MWNREL的测功机电源回路图2显示的电源回路原理图工具布局A的形成。一轴功率转换设备它是由测试电气能源和可再生反馈到第nwtc电网在480。4160伏供电或电压，它是由reused测功机。只有在传动系统的功率损失需要添加的属性显示在外面10枢纽设施保持系统运行在稳定州立。图3显示图片的数据。轴的弯曲载荷大多数的风力涡轮机所经历的负载是由风的作用在主轴轴的扭转和弯曲。虽然许多动力，动力，和惯性的影响结合创建不同的负载情况下，每一个的情况下，通常可以减少扭转和在主轴/集线器接口弯曲反应。轴的扭转往往是足够的测试时一个给定的设计齿轮的齿。然而，如果一个测试的齿轮箱，轴承，轴，支撑台板，偏航，或联轴器所需的附加轴的弯曲载荷，必须应用。测功机驱动生产扭振，但弯曲载荷必须由侧加载千斤顶轴系统中的应用。在国家可再生能源实验室测功机，轴弯曲采用液压伺服系统，和致动器能够提供高达110的事。采用液压驱动系统，轴的弯曲载荷，可随着涡轮轴的旋转同步给周期，每转轴荷载，代表再生能力在现场的瞬态条件下的风力涡轮机驱动系统的组件可能加速或减速。对于一个真正的模拟操作风轮机的转动惯量和刚度测功机的旋转部件应符合试验第转子系统。这是不容易的因为这些属性是固定在测功机的设计。然而，惯性匹配可以通过增加或减少测功机驱动功率闭环转矩控制下的实现模拟代表转子质量属性的期望加速度，在转速变化。刚度匹配可以通过聪明的杰克轴设计完成。转矩和速度控制测功机驱动可以运行在转矩控制和速度控制。在速度控制模式，测功机可以使用手动油门控制盘操作，或者它可以通过驱动按照规定的速度时程的SCADA系统。这种模式具有测试是有用的z-750变频调速系统的。然而，速度控制可能不是很有用，当测试一个固定的速度异步或同步发电机系统，或当惯性的影响是至关重要的。转矩控制模式并不完全决定它，但它可能证明比起发电功率输出固定或可变转矩负载更加有用的影响我们的发电机速度。瞬态负载测试将需要平衡旋转惯性扭矩控制t。最终目标是形成风的力量测试项目的实际控制系统来符合时间随机的湍流波动。在闭环控制，随机风时程将被用来计算实时扭矩值，通过简单的CP与（能量系数与尖端的速度比）的传输函数，或通过更复杂的代码，如aerodynamics你aerodyn6 。涡轮来控制适当的控制器功能。类型的测试测功机测试的主要优点是负载测试机可以控制。的测试类型分为风力机系统测试和组件测试。在大多数情况下，你必须安装的风力发电机组传动系统进行测试，代表从传递荷载测功机。一些测试，也可以进行不同类型的描述如下，但作者不认为这是一个详尽的列表。风力发电系统试验传动系统的耐久性试验耐久性试验是为了证明一个特定的疲劳寿命驱动系统确保它能够生存的整个工作生活。耐久性试验将涉及3至6在高负荷下连续运行数月，结合重大应用瞬态负载的情况下，长期运行的频谱部分。横向轴载荷作用下模拟实际操作转子弯曲载荷可以影响齿面接触应力和疲劳，轴承的寿命，轴和轴承座。这样的测试要求高，稳态功率水平的变化1.31.7倍的额定容量的测试文章。紊流风场模拟测试，这种测试可以证明的正确操作在设计工况下汽轮机系统。操作底盘测功机的闭环转矩控制下，随机风场数据是利用反馈计算机算法转换成轴扭矩从机的控制系统。严重的随机转矩条件下可以模拟要求在所有条件下其操作的限制进行汽轮机控制系统。加载事件测试这种类型的测试可以在极端测量汽轮机系统的响应操作事件。短暂的扭转和弯曲载荷对传动系统进行模拟真实的战场环境。惯性系统可以使用的再生动力系统匹配电动变速传动。横向弯曲载荷可应用于传动轴，轴承座或偏航系统重现特定的设计载荷情况。这种类型的测试还包括自诱导载荷来自测试机的部件和不进入转子系统。的例子自我诱导的负载制动系统试验，发电机故障和电网故障，发电机和正常瞬变。组件测试个别涡轮组件的测试通常是测试与评价的重点对于整个系统。测功机可以用于各种其他成分的排位和优化在现场安装或改造。可以进行测试，对齿轮，轴，轴承座，轴承，分离发电机，控制系统，制动，或电力电子元件，有或没有代表性的传动组件。变速箱试验齿轮箱在风在广泛的现场故障源工业。它往往是必要的测试，评估，优化操作对个人的影响变速箱的部件来增加或降低机组成本的生活。 7 一些齿轮测试包括：评估和减轻轮齿载荷，评估和减轻齿面磨损机制，优化齿轮的润滑性能，优化油系统的水平，温度，和过滤，齿轮箱应力测量，轴承寿命试验，并评估适当的齿啮合特定负载下建立最佳的铅和剖面修改。发电机发电机是的动力系统的一个重要组成部分。它有助于显着的机械载荷产生在正常运行时，整个传动系统故障。的一系列的条件下发电机的性能可以被分离和测试仪。一些发电机测试包括：评价电气特性和故障设置，评价轴承和绕组温度，转矩速度特性测量，确定起动转矩和极端的操作性能，决定系统的效率，并瞬态响应特性的测量。控制系统也可以在这个过程中，评估。这可能是高还是低了速度（直接驱动）发电机。为了适应直接驱动发电机，可能有过大的径向尺寸，测功机测试湾坑建成的试验段地板。在这些情况下，部分发电机可以安装在坑下面的测试海湾地板表面允许适当的高度以测功器输出轴匹配。z-750测试程序z-750背景在成本分担美国能源部（DOE）/国家赞助的近期研究测试包，探测器已经努力降低的安装成本制造z-750系列风机通过价值工程方法。支持活动，公司已经安装了一个完全风力涡轮机配置z-750DTB评估降低成本的同时保持措施高质量和忍受各种操作和设计荷载的能力。我们的组件在这个测试程序集中包括齿轮箱，齿轮元件，轴和联轴器，制动器，并且，在某种程度上，轴承。测试分成四个阶段：接触试验，制动事件测试，微点蚀试验，和耐久性试验。这些讨论，下面描述的目标和过程。 齿面接触试验接触进行测试，以验证正确啮合的齿轮弹性加载过程中发生的。这是在不同的负载水平，使用一个简单的齿轮齿的绘画技术显示磨损模式。测功机需要做的好是因为它很难选择正确的并在该领域的可重复的负载水平。结果在设计，制造，质量流程优化齿轮的几何形状和材料。这一阶段已成功完成的z-750s当前齿轮组。图4显示的例子的磨损模式观察运行在恒定的负荷测功机1小时。图4控制磨损齿轮的齿面接触模式的例子制动事件试验z-750配备的高速，安装于轴上，弹簧制动，液压释放允许停止转子在发生变桨系统故障。这种冗余的系统称为在国际电工委员会（IEC）标准 8 和德国劳埃德批准文件。第二阶段的测试减少制动反应载荷通过驱动器列车虽然各种减灾技术。这些技术主要集中在减少制动反应时间而提供的转矩上升温和和传动反应。作为通过麦尼夫等人 3 在一个显而易见的和可重复的描述，在这些传动负载减少方式可以允许同时减少需要正确地传递这些载荷系统元素。这，当然，会导致较低的成本结构。这一阶段也被成功地完成后四这种方法的评价。微点蚀试验微观点蚀的研究3期目前正在进行中，而且，迄今为止，最激动人心的一，因为它可以有一个广泛的各大未来风电齿轮箱的设计实践的影响水轮机模型。微蚀是失败的前兆，是目前流行的水平在整个风电行业（以及其他行业以及），是保形的啮合齿轮表面研磨效果结果在细（100在）在表面凹坑。这些细坑在短时间内深的凹陷，穿透硬化。最终，可适当降低表面传递和反应的接触应力和弯曲载荷，从而加剧了问题。这可以导致宏观点蚀和牙齿过早失效。安然想主动减少任何可能的过早损坏曝光评估各种微点蚀的抑制方法。鉴于此，3阶段的重点是第一建立基线微点蚀特征通过加速高功率操作。然后各种缓解方法将测试量化的差异。这些方法包括替代表面光洁度，表面电镀，和特种润滑油和润滑油添加剂。耐久性试验最后，最好从测试前三个阶段产生的产品配置进行评估在4期的最后一个耐力测试。这耐力测试将需要几乎连续运行（与系统检查和定期维修站）在一个约1000千瓦的功率水平的升高。此外，非对称转子载荷，横摆动作，和其他的时刻也会使用轴模拟安装执行器。预计1600至2000小时将需要模拟人生30年这个测试的文章。总结一个2.5兆瓦发电测功机设施已在国家风能技术中心完成的，和首先本文试验已被用于成熟的风力发电机组和设备本身。预计这种新的测试工具将加快风力涡轮机的设计的成熟和更可靠的风在100千瓦范围内的涡轮机和传动部件2.5兆瓦。设计工况模拟可以直接应用到完整的风力涡轮机在实验室环境中。这样的模拟包括瞬态加载，耐力测试，和不寻常的负载的情况下。齿轮的齿面接触测试和制动负荷减轻测试已经完成了第一次测试的文章，z-750安然风。齿轮齿微点蚀机制和减灾技术测试现在下路，和涡轮不久将进行一个完整的系统耐久性试验。致谢我们要感谢许多人帮助在测功机发展活动他继续做这个项目的顺利。特别感谢风公司和安然支持和耐心，他们在等待测功机可完成了促进第一次测试的文章。个别的，我们要认识到安然风人员，汤姆nemila，阿米尔米哈伊尔，克雷格克里斯特森，卡尔寇地兹，杰森诺特，弗莱德大通。同时，我们将想认识齿轮神，ED海勒拜
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