【《变桨系统总体方案及机械结构设计概述》8400字】

变桨系统总体方案及机械结构设计概述目录TOC\o"1-3"\h\u18110变桨系统总体方案及机械结构设计概述 153711.1变桨距传动系统组成 29841.2变桨距风力发电机组的运行状态 259411.3风力发电的工作状态分析 3141261.4风力发电机组传动系统布置型式及其特点比较 369841.5增速齿轮箱传动系统的典型结构 5277431.5.1一级行星和两极平行轴齿轮传动齿轮箱 6257531.5.2两级行星和一极平行轴齿轮传动齿轮箱 6200581.5.3内啮合齿轮分流定轴传动 769071.6轮毂 8214671.7主轴 9224351.8联轴器 10248361.9增速齿轮箱传动系统设计 10263381.9.1设计的主要内容 1037641.9.2齿轮增速传动系统设计 11196241.10机械制动装置 1434541.11变桨距机构 15189661.12风力发电机组的润滑 1924161.12.1风力发电机组的基本润滑要求 19216751.12.2油品的选择 19238241.12.3风电增速箱润滑的特殊要求 19变桨距传动系统组成风力发电机组机械传动系统是指将风轮获得的空气动力以机械方式传递到发电机的整个轴系及其组成部分，由主轴、齿轮箱、联轴器、制动器和过载安全保护装置等组成。风力发电机组主传动系统有各式各样的布置方式，因而其结构也有多样化的特点。轴系的结构主要与机组采用的发电形式有关。变桨距风力发电机组的运行状态变桨距风力发电机组根据变桨距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。启动状态变桨距风机的风轮桨叶在静止的时候，叶片的桨距角为90°，这个时候气流对桨叶不产生切向的受力也就没有转矩，整个桨叶实际上相当于一块阻尼板。当风机达到启动风速的时候，变桨距机构控制桨叶向0°方向转动，知道气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始转动。在发电机并入电网之前，变桨距系统的桨距角通过发电机转速信号来进行控制。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度的参考值，变桨系统根据给定的速度参考值，调整桨叶的桨距角，进行所谓的速度控制。为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨距系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳并网时机。欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网之后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行。与转速控制相同的道理，在早期的变桨距风力发电机组中，对于欠功率状态也是不进行控制的。这个时候的变桨距风力发电机组和定桨距风力发电机组相同，它的功率完全取决于桨叶的气动性能现在采用双馈异步风力机在这个状态能够通过风速采集的低频分量为参数调整发电机转差率，使其运行在最佳叶尖速比上，达到对风能的最大利用率。对于正在研究的采用永磁同步发电机的风力机而言，他不能调整发电机转差率，只能通过变桨距策略来适当调整桨叶桨距角，尽可能地使风轮向合适的叶尖速比上靠。额定功率状态在风速达到或者超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。这个时候风力发电机组从转速控制切换到功率控制，变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反馈信号与给定值相比较，当功率超过额定功率的时候，桨叶就向着迎风面积减小（增大桨距角）的方向转动一个角度；反之则向着迎风面积增大（减小桨距角）的方向转动一个角度。风力发电的工作状态分析变桨距风力发电机组的风轮桨叶可以有以下几种工作状态：静止状态：变距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°，这时气流对桨叶不产生转矩。启动状态：当风速达到启动风速时，动（一般先调节桨距角到50°，当转速达到一定时，在调节到0°，直到风力机达到额定转速并网发电）。并网发电：为确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨距系统可以在一定时间内，保持发电机转速在同步转速附近，以便寻找最佳时机并网（例如在同步转速±10r/min内持续1s，发电机切入电网）。风力发电机组传动系统布置型式及其特点比较传统的风力发电机采用齿轮增速装置，按主轴轴承的支撑方式风力发电机组传动形式可分为“两点式”、“三点式”、“一点式”和“内置式”四种[5]。“两点式”布置主轴用两个轴承座支撑，其中靠近轮毂的轴承作为固定端，另一个轴承恒作为浮动端，如图2.1。图2.1“两点式”轴系布置该种布置型式让主轴及其轴承承受风轮的大部分载荷，减少了风轮载荷突变对齿轮箱的影响，且稳定性最；但轴系较长，增大了机舱的体积和重量，且机组功率越大，随着主轴直径和长度的增大，机舱的布置和吊装难度也随之增大。“三点式”布置该种方式实际上是在“两点式”的基础上省去了一个主轴的轴承，由主轴前端轴承和齿轮箱两侧的支架组成，如图2.2。图2.2“三点式”轴系布置该种布置型式缩短了轴向尺寸，简化了结构，但对齿轮箱的承载能力要求高，噪声大。“一点式”布置“一点式”布置不使用主轴，风轮法兰直接通过一个大轴承支撑在机架上，如图2.3。齿轮箱的输入轴不会因为弯曲力矩而产生变形。另一种“一点式”布置不需主轴，直接将齿轮箱箱体与机舱支架做成一体，如图2.4，整个传动装置更为紧凑，但传动链的前轴承、齿轮箱和箱架合一的机架结构设计难度加大，且对零部件的强度和性能提出更高的要求。图2.3“一点式”轴系布置图2.4紧凑型“一点式”轴系布置“内置式”布置该种布置是将主轴、主轴承与齿轮箱集成在一起，主轴内置于齿轮箱内，主轴与第一级行星轮采用花键或过盈连接，风轮载荷通过箱体传到主机架上，如图2.5。这种传动方案的特点是结构紧凑，风轮与主轴装配方便，主轴承内置在齿轮箱中，采用的是集中强制润滑，润滑效果好，现场安装和维护工作量小。但齿轮箱外形尺寸和重量大，制造成本相对较高。此外，风轮载荷直接作用在齿轮箱箱体上，对齿轮和轴承的运转影响较大。图2.5“内置式”布置本文将选用“三点式”布置型式来设计变桨距机组。增速齿轮箱传动系统的典型结构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、行星齿轮箱以及他们相互结合起来的齿轮箱；按照传统的技术分为单级和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等[6]。近年来，风力发电机组已发展到兆瓦级，下面就兆瓦级风电机组齿轮箱予以简单的介绍。一级行星和两极平行轴齿轮传动齿轮箱一级行星和两级平行轴齿轮传动型式，其传动原理简单的概括为，行星架将风轮动力传至行星轮（通常设置三个行星轮），再经过中心太阳轮到平行轴齿轮，经两级平行轴齿轮传递至高速轴输出。图2.6的试图显示了动力传递和增速线路以及齿轮箱的结构。图2.6一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传动机组的主轴与齿轮箱输入轴（行星架）利用胀紧套连接，装拆方便，能保证良好的对中性，且减少应力集中，在行星齿轮级中常利用太阳轮的浮动实现均载。这种结构再1~2MW的机组中应用较多。两级行星和一极平行轴齿轮传动齿轮箱两级行星和一级平行轴齿轮传动型式，采用了两级行星齿轮增速可获得较大增速比，实际应用时在两级行星之外加上一级平行轴齿轮，错开中心位置，以便利用中心通孔通入电缆或液压管路。图2.7显示了其动力传递和增速线路以及结构。图2.7两级行星齿轮和一级平行轴齿轮传动内啮合齿轮分流定轴传动内啮合齿轮分流定轴传动如图2.8所示，是将一级行星和两级平行轴齿轮传动结构的行星架与箱体固定在一起，行星轮轴也变成固定轴，内齿圈成为主动轮，动力通常由三根齿轮分流传至同轴连接的三个大齿轮，再将动力汇合到中心轮传至末级平行轴齿轮。这种传动方式也通常用于半直驱机组的传动装置中。由内圈输入，将功率分流到几个轴齿轮，再从同轴的几个大齿轮传递到下一级平行轴齿轮，相当于行星架固定，内齿圈作为主动轮，两排行星齿轮变为定轴传动。这种装置由于没有周转轴，有利于布置润滑油路。另外从结构上看各个组件可独立拆卸，便于在机舱内进行检修。图2.8内啮合分流传动轮毂轮毂是固定叶片的基座，叶片安装在轮毂上组成风轮，叶片通过轮毂与主轴固定，叶片的变桨机构安装在轮毂上。轮毂通过主轴将风轮叶片产生的转矩传递给齿轮箱。轮毂的结构形式取决于方案设计，水平轴风力发电机采用三种基本形式：刚性轮毂；跷跷板式叶片轮毂，连接叶片的部件和连接主轴的部件可以实现相对运动，通常用于两叶片或单叶片机组；铰接叶片轮毂，允许叶片相对旋转平面单独挥舞运动，较少使用。水平轴三叶片机组的刚性轮毂有两种外形：三叉形和球形。三叉形（三通形）刚性轮毂多用于失速型风电机组，球壳状刚性轮毂用于变桨变速风电机组，球铁件轮毂直接安装在主轴上[7]。本文采用三叶片变桨距，故采用的是刚性球形轮毂，轮毂上的三个变桨轴承法兰可以安装3个变桨轴承与3个叶片（图2.9），同步变桨驱动机构安装在球形轮毂内。该种轮毂制造成本低、维护少、无磨损。图2.9球形轮毂主轴在传统的风力发电机组中，主轴是风轮的转轴，支撑风轮并将风轮的扭矩传递给齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给底座。图2.10所示的主轴，其法兰面用于连接轮毂，轴颈用于安装轴承，轴端圆柱面则与齿轮箱的输入轴相配合，通过联轴器传递扭矩。图2.10主轴作用在主轴的载荷除了与风轮传来的外载荷有关外，还与风轮（主轴）的支撑形式及主轴支撑的相对位置有关。当作用在主轴上的弯矩和轴向力可以忽略时，主轴直径可按下式粗略计算[8]。 d≥A式中，A为与材料有关的系数，A=105；P为主轴传递的功率，kW；n为主轴的转速，r/min。设风轮主轴转速18r/min，其输入功率为PⅠ=0.55kW，则d≥32.8mm。常用的主轴材料有42CrMoA和34CrNiMo6等。根据特定用户的要求，材料还应具有耐低温冲击和抗冷脆性能。联轴器联轴器用于连接两传动轴，一般由两个半联轴节及连接件组成。半联轴节与主动轴、从动轴常采用键、花键等连接。在风力发电机组中通常在低速轴端（主轴与齿轮箱输入轴连接处）选用胀套式联轴器。其与一般过盈连接、无键连接相比，具有许多特点：制造安装简单，安装胀套的轴和孔的加工精度不像过盈配合那样要求高；安装胀套也无需加热、冷却或加压设备；调整方便；有良好的互换性，且拆卸方便；可以承受重负载；使用寿命长，强度高。增速齿轮箱传动系统设计随着风力发电技术的日趋成熟，风电机组正向大型化发展，由于风能资源一般分布在环境相对恶劣、人烟稀少的地方，而风电场的安置又必须以风能的分布为先决条件。所以，相对来说，鉴于对风力机的装机、传动效率、维护、维修方面的原因，提高风力机的可靠性是不容置缓。现代风力机的结构形式依据有无齿轮箱可分为带增速齿轮箱风电机组、直驱风电机组和半直驱风电机组。由其特性可知，尽管直驱式风电机组具有简化传动结构的优点，在风力发电机组容量越来越像大型化发展的今天，过于庞大的低速发电机造成的运输、吊装难题，加上较高制造成本的条件限制，不得不回过头来思考如何减小机构的体积和重量以及降低成本的途径。适当运用齿轮增速或利用功率分流的方法是解决问题的思路之一。设计的主要内容与其他工业齿轮箱相比，由于风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米的狭小机舱内，其本身的体积和重量对机舱、塔架、机组风载、安装维护费用都由重要影响。同时，由于维修不便、维修成本高，通常要求齿轮箱的设计寿命为20年，对可靠性的要求也极其苛刻。因此，总体设计阶段应在满足可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小体积、最小重量为目标进行传动方案的比较和有回话；结构设计应以满足传动功率和空间限制为前提，尽量考虑结构简单、运行可靠、维修方便。由于叶尖速度不能过高，因此随着单机容量的增大，齿轮箱的额定输入转速逐渐降低，兆瓦以上级机组的额定转速一般不超过20r/min。另一方面，发电机的额定转速一般为1500或1800r/min，因此大型风电增速齿轮箱的速比一般在75~100左右，为了减小齿轮箱的体积，500kW以上的风电增速齿轮箱通常采用功率分流的行星传动；500kW~1000kW常见结构有一级行星和两级平行轴以及二级行星和一级平行轴传动两种形式；兆瓦级齿轮箱多采用一级行星和两级平行轴传动的结构[9]。结合以上分析，设计此次的增速齿轮箱的传动方式采用行星轮系，以图2.9作为参考传动方案，参照《机械原理》《机械设计手册》进行行星轮系的传动比及齿轮和轴的计算。由于风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件以外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，比如抵抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等。并且外齿轮制造精度不低于6级，齿面硬度58~62HHRC。同时，为了提高承载能力，齿轮、轴类采用合金钢只制造，具体为外齿轮采用20CrMnMo材料，内齿圈和轴类零件采用42CrMo材料。图2.9一级行星和两级平行轴传动简图齿轮增速传动系统设计根据设计要求，即发电机的转速要求达到2000r/min左右，依据现有风力机相对应的发电机的功率及额定转速选取1.5MW双馈异步风力发电机，包括常温型、防盐雾型、低温型。一般对于兆瓦级风电齿轮箱，传动比多在100左右，传动系统多采用行星传动[10]，因为行星传动具有以下优点：传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，使攻率分流；合理使用内啮合，共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小；运动平稳，抗冲击和振动能力较强。在具有上述特点与优越性的同时，行星齿轮传动也存在一些缺点；结构形式比定轴齿轮传动复杂；对制造质量要求高；由于体积小，散热面积小，导致油温升高，故对于润滑与冷却装置要求严格。因此，依据以上分析，设计齿轮箱的传动比为1:100，由于增速比较大，按照此传动比，齿轮箱的结构形式可设计为：一级行星和两级平行轴传动。传动比的分配根据设计参数，已知风轮转速为n发=18r/min，电动机转速nm=1800r/min，则总传动比为 i=n合理的分配传动比是传动系统设计的一个重要问题。为了使齿轮传动系统结构紧凑，外形轮廓尺寸相对较小，所以一般对增速传动系统传动比的分配是高速级的传动比低于低速级。因此，选取两级定轴传动比 i定=一级行星齿轮传动比 iI=100÷行星齿轮选用满足的几何条件行星齿轮传动由于多对齿轮同时参与啮合承受载荷，要实现这一目标行星轮系各齿轮齿数必须要满足一定的几何条件。保证两太阳轮和系杆转轴的轴线重合，即满足同心条件 Zs+2保证3个均布的行星轮相互间不发生干涉，即满足邻接条件： Zs+设计行星轮时，为了不使行星轮各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀地分布或对称分布，即满足均布条件：保证在采用多个行星轮时，各行星轮能够均匀地分布在两太阳轮之间，即满足安装条件 Zs+其中P为整数。保证轮系能够实现给定的传动比i1H，即满足传动比条件，当内圈不动时有 ZrZ以上各式中：Zs为中心太阳轮齿数；Zp为行星轮齿数；Zr为内齿圈齿数；K为行星轮个数；ha*为齿顶高系数。传动部分参数计算各轴的转速n（r/min）高速轴Ⅳ的转速 nⅣ=中间轴Ⅲ的转速 nⅢ=低速轴Ⅱ的转速（太阳轮S所在轴） nⅡ=行星架的转速 nⅠ=式中：nm为发电机的转速；n风为风轮的输入转速；i3为定轴平行轴间传动比；i2为太阳轮与低速轴间传动比。各轴的输入功率风轮的输入功率 PⅠ=0.55低速轴Ⅱ的输入功率 PⅡ=中间轴Ⅲ的输入功率 PⅢ=高速轴Ⅳ的输入功率 PⅣ=式中：ηc为联轴器的效率；ηg为一对轴承的效率；ηm为考虑齿轮啮合摩擦损失的效率；ηs为考虑润滑油搅动和飞溅的液力损失的效率；η1为低速级齿轮传动的效率；η2为高速级齿轮传动的效率[11]。各轴的输入转矩风轮的输入转矩 TⅠ=9550低速轴Ⅱ的输入转矩 TⅡ=9550中间轴Ⅲ的输入转矩 TⅢ=9550高速轴Ⅳ的输入转矩 TⅣ=9550表2-1传动参数的数据表项目风轮轴Ⅰ低速轴Ⅱ中间轴Ⅲ高速轴Ⅳ功率P/kW0.550.520.510.50转矩T/（N·m）291.8044.1410.822.65转速n/（r/min）18112.54501800传动比6.2544机械制动装置机械制动装置是一种借助摩擦力使运动部件减速直至静止的装置。在风力发电机组中，为了减小制动力矩，缩小制动装置尺寸，通常将机械制动装置装在高速轴上[12]。本文采用的是液压盘式制动器，其沿制动盘轴向施力，径向尺寸小，可以做到被制动轴不受弯矩，制动性能稳定。变桨距机构本文采用的是液压变桨方式，液压缸安装在齿轮箱后面，如图2.10，推动丝杆与液压缸连接，其前端与同步盘固定连接，同步盘上装有与三个桨叶位置相对应的三个连杆，通过连杆与偏心盘连接，偏心盘固定在桨叶法兰上。图2.10变桨距机构当风速发生变化时，风速仪将风速状态信息传递给控制中心，使之发出指令控制液压缸推动推动丝杆做直线往复运动，与丝杆相连的同步盘也随之前后移动，通过连杆推拉偏心盘，带动桨叶同步转动。上述变桨距机构可简化为以下曲柄连杆机构（图2..11）。图2.11变桨距机构原理液压缸活塞杆通过中间连杆与风力发电机叶片连接，实现了将液压缸活塞杆直线运动转换为桨叶的转动，并使液压缸直线位移的变化与节距角的变化成正比[13]。设桨叶轴俊通过各截面中心，并且位于风轮旋转平面内。设截面上B点的质量为dm，另外设x',图2.12桨叶旋转时所受的离心力模型由此可得质量为dm dpc=由几何关系得 r=AB AB=a r=a由图2.12可以得到如下等式 dF=d对于桨叶轴的力矩 dTc其中 AC=asinψ故 dTc其中 dm=式中，r为桨叶的重度；ds为叶素微元面积；d xB= yB= dTc将坐标变幻 x=x y=x则 dJxy其中xyd按照假定，x'y轴为主惯性轴，所以， dJxy式中 x'd y'd dJxy dTc叶素微元产生的离心力矩为 dTc因此，离心力产生的力矩 Tc=对桨叶的计算必须计算整个桨叶由离心力引起的力矩，所以上式的积分下限从r0为便于数值计算，将公式改写为 Tc=风轮的计算角速度ω=πn'计算得到T支撑桨叶轴的轴承为回转支撑轴承，取其效率为0.98.故使桨叶绕桨叶轴转动的力矩为T1=T根据风力发电机的空间限制、安装检修等要求，为避免死点与极限位置压力角过大[15]，取曲柄长l1=300mm，连杆长l2=560mm，如图2.11，其中θ为曲柄与水平面间夹角，β为连杆与水平面间的夹角，则活塞位移 s=l桨叶驱动力 F1=变桨距速度 v=l变桨距加速度 a=l变桨距驱动力 F=F桨叶变距角度为