2020大型风力发电齿轮箱设计技术及软件开发

目录 10 31 42 52.1 51. 52. 62.2 61. 62. 61) 62) 6 6(2) 7 7 7 73. 83.3 83 94 9(1) 9(2) 95 96 10作为一种绿色再生资源，风能的利用越来越得到各国政府的重视。截至2004年底，全球并网风力发47620MW8320MW21%764MW197MW，34.7%73%17%，世界发达国家如丹麦的风电已占全国总电能20%202012%200443个，12921.4%0.08%，可以预计我国目1.5MW，2.5MW600kW及其以下机组技术已经成熟，750kW2年获得快速发展，已成为国内主流机型，1MW机组处于样机生产阶段，国内大型机组设计制造水平与国外先进技术差距明显。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，仍是国际上采用的主流结构型式。在风力发电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，同时将叶轮输入的很低的转速转变为满足发电机所需的转速，因20039GB/T19073-2003风力发电机组—齿轮箱标准(19073标准)，对齿和齿轮协会(AGMA)200310月制定了新的风机齿轮箱标准“StandardforDesignandSpecificationofTurbines为前提，尽量考虑简单、可靠、维修方便。由于尺寸和重量与可靠性往往是一对不可调和的矛盾，因此，20r/min左右，大型机组随着风轮直径的加大，额定工作风速逐渐降低，兆20r/min1520r/min，因此，齿为了减小齿轮箱的体积，通常采用功率分流结构。500kW以上机组均采用行星齿轮传动，500kW—1000kW2级平行轴+11级平行轴+22级平行轴+1级2NW型19073标准规定齿轮箱的工作环境温度为–40℃～5080℃，机械效率应20420年，330年。3倍的模数，外齿轮均采用渗碳淬火+磨齿工艺，材MQ5级；与传统行星传动不同，内齿圈的强度往往成为风电齿轮齿磨齿成本较高，国内通常采用直齿+氮化工艺，与国外产品在设备可靠性、重量等方面存在一定差距。7级。械效率，齿轮箱的额定功率一般为发电机的110%左右，但由于风电齿轮箱载荷的变化十分复杂，而且，1.1倍作为强度的计算功率也不尽科学。一般来讲，齿轮强度计算时都会根据现场情况及设计1190736006计算标准H 注：GB/T3480ISO6336；AGMA2001同时，6006Kv应不小于1.05KHβ1.15AGMA6006制定过程中，美国国家再生能源实验室(NREL)GEARTECHISO6336AGMA2001进行了18对风电齿轮箱齿轮进行了对趋势基本一致，但2001对变位系数和螺旋角的敏感性更高，6336对压力角的敏感性更高；220013AGMA2001ISO6336确定的承载能力大小与变位系数、螺旋角和压力角有关，不存在一个定值18个算例中，633620011.251.566006Ra0.8，内齿轮不Ra1.6，推荐值为:Ra0.7Ra0.7Ra0.6Ra0.5。由于风电系统工作的特殊性和载荷的复杂性，轴承在风电齿轮箱中是一个相对薄弱的环节。统计数据50%的故障是因轴承出现问题造成的，因此，风电齿轮箱设计制造时，应对轴承的选型、润滑方式及润滑油的清洁度及寿命计算等方面给与足够的重视。轴承的选择主要应由其所受载荷的大小、方向、转速、调心性能等因素决定，还应兼顾到零部件的具体结构及要求。一般情况下，载荷方面：当轴承承受纯轴向载荷时应选推力轴承或能承受较大轴向力的圆锥滚子轴承等；当轴承承受纯径向载荷时应选向心轴承；当轴承承受的轴向载荷和径向载荷比值较小时应1/60体结构和变形进行综合考虑。另外，由于风电齿轮箱有较高的效率要求，因此，设计中也要充分考虑到不同类型轴承工作效率的不同，一般情况下，球轴承的摩擦阻力小于滚子轴承；纯径向载荷时向心轴承摩擦(外力与轴承半径方向的夹角)与轴承的接触角越接近，阻力越小。虑附加轴向力的影响。轴承的当量载荷计算应根据轴承类型的不同按相应的公式进行，在选择角接触轴承修正。190736006Miner准则进行计算。GB/T6391-2003ISO281：1990，标准提供了轴承基本额定寿命SKF公司、TIMKEN公司等。这些计算方法采用的基本额定寿命计算方法完全相同，但L10为L10：90%

C L10P

60

CP：指数，与轴承滚动体有关，滚动体为球时3，滚动体为圆柱时10n：轴承转速，转/当要求轴承有更高的可靠度，或者希望更精确、更完善考虑轴承质量和运转条件对其寿命的影响时，LnmLnm表示可靠度在(100-n)%时的寿命。a.GB/T6391-2003(ISO281：1990)Lnma1aXYZ式 ln100

a R

100 90Re为威布尔指数，一般可取ebTIMKEN(铁木肯) aaaa

式

a

100式(5)是式(3)当e1.5时的一个特例。a2——轴承材料修正系数。一般取a2=1a3——运行条件修正系数

R a3a3ka3la3ma3d a6mm2a a3k180°时a3k=1a3la3lCgClCjCsCg

C——负荷系数。CF Cj180CjC——速度系数。取决于内外圈相对转速(r/min)，Cs=(转速C——粘度系数。取决于润滑油的动力粘度(cst)，Cv=(动力粘度a3m0.0005a3ma3d15/12时a3dTimkenc.SKF

a

式中a1TIMKENaSKF50GB/T6391aXYZ的具体计算过程，因此，一般设计人员难以完成轴承的修正额定寿命计算。鉴于此AGMA6006标准仍以轴承的基本额定寿命作为判据，规定齿轮箱各处轴承2寿命/除寿命外，AGMA60063pmax的计3最大接触应力2320130000AGMA6006运行温度和转速对aSKF的影响(其他参数不变)。4C/ISO281SKF图 运行温度对aSKF的影 图 转速对aSKF的影aSKF的数值有很大影响。运行状态变差时(温度上升、转速降低、污染物增多)aSKF1.0。因此，应对风电齿途、相近功率、相近尺寸和结构的现有设备，初步确定箱体和行星架的主要结构形状、尺寸、壁厚、连接Q235、Q345等焊接性能良好的碳素结构钢和低合金结构QT400-18、QT450-10、QT700、ZG200-400、ZG230-450等，同时应考虑风力发电机MOBIL632，MOBIL630GB5903-各润滑点。润滑冷却系统应有滤清器、油流传感器、散热器、压差传感器、高低温测温传感器等，以满足95℃，对有些润滑油，这个温度极限还应降低。1h，要求：连接件、紧固件不松动；密封处结合处不渗油、不45～65℃，空载工况下还要测定齿轮箱的功率损耗。25%50%75%30min。100%120min110%30min(可根据具体情况确定加载步骤)，要求在正常运10min测定并记录一次转速、负载(扭矩)、油温、油压及各轴承挡外壳温度；在额定转速和目前国内外尚无商业化的风电齿轮箱专用软件，郑州机械研究所积