风力发电机齿轮箱.ppt

1、2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,风力发电机齿轮箱,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,基本原理,风电机功率: cp 依赖以下因素: 尖速比: 叶片数量 叶片角度 翼型设计,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,基本原理理想Betz效率,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,基本原理：实际各种风机效率,理想值,One blade,Two blades,Three blades,Darrieus,Dutch-Type,American,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,The CP performance curve,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,定桨、

2、变桨、变速,PPrated,P=Prated,const. P,nnrated,Variable speed,Fixed speed, pitch controlled,PPrated,Fixed speed, stall controlled,n=nrated P=Prated,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城, = angle of attack = angle between the chord line and the direction of the relative wind, VR . VR = wind speed seen by the airfoil vector

3、sum of V (free stream wind) and R (tip speed).,合成风速和攻角,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,叶片的受力分析,为相对速度W与局部线速度U（旋转平面）的夹角，称为倾斜角； 为弦线和相对速度W的夹角，称为攻角。 为弦线和局部线速度U（旋转平面）的夹角，称为节距角； （叶片的安装角？）,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,齿轮箱,为什么要用齿轮箱？ 增速齿轮箱起到动力传输的作用，使叶片的转速通过增速齿轮箱增速，使其转速达到发电机的额定转速，以供发电机能正常发电。 增速齿轮箱设计及制造相当关键。要

4、求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。 没有齿轮箱，我们需要200极磁极发电机。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,随着风电行业的发展，更多更大功率的机组投入商业化运营，因而其维修费用更高。虽然世界上著明的齿轮箱制造企业，如德国的Renk公司，Flender公司，JA/KE公司以及一些中小企业在这方面都作了研究，并且有的企业也付出了很大的代价（NEG Micon），但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然事故较多。 因此，采用先进技术，分析其它企业失败的原因，总结和吸收以往开发其它项目齿轮箱成功的经验，研制高技术性能，高可靠性和良好的可维修性的增速齿轮箱是兆瓦级风力发电机组的关键

5、技术保障。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,有关齿轮箱的两个概念,轮系：定轴轮系和周转轮系 斜齿 行星齿轮,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,斜齿圆柱齿轮传动特点,1. 一对直齿轮相啮合时, 其轮齿沿整个齿宽同时进入接触或同时分离。,不适用于高速重载的传动。,2. 直齿轮传动的重合度小。,容易引起冲击、振动和噪音。,每对轮齿的负荷大；,传动不够平稳；,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,斜齿啮合特点,齿面上的接触线为一斜直线重合度提高； 两轮轮齿逐渐进入啮合冲击、振动减小，传动的平稳性增加 。,斜齿轮传动适合高速传动,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,斜齿轮传动

6、主要的优缺点,Fa随着螺旋角的增大而增大。,1. 优点：,啮合性能好；,重合度大，承载能力高；,可获得更为紧凑的机构；,2. 缺点：,运转时会产生轴向推力,Fa=Ft tgb,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,行星齿轮原理,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,传动方案1：一级行星+两级斜齿,主要传动方案,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,传动方案2：两级行星+一级斜齿,Winenergy 2.5MW,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,目前主要传动结构,1、GE方案,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,2、RENK方案（Aerogear方案）,2008年9月4

7、日,浙江风电公司 吴金城,3、Winenergy (Flender)方案,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,600KW齿轮箱（无主轴方案）,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,剖面线,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,1500KW齿轮箱,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,齿轮箱工作原理（以600KW齿轮箱为例）,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,齿轮箱的结构原理图见上图。结构上采用行星平行轴混合传动的紧凑结构；低速级转速低，扭矩大，采用行星传动，且主要以太阳轮浮动均载为主。第二级、第三级扭矩小得多，采用斜齿传动，能有效的保证叶尖高压油通道。其具体原理为：首

8、先，通过风带动叶片转动，叶片把转速传到输入轴（1）上。通过输入轴（1）上的花键把力矩传到行星架（2）上，行星架通过内齿圈（3）行星轮（4）和太阳轮（5）组成的行星传动传到太阳轮（5）上，太阳轮（5）通过另一端的花键把力矩传到大齿轮（6）上，大齿轮（6）通过齿轮传动把力矩传到齿轮轴（7）上，齿轮轴（7）通过轴上的大齿轮把力矩传到输出轴（8）上。输出轴（8）通过输出轴轴伸端把力矩和转速传到发电机上，供发电机发电。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,齿轮、轴承润滑机理,齿轮和轴承在转动过程中它们实际都是非直接接触，这中间是靠润滑油建成油膜，使其形成非接触式的滚动和滑动，这时油起到了润滑的作用

9、。虽然它们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等原因是其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，这都会产生一定的热量。如果这些热量在它们转动的过程中没有消除，势必会越集越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承。因此齿轮和轴承在转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑油一方面起润滑作用，另一方面起冷却作用。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,对于风电齿轮箱有飞溅润滑和强制润滑，强制润滑特点有： 1、强制润滑可以进行监控，而飞溅润滑是监控不了的。从安全性考虑采用强制润滑。 2、现在风电齿轮箱功率越来越大，其功率损耗也越来越大，因此飞溅润滑已经满足不了冷却的作用。这是需要进行强制润滑。 下为润滑实例：（

10、以1500KW齿轮箱为例）,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,风电齿轮箱的损坏类型及其判断,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,我国风电场常见齿轮箱故障可能原因:,1、齿轮箱润滑不良造成齿面、轴承过早磨损 -大气温度过低,润滑剂凝固,造成润滑剂无法到达需润滑部位而造成磨损 -润滑剂散热不好,经常过热,造成润滑剂提前失效而损坏机械啮合表面 -滤芯堵塞、油位传感器污染,润滑剂“

11、中毒”而失效 2、设计上存在缺陷 齿轮的承载能力计算不准 ，实际上由于风载荷的不稳定性,使得设计与实际具有偏差,造成齿轮表面咬伤甚至表面载荷过大而疲劳破坏. 如果轴承选择不合适,由于轴向载荷相当大,而造成轴承损坏（NEG Micon）. 3、失速调节型风电机组安装角如果设置过大时,冬季就会出现过功率现象,过高载荷影响齿轮箱的寿命.,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,风电齿轮箱的使用、维护和检查,以1500KW齿轮箱为例说明： 运行前的检查： 安装完后，所有多余材料、工具、安装用的工装设备都应拿走。 连接螺栓是否拧紧。 齿轮箱壳体的连接螺栓是否拧紧。 手动盘车有无阻滞现象。 油量是否达到

12、油标刻度。从减速箱的通气帽处加入规定的清洁润滑油，注油时用不少于80目的滤网过滤，以防杂物进入箱内。滑油用量约260L。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,试运转 齿轮箱出厂前已进行过空载试验，建议用户在齿轮箱首次运行前10小时内注意下列事项： 检查齿轮、轴承供油是否正常，吸油是否畅通。 在运转过程中，每30分钟记录一次油温及轴承部位温度。 注意齿轮箱有无异常声响，检查箱体各接合面和各可能的泄漏点是否渗油，并及时采取措施，排除故障。 在总计运行10小时后，检查机座螺栓和各连接部位螺栓，必要时予以紧固，检查所有可能的泄漏点；检查油位，必要时补充润滑油。,2008年9月4日,浙江风电公司

13、吴金城,低温启动 冬季低温状态时机组启动必须考虑油液的加热。当油温低于-10时可通过电加热器将油温升到10以上；当油温低于-10至-30时由于润滑油粘度太大，则应采用专用的低温旁路加热系统加热油液。低温旁路加热系统由用户自备，箱体上预留有安装接口,该接口与旁路过滤装置接口共用。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,运行中异常噪音检查 必须检查运行部件的异常噪音，要特别注意主轴轴承、刹车装置在运行中的噪音。 检查齿轮箱是否有异常噪音运行时是否有异常的噪音。 检查油位：从油标检查齿轮箱的油位。 检查齿轮箱是否有泄漏 检查所有的凹槽、迷宫环和泄漏油液的流迹,2008年9月4日,浙江风电公司 吴

14、金城,检查油液状况 在500小时后必须进行油液的抽样检查，不管运行状况如何抽样的时间不能迟于一年。抽样检查油液对于评定各种油液的特性（粘性、老化水融性等）是非常重要的。油液检查后的结果应该告诉你的油液供应商。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,检查齿轮 检查有可能损伤的齿轮啮合面。 清洁空气滤清帽： 必须每年清洁空气滤清帽，先拧下空气滤清帽，然后用清洗剂进行清洗，待干燥后在拧上。 检查齿轮箱的弹性支撑是否有损伤 必须检查弹性支撑的磨损状况，是否有裂缝以及老化情况。如果发现有明显的老化痕迹，必须予以更换。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,润滑冷却循环系统 检查系统是否有泄漏 检

15、查所有的接头和油管是否有泄漏。 排除所有的泄漏并找到泄漏原因。 检查软管是否老化 检查在润滑冷却循环系统中的软管是否老化，是否有裂纹。如果发现软管的表面有老化痕迹和过多的裂纹，必须进行更换。 检查各传感器开关是否工作正常：如果传感器失灵或损坏，立即更换。,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,特别注意风电机长期待机时齿轮箱的处理！,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,状态监测,什么是状态监测？ 通过对风电机组旋转部件的运行特征进行状态监测,比如实时监测齿轮箱、主轴、发电机等部件的振动频谱、齿轮油污染情况或定期对上述部件的状态进行监测、记录,及时发现隐患,找出导致问题出现的原因,200

16、8年9月4日,浙江风电公司 吴金城,状态检查,80% 的机器故障是由不对中和不平衡引起的。 80% of all machine breakdown are due to misalignment or balancing,故障 发生率 Breakdown Incidence,轴承损坏 Bearing damage,气蚀 Cavitation,密封件损坏 Seal damage,不良轴对中 Shaft Misalignment,振动过大 Excessive vibration,其他原因 Other causes,联轴器损坏 Coupling failure,什么是状态监测？ 为什么需要状态监测

17、？ 怎样进行状态监测？ 状态监测在风电行业的应用 实际测量演示 问题&讨论,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,温度 / Temperature压力 / Pressure 输出 / Output转速 / Speed 相位 / Phase振动 / Vibration 电机电流 / Motor Current油质 / Oil Quality,壳体膨胀 / Casing Expansion 不均匀膨胀 / Differential Expansion 偏心度 / Eccentricity 转子位置 / Rotor Position 阀门开度 / Valve Position,监测参数 Moni

18、toring Parameters,标准机器 : Standard Machineries :,涡流机器 : Turbo-machineries :,什么是状态监测？ What is Condition Monitoring?,什么是状态监测？ 为什么需要状态监测？ 怎样进行状态监测？ 状态监测在风电行业的应用 实际测量演示 问题&讨论,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,皮带振动 Belt vibrations,不平衡 Unbalance,不对中 Mis-alignment,润滑油污染 Lubrication Oil contam.,叶片损坏 Blade defects,静子损坏Sta

19、tor defect,共振 Component resonance,转子问题 Rotor- defect,齿轮啮合问题 Gear mesh defect,轴承损坏 Bearing defect,状态监测参数 Parameters for Condition Monitoring,噪声 / Acoustic XX X X X X X X ,油液分析 / Oil Analysis XX X X X X X ,振动 / Vibration X ,温度 / Temperature XX X X X X X X ,机械故障 潜在故障形式 Machines faults - Potential Failu

20、re Modes,什么是状态监测？ 为什么需要状态监测？ 怎样进行状态监测？ 状态监测在风电行业的应用 实际测量演示 问题&讨论,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,测量位置 Measurement locations,测点为CONMOW项目建议 Measurement locations recommended by the CONMOW-Project,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,欧洲风力发电设备状态监测的现状,基本情况-几年前 Situation in general a few years ago,普遍认为状态监测没有必要 mind set in the opera

21、ting companies, that no monitoring is needed,无状态监测的原因- 因为保险公司将承担一切损失 no motivation to do monitoring as damage to the system and production loss was covered by insurance,风力发电厂及设备制造商不想在状态监测上面花费金钱 operating companies and manufacturers do not want to spend the money for monitoring,风力设备系统向大规模及高产能方面转变 mov

22、e towards bigger systems and higher productivity,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,保险公司的状况 Situation with insurance companies,保险公司渴望得到风力发电市场的保险份额 many insurance companies wanted to get the market,设备的损坏及产出的损失由保险公司承担 damage to the system and production loss is covered,保险赔偿次数很高 number of insurance claims is high,大量

23、的风力设备损坏使保险公司蒙受损失 insurance companies started to loose money because of drive train failures,相对低廉的保费 comparably low insurance premiums,2008年9月4日,浙江风电公司 吴金城,齿轮的损坏导致条款修改 Damage to gears lead to the review clause,4.5千万欧元的损失仅获得3千万欧元的赔偿（2002年） 45 Million. damage disbursements in 2002 at only 30 Million. i

24、nsurance premiums,2002/2003年德国保险公司开始颁布修订条款 2002/2003 German insurance carriers published a consolidated review clause: “在运行40000小时或5年后，必须更换齿轮箱和发电机的滚动轴承，除非该设备安装了合适的状态监测系统（CMS）” After 40.000 operating hours or not later than 5 years the roller bearings in gears and generators have to be replaced unless there is an appropriate Condition Monitoring System (CMS) installed.“ 旧条款随之被保险公司取消，5年以后状态监测将成为基本要求 The consequence was in Germany that the old policies had to be cancelled by the insurance carriers and that Condition Mo