风电机组齿轮箱功率传递方式概述

风电机组齿轮箱功率传递方式概述

【摘要】在风电机组单机功率逐年提高的背景下，作为传动系统重要部件的主齿轮箱，其结构设计合理与否影响着传递功率的大小及效率。本文总结了近些年风电齿轮箱设计发展的概况，归纳比较了行星轮平行轴系、柔性轴等传动结构的原理和特点。

【关键词】齿轮箱；行星轮；功率分流；柔性轴

0.引言

随着风力发电在绿色发电领域的快速发展，尤其是在目前我国环境严重污染的大环境下，采取绿色、可持续的风电能源发展方向，是缓解我国能源配比，减少污染的必然选择。风电产业的蓬勃发展推动了该领域制造业同行的对比竞争。尤其是随着风电机组单机功率的不断扩展，使得齿轮箱在功率传递方式及结构设计方面不断的进行优化改进。

齿轮箱作为机组中最重要也是所占机组成本较大的部件，其成本大约是机组成本的17%左右，由于受到风载的变载冲击，以及极限风况、极端温度变化等因素的影响，齿轮箱故障占到机组故障总数已超40%，成为机组中最薄弱的一环。为提高机组运行可靠性，满足20年的设计寿命要求，除了加强对齿轮箱油液分析、前期故障监测分析以外，采用合适的功率传递方式及结构设计已成为亟待发展解决的问题。

近年来，为提高机组发电功率与发电效率，风电机组朝着提高单机容量，降低单位千瓦质量，提高机组利用率及提升系统可靠性的方向发展。为适合这种发展需求，就必然面临选择使用何种功率传递方式的齿轮箱。对此，本文列举了目前国内外几种功率传递方式的设计路线，分别介绍各设计特点，并比较分析各自的优缺点。

1.我国风电齿轮箱研究现状

由于国内风电起步较晚，风电技术人才相对匮乏，所以目前并在未来相当长一段时间内将依赖于国外的设计公司，但是在引进风电机组技术的同时并没有把齿轮箱的设计、制造技术同步引进。国内风电齿轮箱的设计通常是从Romax、Obital2等国外专业设计公司引进，再按照主机厂提出的要求在齿轮箱的结构和外形尺寸上进行详细设计，然后结合国内工艺制造水平实现齿轮箱的批量化生产，却没有掌握国外先进的设计技术。

尽管我国风电齿轮箱国产化工作近年来取得了长足的进步，并在兆瓦级的生产上形成了批量化，但是目前仍然存在很多制约风电行业发展的问题：

第一，基础性工作的研究和数据积累严重匮乏，对国外技术的消化和吸收存

在一定的局限性，没有形成自主创新能力。

第二，由于国内风电行业起步较晚，对设计、制造技术理解不深，高技术水平的人力资源匮乏。

第三，国内目前还只是停留在类比设计、结构设计的阶段，日益增长的大批量生产规模实际上存在大量的质量隐患和问题，运行寿命基本上难以保证整机设计寿命20年的要求。

第四，大功率齿轮箱2-3倍功率加载的试验装置和测试手段严重匮乏。

第五，国内各齿轮箱厂家自锁门庭、技术保密，没有形成资源共享、信息互通的良性竞争机制。

2.功率传递方式综述

随着全球风电市场单机容量的与日剧增，齿轮箱的发展也日趋迅猛。由常见的一级行星两级平行轴传动结构方式逐渐过渡到两级行星一级平行轴、柔性轴、功率分流、一入多出等更适合实际工况的大功率机型。

2.1行星轮系+平行轴系

常见的风电机组齿轮箱由一级行星两级平行轴或两级行星一级平行轴齿轮传动组成，是一种典型的传动装置。低速轴带动行星架上的三个行星轮，将动力传至太阳轮，再带动下一级平行轴或行星轮转动，最终通过平行轴（即高速轴）输出，如下图1、2所示。

图1 一级行星+两级平行轴图2 两级行星+一级平行轴

与平行轴轮系相比，行星轮系具有传动效率高，径向尺寸小，重量轻，空间紧凑，传动比大，齿轮及轴受力较均匀，耐冲击和抗震能力强等优点。但同时也存在一定缺点，较定轴轮系传动复杂，齿轮精度要求高，由于结构紧凑，散热面积较小，在工作中导致油池温升过快，需要配置润滑冷却系统。而两者结合则同时具备各自优点。

该传动方式也是目前国内装机量最大的齿轮箱型式。

2.2复合行星齿轮系

2.2.1定轴式复合行星齿轮系

RENK公司设计的这种传动方式是以内齿圈作为动力输入，带动固定轴行星轮组合传动，其特点是结构紧凑，传动比大，机械效率高；由于该行星轮系采用定轴传动，所以行星轮上轴承可实现定点润滑，降低轴承的失效风险；可维护性

好，在塔上可实现全部零件拆卸维护。该方案齿圈制造精度要求较高，齿轮箱径向尺寸较大，应用在较小功率（1.5MW以下）齿轮箱的成本较高，但在大功率齿轮箱上反而能充分发挥其优势，如下图3所示。

图3 定轴式复合行星齿轮系

2.2.2非定轴式复合行星齿轮系

该设计方案为GE公司设计，以行星架作为动力输入，内齿圈固定，与定轴式复合行星齿轮传动相比，同样具有结构紧凑，传动比大，机械效率高等特点，但该方案对润滑系统的油路布置相对要求较高，如下图4所示。

图4 非定轴式复合行星齿轮系

2.3柔性行星轴

风电机组单机功率逐渐发展扩大，而传统行星齿轮传动中的太阳轮及行星架、行星轮的连接啮合属于刚性设计，由于不可避免的制造、安装误差，引起行星轮之间载荷分配不均，在大功率齿轮箱的啮合传动中不可避免的会形成偏载，造成局部啮合齿面应力提高，在长期交变载荷的影响下，易使齿面逐步发生点蚀、胶合，甚至断齿等现象发生。

柔性轴技术则很好的解决了这个问题，具有良好的均载效果。柔性轴的实现方式是通过使用刚度值较小的销轴，一端固定于行星架，一端套装行星轮，整个行星架上的行星轮都处于悬臂状态，在与太阳轮啮合传动的过程中，行星轮则能够径向浮动，实现载荷均载。但柔性轴的刚度不是越小越好，这会造成行星轮径向浮动量过大，从而引起齿轮副的相对滑移磨损，所以应根据齿轮箱的实际载荷工况选择适宜的柔性轴刚度值。另外，柔性轴技术的使用对降低齿轮啮合振动引起的噪声，起到了一定的阻尼作用。如下图5所示。图5 柔性行星轴

这种技术SMT，MAAG，Orbit2，Romax都在使用。在位于苏格兰奥克尼岛（Orkney Island）上MAAG的3MW风机齿轮箱中，II级行星传动中共有7个行星齿轮，是目前风电齿轮箱中行星轮使用最多的，同时采用了柔性轴技术。

2.4功率分流

为实现齿轮箱承载能力最大时齿轮箱体积和重量最小，达到功率密度最大化的目的，设计公司采用了功率分流技术。在风电齿轮箱行业中，采用功率分流这一设计理念具有代表性的技术主要是MAAG和BOSCH。

MAAG 设计采用了两级行星轮分流，第三级平行轴传动。Ⅱ级传动中的齿圈和I级传动中的行星齿轮由低速轴驱动。I级传动中输入扭矩经过分流，一部分分配到随低速轴转动的行星架。另一部分被分配到Ⅱ级传动的齿圈。在该传动中，行星架获得了31-35%的扭矩，Ⅱ级内齿圈则传递了其余65-69%的扭矩部分。