大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)展

　　如圖9 左圖所示， 傳統(tǒng)機(jī)組在風(fēng)輪和齒輪箱之間采用主軸傳遞動(dòng)力并承受來(lái)自風(fēng)輪大部分異常負(fù)荷，降低了齒輪損傷的風(fēng)險(xiǎn)。但這會(huì)延長(zhǎng)機(jī)艙長(zhǎng)度，增大機(jī)艙體積，在較小功率的機(jī)組上這種影響還不太明顯。
　　隨著功率的增大，主軸的直徑和重量也與之遞增，3MW 以上機(jī)組布置傳動(dòng)軸系時(shí)，又大又重的主軸成為機(jī)艙減重的目標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)傾向于采用直連方式。如圖9 右圖所示的結(jié)構(gòu)那樣，風(fēng)輪通過(guò)一個(gè)承受三個(gè)方向載荷巨大的滾錐軸承掛在機(jī)座上，直接將動(dòng)力傳至齒輪裝置。隨之帶來(lái)的難題是超大型雙排滾錐軸承的研制和齒輪傳動(dòng)裝置的高強(qiáng)度、高功率密度設(shè)計(jì)與制造、軸系動(dòng)態(tài)邊緣條件的設(shè)定等等，這些都應(yīng)在確定采用“直連”方案之前找出行之有效的解決辦法。
　　盡管直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組具有簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量越來(lái)越向大型化發(fā)展的今天，過(guò)于龐大的低速發(fā)電機(jī)造成的運(yùn)輸、吊裝難題，加上較高制造成本的條件限制，不得不回過(guò)頭來(lái)思考如何減小機(jī)構(gòu)的體積和重量以及降低成本的途徑。適當(dāng)運(yùn)用齒輪增速或利用功率分流的方法是解決問(wèn)題的思路之一。
　　在風(fēng)輪和低速電機(jī)之間利用較小增速比的齒輪傳動(dòng)減小電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的所謂“半直驅(qū)”或“混合傳動(dòng)”類(lèi)型的機(jī)組已有不少應(yīng)用實(shí)例。圖10 的傳動(dòng)形式是在風(fēng)輪和電機(jī)之間增設(shè)了兩級(jí)齒輪傳動(dòng)（一級(jí)行星和一級(jí)定軸齒輪傳動(dòng)）來(lái)提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組能夠采用尺寸更小的永磁電機(jī)，取得更為緊湊的結(jié)構(gòu)。
　　也可以采用功率分流的方法減小機(jī)艙體積。圖11 所示的分流機(jī)型在國(guó)外已有應(yīng)用。這個(gè)機(jī)組的風(fēng)輪通過(guò)主軸上的大齒輪將功率等分傳給四根中間軸，再通過(guò)四組齒輪增速傳遞至四個(gè)電機(jī)，這樣就可以以小代大，既獲得大電機(jī)的容量，又能夠?qū)C(jī)艙體積縮小。這種齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)是四個(gè)分流軸的均載問(wèn)題，如能合理解決，不失為以小制勝的好方案。
　　齒輪箱主要零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，能承受風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各種工況下的動(dòng)、靜載荷。齒輪箱上的動(dòng)負(fù)荷取決于輸入端（風(fēng)輪）、輸出端（發(fā)電機(jī)）的特性和主、從動(dòng)部件（軸和聯(lián)軸器）的質(zhì)量、剛度和阻尼值、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙的布置形式、控制和制動(dòng)方式以及外部工作條件。
　　實(shí)際上齒輪箱不再作為孤立的個(gè)體，而是為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分；傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)
行可靠性也不再只是通過(guò)單獨(dú)校核各部件的承載能力來(lái)表示，設(shè)計(jì)時(shí)愈來(lái)愈多地傾向于以整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果為基礎(chǔ)來(lái)考慮其運(yùn)行可靠性。為此要建立整個(gè)機(jī)組的動(dòng)態(tài)仿真模型，對(duì)啟動(dòng)、運(yùn)行、空轉(zhuǎn)、停機(jī)、正常啟動(dòng)、制動(dòng)和緊急制動(dòng)等各種工況進(jìn)行模擬，針對(duì)不同的機(jī)型得出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)功率曲線，利用專(zhuān)用的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析計(jì)算，求出零部
件的設(shè)計(jì)載荷并以此為依據(jù)，對(duì)齒輪箱主要零部件作強(qiáng)度計(jì)算。
　　在進(jìn)行建模時(shí)要充分考慮以下因素：惡劣的環(huán)境條件（極端溫度、濕度、沙塵、……）多變的風(fēng)況（風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)暴、湍流……）；頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)/ 停機(jī)和緊急停機(jī), 前風(fēng)輪和后電機(jī)突變載荷沖擊；傳動(dòng)鏈動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和載荷分配；高功率密度、大速比增速傳動(dòng)的特點(diǎn)；零部件設(shè)計(jì)和材料特性要求；冷卻、潤(rùn)滑條件；抗點(diǎn)蝕、抗疲勞損壞要求；噪聲和振動(dòng)；長(zhǎng)壽命要求等等。
　　從建立簡(jiǎn)化的傳動(dòng)系統(tǒng)模型入手，模擬實(shí)際工況，分析載荷與各組成件的剛度的關(guān)系。運(yùn)用有限元、斷裂力學(xué)等工具計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性并分析各級(jí)模態(tài)振型和頻率，從而改進(jìn)傳動(dòng)鏈布置。采取措施減少齒輪傳動(dòng)誤差，減少?lài)Ш狭Γ瑑?yōu)化的齒形參數(shù)，避開(kāi)系統(tǒng)共振響應(yīng)點(diǎn)。
　　載荷譜和極限載荷是齒輪箱的設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)。載荷譜應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出齒輪箱在其設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中所承受的所有負(fù)荷。包括安裝地的正常運(yùn)行負(fù)荷和由極限風(fēng)速或三維湍流工況引起的最高運(yùn)行負(fù)荷，以及由于突然調(diào)距或葉梢展開(kāi)或機(jī)械制動(dòng)等原因引起的瞬時(shí)峰值負(fù)荷。