風電機組齒輪箱功率傳遞方式概述

【摘 要】在風電機組單機功率逐年提高的背景下，作為傳動系統重要部件的主齒輪箱，其結構設計合理與否影響著傳遞功率的大小及效率。本文總結了近些年風電齒輪箱設計發展的概況，歸納比較了行星輪平行軸系、柔性軸等傳動結構的原理和特點。

【關鍵詞】齒輪箱；行星輪；功率分流；柔性軸

0.引言

隨著風力發電在綠色發電領域的快速發展，尤其是在目前我國環境嚴重污染的大環境下，采取綠色、可持續的風電能源發展方向，是緩解我國能源配比，減少污染的必然選擇。風電產業的蓬勃發展推動了該領域制造業同行的對比競爭。尤其是隨著風電機組單機功率的不斷擴展，使得齒輪箱在功率傳遞方式及結構設計方面不斷的進行優化改進。

齒輪箱作為機組中最重要也是所占機組成本較大的部件，其成本大約是機組成本的17%左右，由于受到風載的變載沖擊，以及極限風況、極端溫度變化等因素的影響，齒輪箱故障占到機組故障總數已超40%，成為機組中最薄弱的一環。為提高機組運行可靠性，滿足20年的設計壽命要求，除了加強對齒輪箱油液分析、前期故障監測分析以外，采用合適的功率傳遞方式及結構設計已成為亟待發展解決的問題。

近年來，為提高機組發電功率與發電效率，風電機組朝著提高單機容量，降低單位千瓦質量，提高機組利用率及提升系統可靠性的方向發展。為適合這種發展需求，就必然面臨選擇使用何種功率傳遞方式的齒輪箱。對此，本文列舉了目前國內外幾種功率傳遞方式的設計路線，分別介紹各設計特點，并比較分析各自的優缺點。

1.我國風電齒輪箱研究現狀

由于國內風電起步較晚，風電技術人才相對匱乏，所以目前并在未來相當長一段時間內將依賴于國外的設計公司，但是在引進風電機組技術的同時并沒有把齒輪箱的設計、制造技術同步引進。國內風電齒輪箱的設計通常是從Romax、Obital2等國外專業設計公司引進，再按照主機廠提出的要求在齒輪箱的結構和外形尺寸上進行詳細設計，然后結合國內工藝制造水平實現齒輪箱的批量化生產，卻沒有掌握國外先進的設計技術。

盡管我國風電齒輪箱國產化工作近年來取得了長足的進步，并在兆瓦級的生產上形成了批量化，但是目前仍然存在很多制約風電行業發展的問題：

第一，基礎性工作的研究和數據積累嚴重匱乏，對國外技術的消化和吸收存在一定的局限性，沒有形成自主創新能力。

第二，由于國內風電行業起步較晚，對設計、制造技術理解不深，高技術水平的人力資源匱乏。

第三，國內目前還只是停留在類比設計、結構設計的階段，日益增長的大批量生產規模實際上存在大量的質量隱患和問題，運行壽命基本上難以保證整機設計壽命20年的要求。

第四，大功率齒輪箱2-3倍功率加載的試驗裝置和測試手段嚴重匱乏。

第五，國內各齒輪箱廠家自鎖門庭、技術保密，沒有形成資源共享、信息互通的良性競爭機制。

2.功率傳遞方式綜述

隨著全球風電市場單機容量的與日劇增，齒輪箱的發展也日趨迅猛。由常見的一級行星兩級平行軸傳動結構方式逐漸過渡到兩級行星一級平行軸、柔性軸、功率分流、一入多出等更適合實際工況的大功率機型。

2.1行星輪系+平行軸系

常見的風電機組齒輪箱由一級行星兩級平行軸或兩級行星一級平行軸齒輪傳動組成，是一種典型的傳動裝置。低速軸帶動行星架上的三個行星輪，將動力傳至太陽輪，再帶動下一級平行軸或行星輪轉動，最終通過平行軸（即高速軸）輸出，如下圖1、2所示。

圖1 一級行星+兩級平行軸 圖2 兩級行星+一級平行軸

與平行軸輪系相比，行星輪系具有傳動效率高，徑向尺寸小，重量輕，空間緊湊，傳動比大，齒輪及軸受力較均勻，耐沖擊和抗震能力強等優點。但同時也存在一定缺點，較定軸輪系傳動復雜，齒輪精度要求高，由于結構緊湊，散熱面積較小，在工作中導致油池溫升過快，需要配置潤滑冷卻系統。而兩者結合則同時具備各自優點。

該傳動方式也是目前國內裝機量最大的齒輪箱型式。

2.2復合行星齒輪系

2.2.1定軸式復合行星齒輪系

RENK公司設計的這種傳動方式是以內齒圈作為動力輸入，帶動固定軸行星輪組合傳動，其特點是結構緊湊，傳動比大，機械效率高；由于該行星輪系采用定軸傳動，所以行星輪上軸承可實現定點潤滑，降低軸承的失效風險；可維護性好，在塔上可實現全部零件拆卸維護。該方案齒圈制造精度要求較高，齒輪箱徑向尺寸較大，應用在較小功率（1.5MW以下）齒輪箱的成本較高，但在大功率齒輪箱上反而能充分發揮其優勢，如下圖3所示。

圖3 定軸式復合行星齒輪系

2.2.2非定軸式復合行星齒輪系

該設計方案為GE公司設計，以行星架作為動力輸入，內齒圈固定，與定軸式復合行星齒輪傳動相比，同樣具有結構緊湊，傳動比大，機械效率高等特點，但該方案對潤滑系統的油路布置相對要求較高，如下圖4所示。

圖4 非定軸式復合行星齒輪系

2.3柔性行星軸

風電機組單機功率逐漸發展擴大，而傳統行星齒輪傳動中的太陽輪及行星架、行星輪的連接嚙合屬于剛性設計，由于不可避免的制造、安裝誤差，引起行星輪之間載荷分配不均，在大功率齒輪箱的嚙合傳動中不可避免的會形成偏載，造成局部嚙合齒面應力提高，在長期交變載荷的影響下，易使齒面逐步發生點蝕、膠合，甚至斷齒等現象發生。

柔性軸技術則很好的解決了這個問題，具有良好的均載效果。柔性軸的實現方式是通過使用剛度值較小的銷軸，一端固定于行星架，一端套裝行星輪，整個行星架上的行星輪都處于懸臂狀態，在與太陽輪嚙合傳動的過程中，行星輪則能夠徑向浮動，實現載荷均載。但柔性軸的剛度不是越小越好，這會造成行星輪徑向浮動量過大，從而引起齒輪副的相對滑移磨損，所以應根據齒輪箱的實際載荷工況選擇適宜的柔性軸剛度值。另外，柔性軸技術的使用對降低齒輪嚙合振動引起的噪聲，起到了一定的阻尼作用。如下圖5所示。

圖5 柔性行星軸

這種技術SMT，MAAG，Orbit2，Romax都在使用。在位于蘇格蘭奧克尼島（Orkney Island）上MAAG的3MW風機齒輪箱中，II級行星傳動中共有7個行星齒輪，是目前風電齒輪箱中行星輪使用最多的，同時采用了柔性軸技術。

2.4功率分流

為實現齒輪箱承載能力最大時齒輪箱體積和重量最小，達到功率密度最大化的目的，設計公司采用了功率分流技術。在風電齒輪箱行業中，采用功率分流這一設計理念具有代表性的技術主要是MAAG和BOSCH。

MAAG 設計采用了兩級行星輪分流，第三級平行軸傳動。Ⅱ級傳動中的齒圈和I級傳動中的行星齒輪由低速軸驅動。I級傳動中輸入扭矩經過分流，一部分分配到隨低速軸轉動的行星架。另一部分被分配到Ⅱ級傳動的齒圈。在該傳動中，行星架獲得了31-35%的扭矩，Ⅱ級內齒圈則傳遞了其余65-69%的扭矩部分。

BOSCH齒輪箱設計與MAAG類似，不過其采用了三級行星一級平行軸的結構，特點是：第一，對第二級行星輪系的太陽輪和第三級行星輪系的內齒圈采用了浮動設計，更有利于整個齒輪箱的均載；第二，由于第二級和第三級行星傳動的內齒圈與箱體分離，所以能有效減小齒輪箱傳動所產生的振動；第三，通過功率分流很好的降低各個嚙合齒輪副所傳遞的載荷，從而減小傳動齒輪的尺寸，在同等尺寸條件下，該設計更有利于提高齒輪箱的容量，目前該結構主要應用于3MW及以上的風電齒輪箱中。

利用功率分流在兩級傳動中的差動特性，很好的降低了齒輪副的接觸應力，從而實現功率密度的最大化。如下圖6、7所示。

圖6 MAAG型式功率分流 圖7 BOSCH型式功率分流

2.5一入多出

隨著對海上風電的研究發展，惡劣的海上環境也對風電提出了更加嚴峻的挑戰。在此基礎上，Winergy研發了一款專門應用于海上風電的一入雙出齒輪箱，該結構是為Bard公司開發設計的，相比傳統齒輪箱，在結構上有很大的創新嘗試。由于處于樣機試運行階段，所以該結構的優勢還有待繼續觀察。如下圖8所示。

圖8 一入雙出

從該結構設計方面來看，其優勢有以下幾點：

第一，結構緊湊，功率密度高。在同樣的機艙內可以放置比傳統驅動功率更大的驅動系統，可將一臺發電機更改為兩臺并排橫向放置，在功率增大的同時，縮短了傳動鏈的長度。

第二，維修方便，可維護性強。

維護和維修時無需從機艙中拆除 一入多出（目前僅為一入雙出）齒輪箱的設計確保其各組件質量不超過機艙吊機的承載能力。這樣在對齒輪箱進行維修及維護時，就可以無需借助其它起重設備，尤其是對海上風機進行作業時，更能體現出其方便之處。且在齒輪、軸承等方面大量采用了完全相同的零部件。與傳統齒輪箱相比，這些零部件尺寸更小，重量更輕。因此，該結構齒輪箱的互換性更強，成本也較低。

第三，通過兩臺發電機實現不同的功率輸出，可擴展至 12MW一入雙出齒輪箱采用八等分載荷分流， 最后集成輸出至兩個高速軸連接兩臺發電機，根據機組的實際運行工況及控制方式，可以匹配選擇不同的發電機輸出功率。

為滿足不同的市場需求，目前可實現3MW-12MW之間的額定功率選擇。由于采用了比傳統齒輪箱尺寸更小，重量更輕的設計，其額定功率越大，優勢也越明顯。

2.6融合技術方案

該技術方案是綜合了柔性行星軸與功率分流兩種設計特點，更能體現齒輪箱功率密度的最大化。

2.7齒輪箱+電機集成式

近年來開發設計的HybridDrive 混合驅動技術，通過采用齒輪箱與發電機集成設計，大大降低了傳動鏈重量，傳動鏈軸向長度也可縮短35% ～ 50%。此外，齒輪箱和發電機采用可獨立拆卸的結構設計，特別適合于海上風電的維護需求。因此，在傳動系統中采用集成化設計和緊湊型結構被認為是未來特大型風電機組的發展趨勢。

2.8齒輪箱+液力耦合

Voith公司為Bard公司研發的齒輪箱+液力耦合方案，可以通過調節液力單元的沖程來實現齒輪箱傳動比的控制，把變速輸入轉化為恒定速度輸出。該傳動方式調速范圍寬，對環境要求不高。

3.結語

盡管近年來直驅型機組得到了大力發展，由于在拿掉齒輪箱后，機組故障率會明顯降低，但直驅、雙饋兩種機型各有優勢。另外，雙饋型機組在我國風電市場中占有的地位不言而喻，這與我國多數整機廠在初期的技術引進、路線選擇有關，也同整個市場初期的供給和此后所形成的需求有關。

可以說，雙饋機型的“主軸-齒輪箱-發電機”傳動系統結構是目前發展最成熟，技術延續性最完整的“標準”結構，在不改變這種功率傳遞方式的前提下，齒輪箱的技術發展依然令人期待。作為機艙傳動系統最重要的一環，功率密度最大化始終是齒輪箱設計的初衷，在向大功率機組發展的過程中，齒輪箱的設計影響著機組的升級、擴容。

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