兆瓦級風電齒輪箱設計

曹奇

摘 要：目前，利用風力進行發電的相關應用研究得到了發展，其單機容量可達到兆瓦級。在風電機組中齒輪箱是最為重要的一個組成部分，是動力傳送的重要載體。但由于受相關技術限制，國內使用齒輪箱主要依賴進口，嚴重制約了風電產業的進一步發展壯大。在這種情況下，設計出具有自主產權的齒輪箱就顯得非常有意義。

關鍵詞：齒輪箱；風力發電；動力傳送；行星輪

中圖分類號：TH132.41 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.114

目前，較為成熟的清潔能源有風能、太陽能、水能、核能等，這些能源各有優缺點，本文重點對風能發電的相關問題進行分析。想要應用風力進行發電，就需要應用到風電發電機組，隨著相關技術的發展，其容量已經達到兆瓦級，容量越大，對發電機組性能質量的要求就越高。在風能到電能的轉化過程中，齒輪箱是風電機組中最為重要的組成部分。在實際應用過程中，由于風能具有的無規律性、變相、變負荷等特點以及所處環境造成的影響，對于齒輪箱的可靠性、使用壽命及質量水平都提出了更高的要求。針對當前應用最為廣泛的兆瓦級風力發電機組的齒輪箱設計問題進行深入探討。

1 齒輪箱的作用

齒輪箱也被稱為增速箱，這是由于在風電機組運行過程中風輪的轉速較低，無法滿足發電機轉速需求，這就需要對齒輪箱的齒輪副進行增速。在運行過程中，風作用在葉片上，驅使風輪旋轉，旋轉的風輪帶動齒輪箱主軸轉動并將動能輸入齒輪副。經過三級變速，齒輪副將輸入的大扭矩、低轉速動能轉換為低扭矩、高轉速的動能，通過聯軸器傳送給發電機，發電機將輸入的動能最終轉化為電能并輸送到電網。由此可見，齒輪箱的性能、質量直接影響著風電機組的運行安全、穩定。

2 齒輪箱設計

在對齒輪箱進行設計時，應借鑒國外成熟的經驗、技術，并針對齒輪箱運行過程中常見故障進行有針對性的優化設計，使其能更好地滿足應用需求。以下對齒輪箱設計的相關問題進行逐一分析。

2.1 存在的主要缺陷

通過對風電機組長期運行相關數據的統計分析，我們可將齒輪箱常見故障總結為齒輪箱油溫過高、齒面點蝕破壞2個方面。其中，油溫過高主要是受到齒輪箱結構及冷卻裝置性能的影響，同時，如果機組長期滿負荷運行，也會加速升溫；齒面點蝕破壞則是由于齒輪材料承受能力無法滿足操作條件而出現金屬表面疲勞造成的。

2.2 齒輪箱設計方案

目前兆瓦級風電機組齒輪箱的傳動形式主要有2種：①兩級行星輪+一級平行輪。這一類又可根據輸入方式分為行星架輸入（扭轉臂式和連接法蘭式）和齒圈輸入2種。②一級行星輪+兩級平行輪（齒圈輸入，行星輪軸固定）。不同的齒輪箱結構有著不同的優缺點，在設計過程中應根據實際應用需求設計。

2.2.1 齒輪箱設計

通過對目前兩種傳動形式優缺點的分析，綜合設計出了一種兩級行星派生傳動形式，綜合了兩者的優點，獲得了更好的傳動行性能。受到生產工藝的限制，在齒輪制造過程中不可避免地會存在一定的誤差。當轉速低時，影響較小，但隨著轉速的提升，誤差影響也將隨之增大。在齒輪箱設計過程中，為了降低齒輪工藝誤差，一般在行星傳動中增加均載機構（太陽輪），這樣能夠最大限度地均衡各個行星輪傳遞荷載，延長齒輪的使用壽命，降低運行過程中對齒輪工藝精度的要求，從而降低生產成本。

在開始對齒輪箱機械能設計時，最先應對傳動比及功率進行合理分配。以某5 MW風電機組為例進行設計，機組參數為：額定功率為5 000 kW，總齒輪傳動比為97，額定功率時輸入轉速為12.1 rpm，額定功率時輸出轉速為1173.7 rpm。結合機械設計相關工藝要求，其齒輪靜強度按照額定功率3倍計算應大于1.0，同時，外齒輪制造精度不應低于6級，太陽輪齒面硬度為HRC60-62，行星輪齒面硬度為HRC56-58；齒輪材料選擇經滲碳淬火的20CrNnTi。

在圖1中，兩級行星輪傳動中均采用中心輪浮動的均載裝置（也稱為太陽輪）。為了保證多對齒輪同時嚙合并可靠承受荷載，在行星輪系的各個齒輪應滿足以下幾個條件。

2.2.2 齒輪參數的確定

取兩級行星傳動比，由于總的傳動比為97，則高速端定軸傳動比為3.44.經過計算，參照設計手冊可得出低速級輸入端行星輪傳動比為5.129，中間級傳動比為5.5.

在傳動比合理分配完成后，需要對三個不同級的參數進行計算，相關參數包括齒輪齒數、a-c傳動中心距級模數、a-c（及c-b）傳動的實際中心距變動系數和嚙合角、a-c（及c-b）傳動變位系數、重合度等。

2.2.3 受力分析及靜強度核校

在行星輪系中主要的受力構件包括中心輪、行星輪、行星架、軸及軸承等。為了對齒輪表面強度進行計算，需要對行星輪及太陽輪進行受力分析。為了便于分析，在此我們假設各套行星輪荷載均勻，這樣在分析時只需要對任意一套行星輪與太陽輪的組合進行分析即可。

2.2.4 傳動軸及其他相關部件的設計

在齒輪箱中除了不同級的齒輪組外，還包括需要應用到相關傳動軸，在齒輪箱設計過程中，要對傳動軸的尺寸參數及強度進行核校。同時，還要根據實際應用情況對軸系部件、行星架、齒輪箱箱體及齒輪箱的密封、冷卻、潤滑等問題進行設計。

3 結束語

隨著風力發電技術的進一步發展，其在電力系統中的重要性不斷提升。通過本文的分析，我們對風電機組重要部分齒輪箱的結構、功能有了一個簡單了解，并重點對齒輪箱的設計相關問題進行了深入探討。鑒于齒輪箱對于整個風電機組的重要意義，通過優化設計、消除缺陷，可提高齒輪箱的安全性和可靠性，將會進一步提高其風電機組的實際應用效果。

〔編輯：張思楠〕