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1、风机培训教材风电场开发研讨班培训教材（齿轮箱、偏航系统、刹车系统、控制系统、塔架与基础）吴运东于杭州风电场开发研讨班培训教材（齿轮箱、偏航系统、刹车系统、控制系统、塔架与基础）1 风力发电机组的齿轮箱风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称主轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴端形式是法兰盘连接结构。也有将主轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴

2、节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适

3、的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。21齿轮箱的设计要求齿轮箱设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。根据机组要求，采用CAD优化设计，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置，等等，是设计齿轮箱的必要前提条件。1.1. 设计要求齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及

4、发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型，对起动、运行、空转、停机、正常起动和紧急制动等各种工况进行模拟，针对不同的机型得出相应的动态功率曲线，利用专用的设计软件进行分析计算，求出零部件的设计载荷，并以此为依据，风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T10300标准计算确定。国际上通行的风力机组认证规范有相应的章节给出载荷谱计算公式，本教材也对水平轴风力发电机组气动载荷谱分析计算作了详尽的讲解。这些资料都可用作设计计算的参考.当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数KA1；当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。风力发电机

5、组增速箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落，故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，常用的标准是GB/T3480或DIN3990（等效采用ISO6336）中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析。1.1.1. 效率 齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其他机件阻尼等。齿轮传动的效率可按下列公式计算：1234 (1) 式中 1齿轮啮合摩擦损失的效率； 2轴承摩擦损失的效率；3润滑油飞溅和搅油损失的效率；4其他摩擦损失的效率。对于行星轮系齿轮机构

6、，计算效率时还应考虑对应于均载机构的摩檫损失。行星齿轮轮系的效率可通用一般机械设计手册推荐的公式进行计算。其方法主要有啮合功率法和力偏移法两种。啮合功率法通过转化机构（定轴轮系）的机械效率来求出行星轮系的机械效率，虽然是一种近似算法，但由于方便计算和理解，故常用此法进行设计计算。力偏移法有较高的精度，但计算繁杂，一般少用。风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。对于采用滚动轴承支承且精确制造的闭式圆柱齿轮传动，每一级传动的效率可概略定为99%，一般情况下，风力发电机组齿轮箱的齿轮传动不超过三级。值得指出的是，随着传递载荷的减小，效率会有所下降，这是

7、因为整个齿轮箱的空载损失，即润滑油飞溅和搅动时的能量损失、轴承的摩擦以及密封等的损失，在传递功率变化时几乎是不变的。1.1.2. 噪声级 风力发电增速箱的噪声标准为85dB（A）左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施： 适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度； 提高轴和轴承的刚度； 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振。 齿轮箱安装时采取必要的减振措施，按规范找正，充分保证机组的联接刚度，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543规定的C级之内。 1.2. 可靠性 按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用

8、极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。可靠性分析的步骤是: 在方案设计开始时进行可靠性初步分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。 2. 齿轮箱的构造2.1. 齿轮箱的类型与特点 风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用齿轮箱形式

9、及其特点和应用见表1。 表1 常用风电增速箱的形式和应用 2.2. 齿轮箱图例 各种齿轮箱图例如图14所示。 图1为两级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。输入轴大齿轮和中间轴大齿轮都是以平键和过盈配合与轴联接；两个从动齿轮都是采用了轴齿轮的结构。图1 两级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱图2 一级行星和一级圆柱齿轮传动齿轮箱图2 为一级行星和一级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。机组传动轴与齿轮箱行星架轴之间利用胀紧套联结，装拆方便，能保证良好的对中性，且减少了应力集中。行星传动机构利用太阳轮的浮动实现均载。图3 图4 带主轴的一级行星和二级平行轴圆柱齿轮传动装置3. 国产大型风力发电机组齿轮箱简介国内有不少风力

10、发电齿轮箱专业生产厂，其中最为著名的是重庆齿轮箱责任有限公司、杭州前进齿轮箱集团有限公司和南京高精齿轮股份有限公司等三家,如表2, 表3, 表4示，他们都是国家机械工业大型骨干企业，拥有先进的加工设备和设计制造技术，可以为风力发电行业批量提供各种型号的齿轮箱产品。近年来这几家公司在吸收国际先进技术的基础上，相继开发了不少新产品，其中多数是按照主机厂的特定要求研制，例如为新疆风电公司配套的600kW风力发电机组增速箱，综合了国外产品的特点，优化了设计参数，加强了关键结构，运转平稳，质量可靠，受到业主的好评。表2 重庆齿轮箱责任有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数型号传动方式额定功率kW增速比输入转

11、速r/min输入轴联接方式重量kgFL600一级行星+两级平行轴64556.526.85发兰联接9700FLA600两级行星64545.333.5胀套联接3200FL750 一级行星+两级平行轴75067.40122.3胀套联接4500FLA750一级行星+一级平行轴82569.8621.73胀套联接5900FL1000一级行星+两级平行轴110053.3818.733胀套联接12500FL1300一级行星+两级平行轴139078.6219.27胀套联接16000FLA1300一级行星+两级平行轴1397.57919胀套联接16000FL1500一级行星+两级平行轴15006714.92胀套联

12、接17000表3 杭州前进齿轮箱集团有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数型号传动方式额定功率kW增速比输入转速r/min输入轴联接方式重量kgFZ100两级平行轴13523.98942.2胀套连接1000FZ200两级平行轴24022.3345胀套连接1600FZ250两级平行轴28023.443胀套连接1900FZ250LX两级行星27538.239.26胀套连接1500FZ600B一级行星+两级平行轴64556.626.8法兰连接9000FZ646两级行星64545.52933.5花键连接4000FZ750一级行星+两级平行轴82567.422.25胀套连接6000FZ1300一级行星+两级

13、平行轴139078.62819.27胀套连接11000FZ1500一级行星+两级平行轴16106719胀套连接13000表4 南京高精齿轮股份有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数型号传动方式额定功率kW增速比输入转速r/min输入轴联接方式重量kgFD200两级平行轴20036.1242胀套连接1820FD250两级平行轴25023.6843胀套连接1950FD300两级平行轴30044.6634胀套连接4650FD600W两级行星60045.0333.5花键连接3200FD645一级行星+两级平行轴64555.727.2胀套连接4100FD645J一级行星+两级平行轴64556.5126.8花

14、键连接9600FD660一级行星+两级平行轴66052.6228.5胀套连接4250FD660M三级平行轴功率双分流66059.5425.5胀套连接7600FD1000一级行星+两级平行轴100053.824.16胀套连接7650FD1390一级行星+两级平行轴139078.6219.27收缩盘12500FD1500一级行星+两级平行轴150067.05619收缩盘13500FD1660一级行星+两级平行轴166072/9820收缩盘14500图2-5-7 FL600外形结构4. 齿轮箱的主要零部件4.1. 箱体 箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。箱体必须具

15、有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。应注意轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。 4.2. 齿轮和轴风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛

16、坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。 为了提高承载能力，齿轮一般都采用优质合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。内齿圈按其结构要求，可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料，也可采用与外齿轮相同的材料。采用锻造方法制取毛坯，可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征。合理的预热处理以及中间和最终热处理工艺，保证了材料的综合机械性能达到设计要求。4.3. 齿轮 (1)、齿

17、轮精度 齿轮箱内用作主传动的齿轮精度，外齿轮不低于5级GB/T10095，内齿轮不低于6级GB/T10095。选择齿轮精度时要综合考虑传动系统的实际需要，优秀的传动质量是靠传动装置各个组成部分零件的精度和内在质量来保证的，不能片面强调提高个别件的要求，使成本大幅度提高，却达不到预定的效果。(2)、 渗碳淬火 通常齿轮最终热处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到HRC60+/-2，同时规定随模数大小而变化的硬化层深度要求，具有良好的抗磨损接触强度，轮齿心部则具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度。(3)、齿形加工 为了减轻齿轮副啮合时的冲击，降低噪声，需要对齿轮的齿形齿向进行修形。在齿轮

18、设计计算时已根据齿轮的弯曲强度和接触强度初步确定轮齿的变形量，再结合考虑轴的弯曲、扭转变形以及轴承和箱体的刚度，绘出齿形和齿向修形曲线，并在磨齿时进行修正。4.4. 滚动轴承 齿轮箱的支承中，大量应用滚动轴承，其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小，即使载荷和速度在很宽范围内变化时也如此。滚动轴承的安装和使用都很方便，但是，当轴的转速接近极限转速时，轴承的承载能力和寿命急剧下降，高速工作时的噪音和振动比较大。齿轮传动时轴和轴承的变形引起齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均匀，会降低传动件的承载能力。由于载荷不均匀性而使轮齿经常发生断齿的现象，在许多情况下又是由于轴承的质量和其他因素，

19、如剧烈的过载而引起的。选用轴承时，不仅要根据载荷的性质，还应根据部件的结构要求来确定。相关技术标准，如DIN281，或者轴承制造商的的样本，都有整套的计算程序可供参考。4.5. 密封齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能防止润滑油外泄，同时也能防止杂质进入箱体内。常用的密封分为非接触式密封和接触式密封两种。(1)、非接触式密封 所有的非接触式密封不会产生磨损，使用时间长。(2)、接触式密封 接触式密封使用的密封件应使密封可靠、耐久、摩擦阻力小、容易制造和装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。4.6. 齿轮箱的润滑、冷却齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作

20、用。为此，必须高度重视齿轮箱的润滑问题，严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑，一般以强制润滑为多见。5. 齿轮箱的使用及其维护在风力发电机组中，齿轮箱是重要的部件之一，必须正确使用和维护，以延长使用寿命。5.1. 安装要求 齿轮箱主动轴与叶片轮毂的连接必须可靠紧固。输出轴若直接与电机联接时，应采用合适的联轴器，最好是弹性联轴器，并串接起保护作用的安全装置。齿轮箱轴线和与之相联接的部件的轴线应保证同心，其误差不得大于所选用联轴器和齿轮箱的允许值，齿轮箱体上也不允许承受附加的扭转力。齿轮箱安装后用人工盘动应灵活，无卡滞现象。打开观察窗盖检查箱体内部机件应无锈蚀现

21、象。用涂色法检验，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。5.2. 空载试运转 按照说明书的要求加注规定的机油达到油标刻度线，在正式使用之前，可以利用发电机作为电动机带动齿轮箱空载运转。此时，经检查齿轮箱运转平稳，无冲击振动和异常噪音，润滑情况良好，且各处密封和结合面无泄漏，才能与机组一起投入试运转。 加载试验应分阶段进行，分别以额定载荷的25%、50%、75%、100%加载，每一阶段运转以平衡油温为主，一般不得小于2小时，最高油温不得超过80C，其不同轴承间的温差不得高于15C。5.3. 正常运行监控 每次机组起动，在齿轮箱运转前先起动润滑油泵，待各个润滑点都得到润滑后，间隔一段时间方可起动齿轮箱

22、。当环境温度较低时，例如小于10C，须先接通电热器加热机油，达到预定温度后才投入运行。若油温高于 设定温度，如65C时，机组控制系统将使润滑油进入系统的冷却管路，经冷却器冷却降温后再进入齿轮箱。管路中还装有压力控制器和油位控制器，以监控润滑油的正常供应。如发生故障。监控系统将立即发出报警信号，使操作者能迅速判定故障并加以排除。在运行期间，要定期检查齿轮箱运行状况，看看运转是否平稳；有无振动或异常噪声；各处连接和管路有无渗漏，接头有无松动；油温是否正常。5.4. 定期更换润滑油第一次换油应在首次投入运行500小时后进行，以后的换油周期为每运行5，000-10，000小时。在运行过程中也要注意箱体

23、内油质的变化情况，定期取样化验，若油质发生变化，氧化生成物过多并超过一定比例时，就应及时更换。 齿轮箱应每半年检修一次，备件应按照正规图纸制造，更换新备件后的齿轮箱，其齿轮啮合情况应符合技术条件的规定，并经过试运转与负荷试验后再正式使用。5.5. 齿轮箱常见故障及预防措施 齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗漏油、油温高等。 2 风力发电机组偏航系统偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。偏航系统的主要作用有两个。其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发

24、电机组的安全运行。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种；主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发电机组来说，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。1偏航系统的技术要求1.1. 环境条件在进行偏航系统的设计时，必须考虑的环境条件如下： 1). 温度； 2). 湿度； 3). 阳光辐射； 4). 雨、冰雹、雪和冰；5). 化学活性物质； 6). 机械活动微粒； 7). 盐雾。 8). 近海环境需要考虑附加特殊条件。 应根

25、据典型值或可变条件的限制，确定设计用的气候条件。选择设计值时，应考虑几种气候条件同时出现的可能性。在与年轮周期相对应的正常限制范围内，气候条件的变化应不影响所设计的风力发电机组偏航系统的正常运行。1.2. 电缆为保证机组悬垂部分电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂失效，必须使电缆有足够的悬垂量，在设计上要采用冗余设计。电缆悬垂量的多少是根据电缆所允许的扭转角度确定的。1.3. 阻尼为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振，偏航系统在机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性力矩来确定。其基本的确定原则为确保风力发电机组在偏航时应动作平稳顺

26、畅不产生振动。只有在阻尼力矩的作用下，机组的风轮才能够定位准确，充分利用风能进行发电。1.4. 解缆和纽缆保护解缆和纽缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要功能。偏航系统的偏航动作会导致机舱和塔架之间的连接电缆发生纽绞，所以在偏航系统中应设置与方向有关的计数装置或类似的程序对电缆的纽绞程度进行检测。一般对于主动偏航系统来说，检测装置或类似的程序应在电缆达到规定的纽绞角度之前发解缆信号；对于被动偏航系统检测装置或类似的程序应在电缆达到危险的纽绞角度之前禁止机舱继续同向旋转，并进行人工解缆。偏航系统的解缆一般分为初级解缆和终极解缆。初级解缆是在一定的条件下进行的，一般与偏航圈数和风速相关。

27、纽缆保护装置是风力发电机组偏航系统必须具有的装置，这个装置的控制逻辑应具有最高级别的权限，一旦这个装置被触发，则风力发电机组必须进行紧急停机。1.5. 偏航转速对于并网型风力发电机组的运行状态来说，风轮轴和叶片轴在机组的正常运行时不可避免的产生陀螺力矩，这个力矩过大将对风力发电机组的寿命和安全造成影响。为减少这个力矩对风力发电机组的影响，偏航系统的偏航转速应根据风力发电机组功率的大小通过偏航系统力学分析来确定。根据实际生产和目前国内已安装的机型的实际状况，偏航系统的偏航转速的推荐值见表5。表5 偏航转速推荐值风力发电机组功率（kw）1002002503505007008001000120015

28、00偏航转速（r/min）0.30.180.10.0920.0851.6. 偏航液压系统并网型风力发电机组的偏航系统一般都设有液压装置，液压装置的作用是拖动偏航制动器松开或锁紧。一般液压管路应采用无缝钢管制成，柔性管路连接部分应采用合适的高压软管。螺接管路连接组件应通过试验保证偏航系统所要求的密封和承受工作中出现的动载荷。液压元器件的设计、选型和布置应符合液压装置的有关具体规定和要求。液压管路应能够保持清洁并具有良好的抗氧化性能。液压系统在额定的工作压力下不应出现渗漏现象。1.7. 偏航制动器采用齿轮驱动的偏航系统时，为避免振荡的风向变化，引起偏航轮齿产生交变负荷，应采用偏航制动器（或称偏航阻

29、尼器）来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿轮的交变应力引起轮齿过早损伤。对于由风向冲击叶片或风轮产生偏航力矩的装置，应经试验证实其有效性。1.8. 偏航计数器偏航系统中都设有偏航计数器，偏航计数器的作用是用来记录偏航系统所运转的圈数，当偏航系统的偏航圈数达到计数器的设定条件时，则触发自动解缆动作，机组进行自动解缆并复位。计数器的设定条件是根据机组悬垂部分电缆的允许扭转角度来确定的，其原则是要小于电缆所允许扭转的角度。1.9. 润滑偏航系统必须设置润滑装置，以保证驱动齿轮和偏航齿圈的润滑。目前国内的机组的偏航系统一般都采用润滑脂和润滑油相结合的润滑方式，定期更换润滑油和润滑脂。1.10. 密封偏航

30、系统必须采取密封措施，以保证系统内的清结和相邻部件之间的运动不会产生有害的影响。1.11. 表面防腐处理偏航系统各组成部件的表面处理必须适应风力发电机组的工作环境。风力发电机组比较典型的工作环境除风况之外，其他环境（气候）条件如热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用应加以考虑。2偏航系统的组成偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航液压回路等几个部分组成。偏航系统的一般组成结构见图5。图5 偏航系统结构简图风力发电机组的偏航系统一般有外齿形式和内齿形式两种。偏航驱动装置可以采用电机驱动或液压马达驱动，制动器可以是常闭式或常开式。常开式制动器一般是指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于锁紧状态的制动器；常闭式制动器一般是指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于松开状态的制动器。采用常开式制动器时，偏航系统必须具有偏航定位锁紧装置或防逆传动装置。2.1. 偏航轴承偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓