【正文】 傳動系統(tǒng)的組成 風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容主要包括葉片、輪轂、偏航系統(tǒng)、主軸、主軸承、齒輪箱、剎車系統(tǒng)、液 壓系統(tǒng)、機艙及塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了建立自 己的風(fēng)電工業(yè)，提升國產(chǎn)風(fēng)力機組生產(chǎn)能力和應(yīng)用重，近幾年我國進一步加強了風(fēng)力機組制造行業(yè)的建設(shè)，并在全國形成了一批風(fēng)電設(shè)備制造廠。在短時間內(nèi)實現(xiàn)了技術(shù)跨越 ]4[ 。歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織簽署了《風(fēng)力 12—— 關(guān)于 2020 年風(fēng)電達到世界沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文 2 風(fēng)力總量的 12%的藍圖》的報告，期望并預(yù)測 2020 年全球的風(fēng)力發(fā)電裝機將達到 KW，年安裝量達到 KW，風(fēng)力發(fā)電量將占全球發(fā)電總量的 12% ]3[ 。風(fēng)力發(fā)電機組中的主傳動系統(tǒng)更是其最重要的部分之一。地球上風(fēng)能資源十分豐富，據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計分析表明，地球上近地層的風(fēng)能總量約為 13000 億 KW，如有 1%被有效利用，就可滿足人類對能源的需求。由于主傳動系統(tǒng)安裝的需要，對機艙底盤進行了建模，并在滿足強度及剛度 的前提下，對其材料和造型的合理選擇作了介紹。由于齒輪箱在風(fēng)力發(fā)電機組的特殊作用，對齒輪箱內(nèi)的傳動形式的種類、特點及應(yīng)用作了介紹，并對其進行了合理的選擇。風(fēng)力發(fā)電機的主傳動系統(tǒng)的建模和仿真都是在 SolidWorks軟件平臺下完成的，文章對風(fēng)力發(fā)電機組的塔架、輪轂、主軸、齒輪箱、電機、機艙底盤進行了建模。對主傳動系統(tǒng)各部件在風(fēng)力發(fā)電機組上的作用作了介紹，并對其結(jié)構(gòu)形式及選用進行了詳細的分析。根據(jù)齒輪箱的增速要求，合理選擇了齒輪箱內(nèi)的各級齒輪軸和齒輪的參數(shù)。 最后，在 SolidWorks 平臺上把所有建模設(shè)計出的風(fēng)力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的零部件進行了裝配，并在平臺上進行了傳動模擬演示，使人們更直觀的了解風(fēng)力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的組成及工作情況。我國幅員遼闊，陸疆總長 2 萬多公里，海岸線 萬公里，風(fēng)能資源豐富根據(jù)氣象部 門的資料，可開發(fā)的陸地風(fēng)能資源大約為 253WG，可利用的海洋風(fēng)能資源大約為 750WG。 目前國內(nèi)外風(fēng)力機組發(fā)展現(xiàn)狀 國外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，風(fēng)電已經(jīng)成為世界上增長最快的能源，過 去 5 年全球風(fēng)電累計裝機容量的平均增長一直保持在 33%。風(fēng)力發(fā)電機單機容量朝著大型化發(fā)展，目前兆瓦級風(fēng)力機已經(jīng)是國際風(fēng)電市場上的主流產(chǎn)品，美國 7 兆瓦風(fēng)力機已經(jīng)研制成功，而英國正在研制 10 兆瓦的巨型風(fēng)力機?，F(xiàn)在，在小型風(fēng)力機組的生產(chǎn)和應(yīng)用方面，我國以 15 萬臺擁有量居世界首位；但在大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電方面起步較晚，發(fā)展速度不盡人意，但仍然取得了客觀的成績。此外還有清華大學(xué) ]7][6][5[ 、浙江大學(xué)、北方交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué) ]9][8[ 等研究院所也都曾參與了風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究，已初步掌握了大型風(fēng)力發(fā)電機組的系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵設(shè)備的制造，取得了一定的成果，并有產(chǎn)品投入試運行，但畢竟時間太短，基礎(chǔ)較差，所制造的產(chǎn)品缺乏合適的設(shè)備檢驗和足夠的時間驗證，以至人們對國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組 技術(shù)的可靠性存在疑慮。其主傳動系統(tǒng)又由輪轂、主軸、齒輪箱、連軸器、制動器、發(fā)電機等部件組成。 風(fēng)力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的布置形式 風(fēng)力機歸納起來，可分為兩類：①水平軸風(fēng)力機，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn) 軸與風(fēng)向平行。 風(fēng)力發(fā)電機組的主傳動系統(tǒng)主要有以下幾種形式： （ 1）一字型 圖 21 1— 輪轂 2— 主軸 6— 連軸器 4— 增速箱 5— 制動器 7— 發(fā)電機 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文 4 這種布置形式，是風(fēng)力發(fā)電機組中采用最多的形式，其主要特點是對中性好，負載分布均勻；其缺點是占軸線長，可能使主軸太短，主軸承載荷較大。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文 5 第 3 章 風(fēng)機主傳動系統(tǒng)中主要部件設(shè)計 輪轂的形式與選用 輪轂的作用及結(jié)構(gòu) 輪轂是連接葉片與主軸的重要部件，它承受了風(fēng)力作用在葉片上推力、扭矩、彎矩及陀螺力矩。它可以是鑄造結(jié)構(gòu)，也可以采用焊接結(jié)構(gòu)，其材料可以去鑄鋼也可以采用高強度球墨鑄鐵。但它要承受所有風(fēng)自風(fēng)輪的力和力矩，相對老講承受風(fēng)輪載荷高，后面的機械承載 大，結(jié)構(gòu)上有三角形和球形等形式。當(dāng)來流在上下有變化或陣風(fēng)時，葉片上的載荷可以使葉片離原風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面。主軸的主要結(jié)構(gòu)一般有以下兩種，如圖 33 所示。 這種結(jié)構(gòu)能吸收自與片來的突變負載。 危險截面安全系數(shù) S的校核計算公式為 ? ?22SSSSSS??????? (31) 式中 S? —— 只考慮彎矩作用時的安全系數(shù) S? —— 只考慮扭矩作用時的安全系數(shù) ??S —— 按疲勞強度計算的許用安全系數(shù) 1mS K?? ????? ? ?????? 1mS K?? ????? ? ?????? (32) 式中 1?? —— 對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞極限（ MPa） 1?? —— 對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限（ MPa） KK??、 —— 彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù) ? —— 表面質(zhì)量系數(shù) ????、 —— 材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù) m???、 —— 彎曲應(yīng)力 的應(yīng)力副和平均應(yīng)力（ MPa） m???、 —— 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力副和平均應(yīng)力（ MPa） 以知： rpmn ? ， kWP 1100? 查機械設(shè)計手冊表 26 313 得 ??? ， ??? ；查表 26 m ?M N 齒輪箱的構(gòu)造及選用 風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。常用的齒輪箱形式及特點和應(yīng)用如下： （ 1） 兩級圓柱齒輪傳動： 1）展開式 ：如圖 34 所示，傳動比 i= 80~6 ，這種傳動形式結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪相對于軸承的位置不對稱，因此要求軸有較大的剛度。 2）分流式：如圖 35所示，傳動比 i= 80~6 ，這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻、軸承受載較均勻。 圖 34 展開式 圖 35 分流式 3）同軸式：如圖 36所示，傳動比 i= 80~6 ，這種傳動形式減速器橫向尺寸較小，兩對齒輪侵入油 中深度大致相同，但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長、剛度差，使沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難于充分利用，兩級圓柱齒輪傳動同軸。 圖 38 單級 NGW 圖 39 兩級 NGW 3）一級行星兩級圓柱齒輪傳動混合式：如圖 310所示，傳動比 i= 80~20 ，低速軸為行星傳動，使功率分流，同時合理應(yīng)用了內(nèi)嚙合。根據(jù)機組的要求，選用合理的設(shè)計參數(shù)，排定最佳傳動方案，選擇穩(wěn)定可靠的構(gòu)件和具有良好力學(xué)特性以及在環(huán)境溫差下仍然保持穩(wěn)定的材料，配備完整充分的潤滑、冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控裝置等，是設(shè)計齒輪箱的必要前提條件。注意 軸承支承和機座支承的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支承結(jié)構(gòu)和壁厚，增設(shè)必要的加強筋。鑄造箱體時應(yīng)盡量避免壁厚突變，減小壁厚差，以免產(chǎn)生縮孔和疏松等缺陷。箱體支座的凸緣具有足夠的剛性，尤其是作為支承座的耳孔和搖 臂支座孔的結(jié)構(gòu)。 風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的主要承載零件是齒輪，其齒輪的失效形式主要是輪齒者斷和齒面點蝕、剝落，故各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都要求對齒輪的承載能力進行分析計算，常用用的標(biāo)準(zhǔn)是 GB/T3480 或 DIN3990 中規(guī)定的齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞校核計算，對輪齒進行極限狀態(tài)分析。根據(jù)實踐經(jīng)驗，我們采用了 20 標(biāo)準(zhǔn)齒形角。 3）齒 數(shù) Z 受齒輪根切的限制，小齒輪有最少齒數(shù)的要求。對于普通圓柱齒輪傳動，低速級轉(zhuǎn)速低扭矩大，可采用直齒輪；中間級通常取 8 ~12?? ；高速級為減少噪聲，可取較大的口角，如 10 ~15 。行星級齒輪寬度 B=220mm；中間級大齒輪齒寬 B=240mm，小齒輪齒寬B=250mm；高速級小齒輪齒寬 B=140，大齒輪齒寬 B=130mm。 2）齒形加工 為了減輕齒輪副嚙合時的沖擊，降低噪聲，需要對齒輪的齒形齒向進行修行。如果強度不夠，可采用雙鍵，成 180 布置，在強度校核時按 個鍵計算。漸開線花鍵聯(lián)接在承受負載的齒間的徑向力能起到自動定心作用，使各個齒受力比較均勻，其加工工藝與齒輪大致相同，易獲得較高的精度和互換性，故在風(fēng)力發(fā)電齒輪箱中應(yīng)用較廣。 由于是增速傳動，較大的傳動比使軸上的齒輪直徑較小，因而輸出軸往往采用軸齒輪結(jié)構(gòu)。在過盈配合處，為減少輪轂邊緣的應(yīng)力集中，壓合處的軸徑應(yīng)比相鄰部分軸徑加大 5%。齒輪傳動時，軸和軸承的變形引起齒輪和軸承內(nèi)外圈軸線的偏斜，使輪齒上載荷分布不均勻，會降低傳動的承載能力。 此齒輪箱基本上都使用的是調(diào)心滾子軸承。雙排球面滾子在具有三個固定擋邊的內(nèi)圈滾道上滾動，中擋邊引導(dǎo)滾子的內(nèi)端面。 雙饋異步電機的工作原理 眾所周知，同步發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，其輸出端電壓的頻率與發(fā)電機的極對數(shù)及發(fā)電機轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)速有著嚴(yán)格固定的關(guān)系，即 60pnf? (33) 式中 f —— 發(fā)電機輸出電壓頻率， Hz P —— 發(fā)電機的極對數(shù) N —— 發(fā)電機旋轉(zhuǎn)速度， r/min 顯而易見，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子變速運行時，同步發(fā)電機不可能發(fā)出恒頻電能 ，由電機結(jié)構(gòu)知，繞子轉(zhuǎn)子異步電機的轉(zhuǎn)子上嵌裝有三相對稱繞組，根據(jù)電機原理知道，在三相對稱繞組中通入三相對稱交流電，則將在電機氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，此旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與所通入的交流電的頻率及電機的極對數(shù)有關(guān)，即 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文 15 22 60fn p? （ 34） 式中： 2n 為繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子的三相對稱繞組通入頻率為 2f 的三相對稱電流后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度， r/min； P 為繞線轉(zhuǎn)子異步電機的極對數(shù)； 2f 為繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子三相繞組通入的三相對稱交流頻率， Hz。 機艙底盤作用及選用 風(fēng)力發(fā)電機組的機艙除了承擔(dān)容納所有機械 部件外，還承受所有外力（包括靜負載及動負載）的作用。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計論文