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風力發(fā)電機的齒輪箱的設計畢業(yè)論文-畢業(yè)設計(編輯修改稿)

2025-02-24 01:19 本頁面
 

【文章內容簡介】 單機容量的增大有利于提高風能利用率,降低風場的占地面積, 降低風電場運行維護成本,從而提高風電的市場競爭力。目前, 國際上主流的風電機組已達到 ( 2~ 3)MW, 由德國 Repower 公司研制的最大的 5MW 風電機組已投入運行,其旋翼區(qū) 直徑達到 126 米??梢灶A見, ( 3~ 5)MW 的風電機組在市場中的比例將日益提高。 2021 年 2 月在布魯塞爾舉行的風能會議和風能展上, 有與會者甚至提出了 2020 年前開發(fā)出 20MW 風電機組的概念。 ( 2) 海上風電迅速興起海上風能資源豐富, 且受環(huán)境影響小,海上風電場將成為一個迅速發(fā)展的市場。目前丹麥、 德國、 英國、瑞典和荷蘭等國家海上風電發(fā)展較快。歐洲風能協(xié)會 (EWEA)預測, 2020 年,歐洲海上風電總裝機容量將達到 70 000MW。雖然海上風電前景廣闊,但目前還有技術等方面的因素制約著它 的發(fā)展。一方面, 海上風電機組均為陸上風電機組改造而成, 而復雜的海上自然條件使得風電機組的故障率居高不下, 如世界最大的海上風電場丹麥 Vestas 霍恩礁風電場, 80 臺海上風電機組故障率超過 70%。另一方面, 電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風電場所提供的巨大電能。因此, 海上風電的大發(fā)展仍需要解決機組及上網(wǎng)配套設施等方面的問題。 ( 3) 變速恒頻技術快速推廣目前市場上恒速運行的風電機組一般采用雙繞組結構的異步發(fā)電機, 雙速運行。在高風速段, 發(fā)電機運行在較高轉速上 。在低風速段,發(fā)電機運行在較低轉速上。其優(yōu) 點是控制簡單, 可靠性高 。缺點是由于轉速基本恒定,而風速經(jīng)常變化,因此機組經(jīng)常處于風能利用系數(shù)較低的狀態(tài),風能無法得到充分利用。隨著風電技術的進步,風電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術,并結合變槳距技術的應用開發(fā)出了變槳變速風電機組。與恒速運行的風電機組相比, 變速運行的風電機組具有發(fā)電量大、 對風速變化的適應性好、 生產(chǎn)成本低、 效率高等優(yōu)點。因此,變速運行的風電機組也是未來發(fā)展的趨勢之一。德國 Enercon 公司是目前全球生產(chǎn)變速風電機組最多的公司。 ( 4) 全功率變流技術興起近年來,歐洲的 Enercon、 Winwind 等公司都開發(fā)和應用了全功率變流的并網(wǎng)技術, 使風輪和發(fā)電機的調速范圍達到了 0~ 150%的額定轉速, 提(論文) 高了風能的利用范圍,改善了風場上網(wǎng)電能的質量。 Enercon 公司還將原來對每個風電機組功率因數(shù)的分散控制加以集中,由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一調控,實現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技術將在今后大型風電場建設時得到推廣應用。 ( 5) 直驅和半直驅風電機組直驅式風電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動的方式, 免去故障率較高的齒輪箱,在低風速時效率高,且具有低噪聲、 高壽命、 運行維護成本低等優(yōu)點。近年來直驅式風電機組的裝機份額增長較塊, 但由于技術和成本等方面的原因, 在未來較長時間內帶增速齒輪箱的風電機組仍將在市場中占主導地位。半直驅是介于齒輪箱驅動和直接驅動之間的一種驅動方式,它采用一級齒輪箱增速, 結構緊湊, 具有相對較高的轉速和較小的轉矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅動相比, 半直驅增加了系統(tǒng)的可靠性 。而與大直徑的直驅相比,半直驅通過更高效和緊湊的機艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。 圖 風力 發(fā)電機機艙的 結構示意圖 ( 1)導流罩 ( 2)葉輪總成 ( 3)主軸總成 ( 4)照明系統(tǒng) ( 5)潤滑散熱系統(tǒng) ( 6)齒輪箱 ( 7)高速剎車 ( 8)聯(lián)軸器 ( 9)發(fā)電機 ( 10)提升機 ( 11)風向標,風速儀,引雷器 ( 12)機艙底座( 13)機艙罩 ( 14)供電電纜 ( 15)偏航軸承( 16)偏航減速器 ( 1) (2) (3) (4) (5) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (6) 風力發(fā)電機的 齒輪箱的設計 2. 2. 2 風電 齒輪箱的發(fā)展 趨勢 風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮,風電齒輪箱作為風電機組中最重要的 部件,倍受國內外風電相關行 業(yè)和研究機構的關注 。 風機增速齒輪箱是風力發(fā)電整機的配套產(chǎn)品,是風力發(fā)電機組中一個重要的機械傳動部件,它的重要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機,使其得到 相應的轉速進行發(fā)電,它的研究和開發(fā)是風電技術的核心,并正向高效、 高可靠性及大功率方向發(fā)展 。 風力發(fā)電機組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風口處,經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊,并且常年經(jīng)受酷暑嚴寒和極端溫差的作用,故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械產(chǎn)品高得多的要求。 風電行業(yè)中發(fā)展最快,最有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達國家 ,在風電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達國家早已開發(fā)出單機容量達兆瓦級的風力發(fā)電機,并且技術相對成熟,具有比較完善的設計理論和豐富的設計經(jīng)驗,而且商業(yè)化程度比較高,因此在國際風力發(fā)電領域中處于明顯的優(yōu)勢和主導地位。 國外兆瓦級風電齒輪箱是隨 jxL 電機組的開發(fā)而發(fā)展起來的, Renk、 Flender 等風電齒輪箱制造公司在產(chǎn)品開發(fā)過程中采用三維造型設計、有限元分析、動態(tài)設計等先進技術,并通過模擬和試驗測試對設計方案進行驗證。此外,國外通過理論分析及試驗測試對風電齒輪箱的運行性能進行了系統(tǒng)的研究,為風電齒輪箱的設計提供 了可靠的依據(jù)。 盡管國際上齒輪箱設計技術已經(jīng)比較成熟,但統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的最主要原因,約占風機故障總數(shù)的 20%左右 , 由于我國商業(yè)化大型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚,技術上較歐美等風能技術發(fā)達國家存在報大差距。我國在九五期間開始走引進生產(chǎn)技術的路子,通過引進和吸收國外成熟的技術,成功研發(fā)出了兆瓦級以下風力發(fā)電機。 課題意義 風力發(fā)電是清潔可再生能源,蘊存量巨大,具有實際開發(fā)利用價值。中國水電資源 370 GW,風能資源有 250 GW。廣東省水電資源 GW,沿海風能可開發(fā)量 (H=40 m) GW。也就是說,風能與水能總量旗鼓相當。大量風能開發(fā)不可能靠某個部門或行業(yè)的財(論文) 政補貼就能解決,商業(yè)化不僅是市場的要求,也是風力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以,風力發(fā)電商業(yè)化是必由之路,可行之路。 風力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件,其主要功用是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉速。通常風輪的轉速很低,遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉速,必須通過齒輪 箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn),故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動力的部件,在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決 于風輪、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件 。 開發(fā)新能源是國家能源建設實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要,是促進能源結構調整、減少環(huán)境污染、推進技術進步的重要手段。風力發(fā)電是新能源技術中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。 (1)由于我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚,缺乏基礎研究積累和人才,我國在風力發(fā)電機組的研發(fā)能力上還有待提高,總體來說主要以引進國外先進技術為主。目前國內引進的技術,有的是國外淘汰的技術,有的圖紙雖然先進,但受限于國內配套廠家的技術、工藝、材料等原因, 導致國產(chǎn)化的零部件質量、性能仍有一定差距。所以,在引進國外風機技術的同時,開發(fā)自主知識產(chǎn)權的兆瓦級增速齒輪箱,是加速我國風電產(chǎn)業(yè)的一項重要任務。 (2)增速齒輪的設計和制造技術是整個風力發(fā)電機組的關鍵技術,關系到整個風力發(fā)電機組的命運。因此,要加強齒輪的研究,對齒輪進行結構設計,提高齒輪的嚙合質量,降低噪聲,保證齒輪機械效率,提高齒輪的運行可靠性。 (3)增速齒輪箱以漸開線齒輪為主,人們對標準的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設計、強度計算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動提出了新的要求,在尺寸、重量最 小的情況下,可靠地傳遞高速、重載的運動,這就對齒輪分析的計算精度提出了很高要求,高精度
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