一种特殊用途的风力发电机组齿轮箱的设计与优化

谢 源，刘天羽，汪永海，焦 斌

（上海电机学院 电气学院，上海 200240）

一种特殊用途的风力发电机组齿轮箱的设计与优化

谢 源，刘天羽，汪永海，焦 斌

（上海电机学院 电气学院，上海 200240）

针对高等院校和研究院侧重风力发电机组齿轮箱基本理论、运行机制和测试方法等的教学和研究的需求，设计了一种与大型风力发电机组齿轮箱结构一致、工作方式相同的小功率齿轮箱。对齿轮箱的结构作了相应的优化，最终能够满足教学和科研的要求。

风力发电机；齿轮箱；行星结构

截止2010年，全球已有100多个国家发展风力发电。2010年全球风能新装机容量相当于全球总发电量的2.5%，总量超过世界第6大经济体——英国全年的用电需求。我国是风能装机容量最大的国家，是世界风能产业的中心，2010年新装机容量占全球年度的50%以上［1－2］；目前，国内已有4家整机制造企业进入世界前10强，国产风力发电机产量占世界总量的2／5强，占国内市场85%的份额，有3家国内风力发电运营商位列全球前10位［3－4］。

目前，全世界大型风力发电机组中双馈型风力发电机组占85%以上，双馈型风力发电机组必须使用齿轮箱增速驱动异步发电机［5］。齿轮箱是风力发电机组中最重要的部件之一，也是最容易产生故障的部件之一［6－7］。为了减小体积，500kW以上大型风力发电机组的齿轮箱通常采用行星轮加平行轴结构［8］，质量达数吨甚至十几吨，价格为数十万甚至上百万元人民币。目前，国内高等院校和普通研究院所对齿轮箱的研究和试验测试还不够深入，主要原因如下：① 我国自2006年起开展大型兆瓦级风力发电技术研究，前期主要采用技术进口和联合设计方式，通过逐步消化吸收，形成了自主生产和设计能力，近2年才实现了大型风力发电机组齿轮箱的国产化，因此，国内对大型风力发电机组齿轮箱的研究还有待深入。② 国内真正开展风力发电技术研究的高等院校和科研院所并不多，除沈阳工业大学、新疆大学、浙江省机电研究院风电研究所、中国科学院电工所等外，大部分高校和科研院所基本上是近5年甚至是近3年才开展风力发电技术研究的，且大多数都关注控制系统、变流技术、并网技术的研究，对齿轮箱、轴系等机械装置研究有所忽视［9］。③ 大型风力发电机组齿轮箱价格昂贵、体积庞大、结构特殊，也限制了其在高校教学中的应用。虽然传统的齿轮箱工作原理与特性相对简单，没有必要采用实物用于教学，但大型风力发电机组齿轮箱与小型风力发电机不同，其采用行星轮加平行轴的混合结构。市场上小功率的风力发电机有的采用直流电机不需要齿轮箱，有的采用普通的平行轴齿轮结构。目前在齿轮箱行业中，小功率增速齿轮箱或是单一的行星轮结构，或是单一的平行轴结构，或是蜗轮蜗杆结构，很难找到与大型齿轮箱结构一致的混合结构的齿轮箱。

综上所述，很有必要开展风力发电齿轮箱的科研测试和教学试验工作，尤其是在我国风力发电产业高速发展、专业从业人员缺口巨大的前提下，在高校加强风力发电技术人才培养，不仅要关注控制系统、变流并网的研究，而且对于齿轮箱等关键机械部件的研究也应非常重视。本文从高校开展风力发电领域的科学研究和教学实践出发，设计了一种符合教学和研究要求的小功率风力发电齿轮箱，并给出了该齿轮箱的设计过程、参数和用途。

1 风力发电齿轮箱设计要求

作为一所工科高等院校，开展风力发电领域研究，既要考虑科学研究的需求，又要考虑学生培养的需求，更应考虑经济成本，故对小型风力发电齿轮箱的技术要求主要从教学、科研、成本3个方面来分析。

1.1 应从学生特别是本科生的培养要求出发

（1）设计的风力发电齿轮箱应与大型风力发电机组齿轮箱基本结构完全一致。本科生实际接触工业产品的机会较少，缺少足够的时间去近距离仔细观察风力发电机组齿轮箱的实际结构。通过设计与大型风力发电机组齿轮箱结构一致的小功率齿轮箱，放置在校内专业实验室，学生可以通过专门的风力发电课程和试验，结合齿轮箱的设计原理，参考其设计参数，充分了解其结构，甚至可指导学生了解齿轮箱的设计方法和软件，培养学生的设计才能。（2）应与大型风力发电机组齿轮箱运行方式一致。风力发电机组齿轮箱是风力发电系统中重要的传动环节，其输入、输出关系体现了风力发电机组的能量传递关系和发电原理。设计的齿轮箱与真实运行原理一致，通过连接驱动系统和发电机，可以使学生掌握风力发电系统基本发电原理，

并促进他们掌握基本机电系统的设计方法。（3）设计的风力发电齿轮箱的内部结构应方便观察。无论是在运行中还是处于停机状态，齿轮箱的内部结构应易于观察，尤其是通过观察运行中的内部结构，可以让学生更好地理解齿轮啮合的概念，观察到运行中齿轮箱内部的变化情况。

1.2 应满足科研人员在风力发电领域的研究要求

（1）设计的风力发电齿轮箱内部零件应可方便更换。目前，风力发电机组齿轮箱的故障诊断是机组维护的重要环节。要诊断风力发电齿轮箱的故障，必须要产生齿轮箱的故障，而一旦故障产生难免会对齿轮箱内部零件造成损坏；故齿轮箱的内部零件应可方便更换，最好是手工更换，这就限制了齿轮箱的功率不能太大。（2）风力发电齿轮箱应能产生若干典型故障。通过一些人为设置方式，可以让齿轮箱产生某些常见故障，为风力发电机组齿轮箱的故障分析与诊断提供研究案例。（3）设计的风力发电齿轮箱产生的故障应可诊断。常用的大型齿轮箱故障诊断采用振动监测［10－11］、频谱分 析的方法进 行 诊 断［12］，由于过小的齿轮箱难以安装振动传感器，其故障信号不够明显，难以提取，故齿轮箱不能太小。

1.3 从成本出发，设计的风力发电齿轮箱不能太昂贵

由于只用于教学与科研，齿轮箱不需要达到工业产品的品质与性能要求，故其性能可适当降低。总体而言，齿轮箱功率可设计为10kW左右，制造工艺和材料不需要达到工业产品级的要求，但必须满足教学和科研的要求。

2 系统结构

设计的风力发电机组齿轮箱采用1级行星轮加2级平行轴的结构，如图1所示，液体润滑，不需要配置齿轮润滑系统。

图1 齿轮箱结构原理图Fig.1 Structure of gearbox

3 系统参数

参照普通大型风力发电机组齿轮箱的常见结构，设计的风力发电齿轮箱参数如下：

（1）齿轮箱功率为10kW；

（2）齿轮箱质量为200kg；

（3）齿轮箱结构为1级行星结构＋2级平行轴结构；

（4）齿轮箱变速比为4.941（行星传动×4（第1级）×4.5（第2级））＝88.938

一般大型风力发电机组风轮的额定转速较低，通常为每分钟十几转，而发电机的额定转速通常为1 000r／min或1 500r／min，故齿轮箱的变速比设计为50以上，较常见的是90。本文设计的风力发电齿轮箱采用1级行星轮＋2级平行轴结构，行星传动的变速比为4.941，第1级平行轴变速比为4，第2级平行轴的变速比为4.5，总计整个齿轮箱的变速比为88.938。齿轮箱内齿轮的具体参数如表1所示。齿轮箱内的齿轮均通过轴和轴承支撑，表2给出了内部使用的轴承的类型和参数。

表1 齿轮箱内齿轮参数Tab.1 Parameters of the gears

表2 齿轮箱内轴承参数Tab.2 Bearing parameters of gearbox

4 外形尺寸

设计的风力发电机组齿轮箱二维视图如图2所示。考虑到实验室场地、齿轮箱结构的灵活拆装、状态监测与故障诊断等教学、科研、成本方面的需求，参照齿轮箱设计的国际标准《GB／T 3480－1997渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》和《GB／T 10095－2001渐开线圆柱齿轮精度》［13－14］，最终设计的齿轮箱尺寸为595mm（长）×504mm（高）×480mm（宽），轴心高为235mm。

图3给出了设计的齿轮箱整体三维效果。图3中，齿轮箱箱体顶部设计了观察窗口，用螺钉将带把手的盖板盖住观察窗口，取下螺钉，打开盖板，即可实时观察齿轮箱内部运行情况。

图4给出了风力发电齿轮箱内部结构的三维视图。由图4可见，齿轮箱的结构与大型风力发电机组齿轮箱结构一致，采用了1级行星传动＋2级平行轴齿轮传动的结构。

5 优化设计

图4 风力发电齿轮箱内部三维俯视图Fig.4 Three－dimensional top view of the gearbox

箱体是齿轮箱的重要部件，它承受着来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力，必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，满足防止变形、保证传动质量的要求。箱体应按照风力发电机组动力传动的布局安排、加工与装配、检查和维护等的要求设计。同时，考虑到为方便观察齿轮箱内部结构，箱体上部设计有观察窗口。为便于进一步观察内部结构、啮合情况和零件更换，箱体采用了上下结构；上、下箱体之间采用螺栓紧固的联结方式。设计时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保持一致。

单件、小批量生产时，常采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减小机械加工过程和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造还是焊接箱体均应进行退火、时效处理，以消除内应力。机座旁设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。

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。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求其具有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，当用于非工业应用领域可根据具体需求调整。齿轮毛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，制成轴齿轮的形式。

过盈配合联接能使轴和齿轮（或联轴器）具有最好的对中性，特别是在经常出现冲击载荷情况下，这种联接能可靠地工作，在风力发电齿轮箱中得到了广泛的应用。利用零件间的过盈配合形成的联接，其配合表面为圆柱面或圆锥面（锥度可取1∶30～1∶8）。圆锥面过盈联接多用于载荷较大，需多次装拆的场合。

6 结 语

本文设计了一种风力发电齿轮箱，其目的是用于高等院校和科研院所的教学和科研工作。考虑到高等院校和科研院所的场地和教学科研的特点，齿轮箱功率为10kW，结构为行星轮加平行轴结构，通常情况下只有兆瓦级以上的风力发电机组齿轮箱采用此种混合结构，小型齿轮箱一般采用单一结构。该齿轮箱便于拆装、观察内部结构，可用于教学，帮助风力发电方向的本科生掌握风力发电机组齿轮箱的基本原理与运行机理，还可提供给研究生进行结构的力学分析和有限元分析［6］，以该齿轮箱为案例进行风力发电齿轮箱的设计。同时，以该齿轮箱为基础，若配上其他部件，可以指导学生设计一个包括原动机和发电机的小型风力发电系统，让学生掌握大型风力发电机组的发电原理和运行机制；还可指导研究生进行风力发电系统控制策略、变流控制、并网控制等方面的研究。通过对齿轮箱内、外部结构的改造或更换内部零件，还可进行风力发电齿轮箱状态监测与故障诊断的基础研究。

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［2］ Global Wind Energy Council.Global wind report：Annual market update 2010［EB／OL］.http：／／www.gwec.net／fileadmin／documents／Publications／Global＿Wind＿2007 ＿report／GWEC%20Global%20Wind%20Report%202010%20low%20res.pdf.

［3］ 李俊峰.风光无限 中国风电发展报告2011［M］.北京：中国环境出版社，2011.

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［13］ 国家技术监督局.GB／T 10095－2001渐开线圆柱齿轮 精度［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［14］ 国家技术监督局.GB／T 3480－1997－渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法［S］.北京：中国标准出版社，1997.

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Design and Optimization of Gearbox of Wind Turbine for a Specific Purpose

XIE Yuan，LIU Tianyu，WANG Yonghai，JIAO Bin
（School of Electric，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

Considering requirement of teaching and researching of universities，a kind of gearbox of wind turbine is designed.It has same structure and operation mechanism as the gearbox of MW level wind turbine.However，its rated power is much smaller.In order to meeting the demand of teaching and researching，the structure of gearbox is optimized.

wind turbine；gearbox；planetarystructure

TM 315

A

2095－0020（2012）01－0001－05

2011－09－03

上海市教委科研创新项目资助（12YZ1S6）；国家自然科学基金项目资助（60801048）；上海市科学技术委员会基础研究重点项目资助（10JC1405800）；上海市教育委员会重点学科资助（J51901）

谢 源（1978－），男，讲师，博士，专业方向为电气自动化，E－mail：xiey＠sdju.edu.cn