大功率风电增速箱设计

2012-11-18谢春普陈宏伟张树庆李国莉

重型机械 2012年1期

谢春普，陈宏伟，张树庆，李国莉

(1．沧州东塑集团沧州明珠塑料股份有限公司，河北沧州 061000;2．中国重型机械研究院有限公司，陕西西安 710032)

0 前言

随着煤、石油等化石燃料储藏量的日益减少和对环境保护要求的进一步提高，近十年来风力发电技术发展尤为迅速。风机单机容量从最初约数千瓦到今天的数兆瓦，规格在迅速增大。目前世界上单机容量最大的风力发电机组为6 MW，单机容量大规格化已成为风电机组发展的必然方向。

由于工业环境的复杂性以及载荷的不确定性，风力发电增速箱是风电成套设备中故障率较高的部件，风电齿轮箱设计制造的关键技术一直是困扰我国乃至世界风电快速发展的重要因素。因此该增速箱在设计、制造、试验、使用以及维护上比一般工业齿轮箱的要求更高。针对要求该增速箱具备承载能力高、体积小、重量轻、可靠性高和寿命长等特点，本文介绍了兆瓦级增速箱的设计特点及选型。

1 传动型式的选择

目前风电增速箱多采用一级行星加两级圆柱齿轮传动、两级行星齿轮传动、两级行星加一级圆柱齿轮传动等传动型式，三种结构各有优缺点:

一级行星加两级圆柱齿轮传动型式具有结构简单、易于加工、制造成本低等特点;

两级行星齿轮传动型式具有速比范围较大、承载能力较高、体积小等特点;

两级行星加一级圆柱齿轮传动型式具有速比范围大、承载能力高、制造成本较高等特点。

目前风电增速箱产品中0.6～2 MW增速箱多采用一级行星加两级圆柱齿轮传动型式，如图1所示;2.0 MW及以上增速箱多采用两级行星加一级圆柱齿轮传动型式，如图2所示。

同时一些国际知名公司也开发了其它具有一定特色的传动型式，如 Renk的 NW传动、Rexroth的行星差动分流型、Voith的恒输出转速型等。

2 传动系统的设计

2.1 设计参数的合理选择

齿轮是风电增速箱的关键部件，是决定增速箱能否稳定运转的重要因素，对齿轮设计的要求有以下几点:

(1)其中齿面、齿根和齿面抗微点蚀所需的最小安全系数见表1;

表1 最小安全系数Table 1 Minimum safety factor

(2)外齿轮的精度应不低于GB/T 10095规定的5级，内齿圈齿轮的精度应不低于6级;

(3)齿轮所用材料要满足机械强度条件，一般采用17CrNiMo6等优质低碳合金钢锻造，等级不低于相关标准的2级，采用渗碳、淬火、磨齿和超精研磨工艺。

(4)按ISOTR15144－1计算齿轮的微点蚀安全系数;

(5)由于风力发电增速箱输入轴承受附加动载荷，使得齿轮承受附加动载荷，齿轮设计中应充分考虑这一因素，合理选用动载系数;

(6)工作中由于箱体和行星架等零部件变形、制造公差、装配侧隙和刚度等因素影响，会使行星轮载荷的分配不均匀，因此必须考虑载荷分布系数Kγ对实际齿轮强度的影响。根据行星轮数量确定载荷分布系数，Kγ值见表2。

表2 载荷分布系数Table 2 Load distribution coefficient

2.2 均载机构的设计

为满足风电增速箱高承载能力的要求，在增速箱结构设计时，要充分考虑均载性要求，提高承载能力和产品寿命。

常用的均载结构:①太阳轮浮动，鼓形齿连接的均载结构;②太阳轮浮动，柔性花键的均载结构。

目前某轴承商正在开发行星轮集成式柔性销轴承及均载机构，主要原理是将齿轮与轴承的外圈集成，套筒与轴承的内圈集成，集成式柔性销轴承如图3所示。

图3 集成式柔性销轴承及均载机构Fig.3 Integrated flexible pin bearing and equal load mechanism

2.3 抗微点蚀措施

研究发现，造成风电齿轮箱失效的部分原因是齿面产生微点蚀现象，微点蚀多出现在齿顶和齿根部位，因表面疲劳导致齿面上出现微小的点蚀(1 μ)或斑点，使局部变得粗燥，引起齿轮振动、噪音等，最终导致齿面应力集中，缩短了齿轮寿命。经研究发现采取以下措施可以降低微点蚀的危害。

(1)齿轮超精研磨工艺，提高齿轮表面粗糙度;

(2)精确的齿轮修形，降低齿面载荷;

(3)选用专用抗微点蚀的合成齿轮油;

(4)按ISOTR15144－1计算齿轮的微点蚀安全系数，GL认证要求按SA≥1.2。

风电齿轮箱具有齿面硬度高、承受载荷大、运行工况复杂等特点，发生微点蚀的几率远远大于普通齿轮箱，因此在进行风电齿轮箱设计时，必须对微点蚀进行校核计算。目前国内几款传动系统设计软件，都有微点蚀计算功能，如:Romax、Kisssoft等。采用先进计算程序可以提高设计效率和计算结果的准确度。

2.4 轴承的设计

风电机组运行过程中，齿轮箱往往过早损坏，其原因主要是风电齿轮箱轴承在复杂载荷作用下寿命难以估算，导致轴承过早损坏，另外尽管目前对轴承寿命的计算方法很多，但并没有准确评估风电齿轮箱轴承寿命的计算方法，风电齿轮箱轴承的设计和计算对风电齿轮箱发展具有重要的意义。

在兆瓦级风力发电增速箱中，目前比较常用的轴承配置型式如图4所示。

图4 轴承配置型式Fig.4 Bearing configuration

在一级行星加两级圆柱的增速箱中，对于一点支撑的增速箱，输入轴(行星架)可以选用圆锥滚子轴承，这样刚性及抵御外来附加力的性能好;对于两点或三点支撑的增速箱，输入轴(行星架)可以选用满装圆柱滚子轴承。

对于圆柱齿轮部分，在高速轴上应用较多的有两种方案:一种是四点接触球轴承和圆柱滚子轴承组合使用;另一种是双圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承组合使用，两种方案都把圆柱滚子轴承放在了浮动端。对于中间轴和低速轴:一种是双列锥滚子轴承和圆柱滚子轴承组合使用，另一种是两个调心轴承配对使用。

对于行星轮部分，由于空间受限，承受的载荷大，一般选用多列圆柱滚子轴承，如图5所示。目前轴承商开发了具有特色的行星轮内用无外圈的圆锥滚子轴承，可承受较大的载荷。

图5 太阳轮轴承配用型式Fig.5 Bearing configuration of sun gear

2.5 轴承寿命计算

在风力发电增速箱中，无论是设计规范还是认证，对轴承寿命均有要求，必须严格遵守。AGMA6006标准以轴承的基本额定寿命作为判断依据，根据轴承位置的不同，基于增速箱20年的设计寿命，规定了增速箱各处轴承的最小基本额定寿命见表3。

表3 轴承的最小基本额定寿命Table 3 Minimum rated life of bearings

GB/T 19073等标准规定轴承的修正额定寿命不小于13万h。各轴承生产厂家也根据各自的研究成果及标准，提出了类似的修正额定寿命的计算方法。

式中，a1为可靠性系数;a2为材料系数;a3为寿命系数;L10为基本额定寿命;C为基本额定动载荷;P为当量动载荷;p为寿命指数。a3与轴承的类型、尺寸有关，与选用的润滑油类型、牌号有关，与润滑系统的清洁度或污染度等因素有关。

a3的计算较为复杂，影响因素多，计算结果离散性大。

3 关键部件的有限元分析

兆瓦级风电增速箱载荷变化大、工况恶劣、结构复杂，传统的设计计算方法很难对其进行精确的应力、变形计算和分析，使用有限元等现代方法进行计算和优化能很好地解决这一问题。通过有限元分析软件，可以精确获得结构的应力、变形的数据和位置，能实现对现有结构强度和刚度的校核和改进优化。

某1.5 MW风电齿轮箱机体、内齿圈、前机盖等关键部件的有限元分析结果如图6所示。

图6 1.5 MW风电齿轮箱有限元分析结果Fig.6 Result of finite element analysis for 1.5 MW turbine gearbox

4 润滑油及润滑系统

4.1 润滑油的选择

由于风力发电机多安装在空旷、多风地区，增速齿轮箱的工作环境属于高低温变化、高湿气，加上较大的扭力负荷，因此其中的润滑油受气候温差、湿度等影响较大。另外风电机组处于相对偏远的地区，维修不便，因此设计要求齿轮箱使用的齿轮油应具有以下特点:

(1)具有良好的极压抗磨性能、高温降解抵抗力、热氧化稳定性、水解安定性、抗微点蚀、抗乳化性能、防腐防锈性能;

(2)要求低温流动性能以及长的使用寿命，能改善齿轮传动效率。一般选用合成工业齿轮油，如美孚的SHCXMP320等。

4.2 润滑油过滤系统

要长时间保持齿轮油的特性，除了使用高性能的润滑油，更多的还需要保持油系统尽可能的清洁。颗粒物、水分和氧化产物等污染物对油以及设备本身都有较大的危害。一旦齿轮齿面和轴承磨损过度，将需要维修或更换部件，检修和配件的费用，再加上动用大型设备，以及停机时间造成的发电量损失，整个维修成本会相当高。

在风机齿轮箱的润滑系统上，设计有在线过滤器，为保证在线润滑系统的流量，这种过滤器一般过滤精度大多为10～20 μm。

事实上，在线过滤器很好地保护了润滑系统，但其本身并不能完全满足风机齿轮箱对润滑油清洁度的要求以及相关的标准。

为了满足风电齿轮箱的润滑油清洁度要求，提高齿轮箱系统运行的可靠性，在线润滑系统对油的流量有一定要求。所以，一般无法在在线系统中使用精度更高的过滤器，且一般过滤器均为表面性过滤，无法去除水分和氧化物，为此还需设计精度更高、功能更全的离线精滤器，以解决油品的清洁度不达标的问题，以保证油系统的清洁度维持在理想水平，延长油品和齿轮箱的寿命。