兆瓦级风电齿轮箱设计

曹奇

摘 要：目前，利用风力进行发电的相关应用研究得到了发展，其单机容量可达到兆瓦级。在风电机组中齿轮箱是最为重要的一个组成部分，是动力传送的重要载体。但由于受相关技术限制，国内使用齿轮箱主要依赖进口，严重制约了风电产业的进一步发展壮大。在这种情况下，设计出具有自主产权的齿轮箱就显得非常有意义。

关键词：齿轮箱；风力发电；动力传送；行星轮

中图分类号：TH132.41 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.114

目前，较为成熟的清洁能源有风能、太阳能、水能、核能等，这些能源各有优缺点，本文重点对风能发电的相关问题进行分析。想要应用风力进行发电，就需要应用到风电发电机组，随着相关技术的发展，其容量已经达到兆瓦级，容量越大，对发电机组性能质量的要求就越高。在风能到电能的转化过程中，齿轮箱是风电机组中最为重要的组成部分。在实际应用过程中，由于风能具有的无规律性、变相、变负荷等特点以及所处环境造成的影响，对于齿轮箱的可靠性、使用寿命及质量水平都提出了更高的要求。针对当前应用最为广泛的兆瓦级风力发电机组的齿轮箱设计问题进行深入探讨。

1 齿轮箱的作用

齿轮箱也被称为增速箱，这是由于在风电机组运行过程中风轮的转速较低，无法满足发电机转速需求，这就需要对齿轮箱的齿轮副进行增速。在运行过程中，风作用在叶片上，驱使风轮旋转，旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动并将动能输入齿轮副。经过三级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转换为低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传送给发电机，发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。由此可见，齿轮箱的性能、质量直接影响着风电机组的运行安全、稳定。

2 齿轮箱设计

在对齿轮箱进行设计时，应借鉴国外成熟的经验、技术，并针对齿轮箱运行过程中常见故障进行有针对性的优化设计，使其能更好地满足应用需求。以下对齿轮箱设计的相关问题进行逐一分析。

2.1 存在的主要缺陷

通过对风电机组长期运行相关数据的统计分析，我们可将齿轮箱常见故障总结为齿轮箱油温过高、齿面点蚀破坏2个方面。其中，油温过高主要是受到齿轮箱结构及冷却装置性能的影响，同时，如果机组长期满负荷运行，也会加速升温；齿面点蚀破坏则是由于齿轮材料承受能力无法满足操作条件而出现金属表面疲劳造成的。

2.2 齿轮箱设计方案

目前兆瓦级风电机组齿轮箱的传动形式主要有2种：①两级行星轮+一级平行轮。这一类又可根据输入方式分为行星架输入（扭转臂式和连接法兰式）和齿圈输入2种。②一级行星轮+两级平行轮（齿圈输入，行星轮轴固定）。不同的齿轮箱结构有着不同的优缺点，在设计过程中应根据实际应用需求设计。

2.2.1 齿轮箱设计

通过对目前两种传动形式优缺点的分析，综合设计出了一种两级行星派生传动形式，综合了两者的优点，获得了更好的传动行性能。受到生产工艺的限制，在齿轮制造过程中不可避免地会存在一定的误差。当转速低时，影响较小，但随着转速的提升，误差影响也将随之增大。在齿轮箱设计过程中，为了降低齿轮工艺误差，一般在行星传动中增加均载机构（太阳轮），这样能够最大限度地均衡各个行星轮传递荷载，延长齿轮的使用寿命，降低运行过程中对齿轮工艺精度的要求，从而降低生产成本。

在开始对齿轮箱机械能设计时，最先应对传动比及功率进行合理分配。以某5 MW风电机组为例进行设计，机组参数为：额定功率为5 000 kW，总齿轮传动比为97，额定功率时输入转速为12.1 rpm，额定功率时输出转速为1173.7 rpm。结合机械设计相关工艺要求，其齿轮静强度按照额定功率3倍计算应大于1.0，同时，外齿轮制造精度不应低于6级，太阳轮齿面硬度为HRC60-62，行星轮齿面硬度为HRC56-58；齿轮材料选择经渗碳淬火的20CrNnTi。

在图1中，两级行星轮传动中均采用中心轮浮动的均载装置（也称为太阳轮）。为了保证多对齿轮同时啮合并可靠承受荷载，在行星轮系的各个齿轮应满足以下几个条件。

2.2.2 齿轮参数的确定

取两级行星传动比，由于总的传动比为97，则高速端定轴傳动比为3.44.经过计算，参照设计手册可得出低速级输入端行星轮传动比为5.129，中间级传动比为5.5.

在传动比合理分配完成后，需要对三个不同级的参数进行计算，相关参数包括齿轮齿数、a-c传动中心距级模数、a-c（及c-b）传动的实际中心距变动系数和啮合角、a-c（及c-b）传动变位系数、重合度等。

2.2.3 受力分析及静强度核校

在行星轮系中主要的受力构件包括中心轮、行星轮、行星架、轴及轴承等。为了对齿轮表面强度进行计算，需要对行星轮及太阳轮进行受力分析。为了便于分析，在此我们假设各套行星轮荷载均匀，这样在分析时只需要对任意一套行星轮与太阳轮的组合进行分析即可。

2.2.4 传动轴及其他相关部件的设计

在齿轮箱中除了不同级的齿轮组外，还包括需要应用到相关传动轴，在齿轮箱设计过程中，要对传动轴的尺寸参数及强度进行核校。同时，还要根据实际应用情况对轴系部件、行星架、齿轮箱箱体及齿轮箱的密封、冷却、润滑等问题进行设计。

3 结束语

随着风力发电技术的进一步发展，其在电力系统中的重要性不断提升。通过本文的分析，我们对风电机组重要部分齿轮箱的结构、功能有了一个简单了解，并重点对齿轮箱的设计相关问题进行了深入探讨。鉴于齿轮箱对于整个风电机组的重要意义，通过优化设计、消除缺陷，可提高齿轮箱的安全性和可靠性，将会进一步提高其风电机组的实际应用效果。

〔编辑：张思楠〕