风力发电机齿轮增速器设计

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The wind power technology and its equipment research become a hot spot topic for technical circles and enterprise. Wind energy is a clean and renewable energy sources, The use of wind energy to power can reduce a large number of environmental pollution compare with other ways. The principle of wind turbine is: A certain wind speed blowing to the stationary blades of wind turbine-driven generators work and driving generator to power, through the impeller into the wind mechanical energy, then to electrical energy by the generator. In this paper, a power of 1500 KW wind turbine is designed and its horizontal axis wind turbine, Composed by the impeller, generator, yaw devices, control systems, towers and other components. Carry out a detailed design calculations of its leaves, the planetary gear speed increaser, tower, etc. Keyword: wind power; horizontal axis wind turbine; leaves;speed increaser. 显示对应的拉丁字符的拼音 字典 朗读 显示对应的拉丁字符的拼音 字典 1. 绪论 1．1 风力发电发展概况 风能是一种开发成本较低、清洁、安全、可再生的能源。因此，风能的开发利用越来越受到重视。根据贝兹理论，风力机从风中吸收的能量不到空气动能的59.3%，同时由于受到机械结构等限制，实际值更小。因此，如何提高风能转化率，获取更多风能，实现风能规模化利用，一直为学者及业界所关注。近年来，大型风电机组通过采用变速变桨距控制及最大功率跟踪MPPT等技术，旨在提高响应速度，获得最大能量（低风速是捕获最大功率，高风速时捕获额定功率）。但是，由于一些不确定因素的存在，风能转换系统表现出强非线性特征，风力机产生的能量随着风速和风向的连续波动是快速变化的。传统线性定常控制器因存在较大超调和损失，系统稳定性差，不适合用来控制大型变速变桨距风电机组。根据风速大小，风力发电系统由4个动态过程构成，即启动、变速运行、变桨距运行和刹车。其中，启动、刹车过程使系统能在最短时间内有较快的响应速度；变速运行调节风能，减少或消除风能产生过程中的急剧波动，捕获最大能量，减弱暂态负荷的影响；变桨距控制通过调节桨距角维持风电机组输出额定功率不变。 风车按照风轮轴的不同，可以分为水平轴风车和垂直轴风车。能量驱动链（即风轮、主轴、变速箱、发电机）呈水平方向的，称为水平轴风车（水平轴风力发电机，图1-1能量驱动链呈垂直方向的，称为垂直轴风车（垂直轴风力发电机，图2）。 图1-1 水平轴风车 图1-2 垂直轴风车 我国已成为继欧洲、美国和印度之后风力发电应用的主要市场之一，风能资源丰富，可开发量为1400GW。其中，陆上开发量为600GW；海上开发量为800GW。我国在20世纪50年代末，使用各种木结构的布篷式风车。20世纪70年代中期以后，风能开发利用列入“六五”国家计划。20世纪70年代末到80年代初，自主研制、批量生产了10kW以下的小型风力发电机，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产、生活用电，风力发电停留在蒙古包单家独户使用或实验室研究阶段。1983年，山东引进3台丹麦Vestas 55kW风力发电机，开始了并网发电技术的试验和示范；1986年5月，山东荣成建成我国第一个并网风电场，其次是新疆达坂城风电场。1986～1993年，全国共建12个风电场，装机容量为13.3MW；1994～1999年，全国共建有21个风电场，装机容量达到249.05MW。其中，1992～1996年的主力机型为200～300kW机组，1997～2002年的主力机型则为600kW机组。2008年，我国累计装机容量达到12.21GW，其中并网发电的装机容量为8.94kW。截止到2009年年底，我国风电并网总量累计达到16.13GW，累计装机容量为25805.3MW。 1．2 风力发电的背景 1.2.1 能源危机 能源是人类赖以生存的物质基础。自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速增长，推动了工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，能源危机制约了人类进一步发展。自20世纪50年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注世界能源危机问题。全球能源危机的主要表现在于，全球能源储量与开采时间有限。可以支配的化石资源的极限大约为1180~1510亿吨，自1995年世界石油的开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右即将枯竭；天然气储量估计131800~152900m3，年开采量维持在2300 m3，将在57~65年内枯竭；煤的储量约为5600亿吨，1995年煤开采量为33亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。 综上所述，煤炭、石油、天然气等不可再生化石能源的总量有限，待开发新的可再生能源。 1.2.2 环境危机 在能源消耗急剧增长，能源危机凸显的同时，环境危机也出现了。现代社会对能源的巨大需求，导致大量的化石能源被燃烧。燃烧不断产生CO2和其他温室气体，使得原来沉积在地下的碳元素，被大量释放到空气中。据估计，按照目前的趋势，到2030年，由各种温室气体增加所引起的气候变化，将相当于把大气中CO2浓度提高到工业化社会以前CO2浓度的两倍。到2100年，温室效应强度将相当于把大气中CO2浓度提高到工业化社会以前CO2浓度的3倍，达到5000万年前的CO2浓度水平。能源消费在迅速扩大，已经达到了阻碍地球生态系统自律功能正常运转的程度。研究表明：地球变暖不是地球本身自然循环的变化，而是人类活动排放的CO2等温室气体效应造成的。其过程与人类大量消耗化石能源资源，尤其是燃烧化石燃料发电大量排放的CO2密切相关。到2015年，世界温室气体的排放量将达到最高，全球变暖带来的影响不仅仅是更多的汗涝灾害，还有海平面的上升。全球气候的变化对农业和生态造成了严重的影响，时刻威胁着人类的生命和财产安全。 1.2.3 可再生能源开发利用 目前，如何解决能源危机及其引起的环境危机成为全球经济可持续发展所面临的待解决的重大课题。克服能源危机的出路在于大力发展新能源，用可再生能源替代化石能源。电能具有转换和传输方便的优点，已成为现代工业快速发展不可替代的二次能源。为缓解或从根本上消除能源危机带来的环境破坏，绿色电力的生产为世界各国所关注。绿色电力来源于风能、小水电、太阳能、地热、生物质和其他可再生能源。因为它们在生产的过程中不消耗煤、石油、天然气等燃料，所以不会产生对环境有害的排放物。相对于常规火力发电，更有利于环境保护和可持续发展。因此，开发绿色电力意义重大。 全球市场对于这样的零排放技术有着巨大且持续增长的需求。为了避免发生不可逆转的气候变化后果，全球的温室气体排放必须在2020年前后达到峰值且开始下降，而风电是目前唯一实现这一目标的发电技术。 1.2.4 风能开发利用 太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，同时，地球发生自转，使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能称为风能。据估计到达地球的太阳能只有大约2%转化为风能，理论上仅1%的风能就能满足人类能源的需求。全球的风能总量约为2.74×106GW，其中可利用的风能总量为2.74×104GW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。根据我国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量为3226GW，可开发和利用的陆地上风能储量为600GW，海上可开发和利用的风能储量为800GW，共计约1400GW。50m或更高处可开发利用的风能储量为2000GW。 人类利用风能的历史可以追溯到公元前。在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家。12世纪，风车从中东传入欧洲。16世纪，荷兰人利用风车排水。随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，由于成本高、效率低、使用不方便等，风力发电机械无法与蒸汽机、内燃机和电动机等竞争而逐渐被淘汰。在20世纪70年代中期以后，我国将风能开发利用列入“六五”国家重点项目，得到迅速发展。我国风力发电从20世纪80年代开始真正起步。20世纪70年代末80年代初，我国自主开发研制并批量生产了额定容量10 kW以下的小型风电机组，解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产生活用电。1986年5月，山东荣成建成了我国第一个并网风电场。20世纪80年代中期以后，我国先后从丹麦、比利时、瑞典、美国、德国引进一批中、大型风电机组，在新疆、内蒙古的风口及山东、浙江、福建、广东的岛屿建立了8座示范性风电场。 1．3 风力发电国内外发展现状 1.3.1 国外风电发展现状 风电成本 不考虑常规电力环境成本，根据目前的风电技术水平，风电成本仍高于常规电力成本，因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策，从不同的方面引导和支持风力发电的发展。经过30年的努力，随着市场不断扩大，风电成本大幅度下降，每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的4~6美分。在风能资源较好的地方，风电价格完全可以和煤电竞争，低于燃气电价。 装机容量高速增长 根据全球风能协会公布的2003~2007年统计数据，全球风电平均增长率为24.7%。到2007年年底，全球总装机容量累计达到近94GW，新增风电装机容量20GW，分别在全球70多个国家和地区。2007年全球大约生产了2000亿度风电电力，约占全球电力供应的1%。按照累计风电装机容量数据排名，2007年全球前十名的国家依次是德国、美国、西班牙、印度、中国、丹麦、意大利、法国、英国和葡萄牙。2008年全球新装机容量超过27GW，同比增长42%，风电装机增长率为29%，高于过去5年的平均增长速度。2008年年底，总装机容量达到了120.8GW，美国超过德国，跃居全球风电装机容量首位，同时也成为第二个风电装机容量超过20GW的风电大国。中国超过印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国。到2008年年底，在世界风电累计装机容量中，已有包括美国、中国、德国、西班牙、印度等在内的16个国家超过1GW。在欧盟2007年新增发电装机容量中，风电开始超过天然气发电成为第一大新增电源，占新增容量的46%。欧洲2008年风电新增装机容量为88GW，累计装机容量达到了66GW。美国2007年新增的风电装机也仅次于天然气发电，位居第二。2008年内美国竣工的风电项目容量更是占当年度美国所有新增电力装机的42%，新增装机容量达到8.34GW，同比增长157%，累计增长49.6%，完成新增投资170亿美元。风电在欧美发达国家已经逐步成为重要的替代能源。 发展规划 20世纪90年代初，欧盟提出了大力发展风电，到2010年风电装机容量到40GW的目标，并要求其成员国根据总体发展规划制订本国的发展目标与实施计划。2007年年初，根据技术发展和能源需求的需要，欧盟又进一步修订了发展计划，希望2010年风电装机容量达到80GW；到2020年风电装机容量达到180GW，发电量达到3600亿kW·h；2030年风电装机容量达到300GW，发电量达到6000×108kW·h，分别占届时欧盟风电装机容量和发电量的35%和20%。2006年，美国可再生能源理事会提出了将可再生能源的比例由目前的4%左右，提高到2025年的25%的发展目标。美国风能协会也提出了未来依靠风电满足国内20%电力需求的宏伟目标。英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本和东欧的波兰等国也开始加速发展风电。 1.3.2 国内风电发展现状 装机容量 2004年年底，全国的风力发电装机容量约为764MW。2005年2月《可再生能源法》颁布之后，当年风力发电新增装机容量超过60%，总容量达到了1260GW。2006年新增装机容量超过100%，累计装机容量超过2.6GW。2007年又新增装机容量3.3GW，累计装机容量达到5.9GW，超过丹麦，成为世界第5风电大国。当年装机容量仅次于美国和西班牙，超过德国和印度，成为世界上最主要的风电市场之一。风电累计装机容量从2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW，增加了205倍。2008年新增装机容量超过印度，成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。2009年新增装机容量13.85GW，累计装机容量为26GW，总装机容量跃居世界第2位。 风电设备制造能力 风电设备制造业发展迅猛。2005年之前，我国只有少数几家风电设备制造商，它们规模小、技术落后，风电场建设主要依赖进口风电整机。《开再生能源法》颁布后，风电整机制造企业已超过40家。除金风科技和浙江运达加大投入、迅速扩张之外，东方汽轮机、华锐风电、中国船舶、通用电气、湖南湘电、上海电气、广东明阳、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入我国风电设备制造业市场。 风电技术研发 “九五”和“十五”期间，我国政府组织实施“乘风计划”和“国家科技攻关计划”，以及国债项目和风电特许权项目，支持建立了首批6家风电整机企业，进行风电技术的引进和消化吸收，部分企业掌握了单机容量600kW和750 kW定桨距风电机组的总装技术和关键部件设计制造技术，实现了规模化生产，迈出了产业化发展的第一步。“十五”期间，还开展了1000 kW、1500 kW变速恒频风电机组，以及1200 kW永磁直驱风电机组的研发与联合攻关，取得阶段性成果。经过“十五”期间的自主研究和技术引进，我国已基本掌握了以双馈发电机为代表的变速恒频风电机组的控制技术，研制成功兆瓦级风电机组样机。我国风电技术与国外风电技术的差距正在不断缩小。 1．4 国内外风电机技术发展趋势 纵观世界风电技术现实和前沿技术的发展，目前全球风电技术发展主要呈现如下特点： 1.4.1 产业集中是总的趁势 2009年，世界排名前十位的风电机组制造企业占据了全球78.7％的市场份额，世界排名前十五位的风电机组制造企业占据了全球88.1％的市场份额，丹麦VESTAS、美国GE WIND、中国华锐、德国ENERCON、中国金风这前5家企业，就占据了国内外49.8％市场份领。可以看出：世界风电机组制造企业形成了由十多家大型风电机组制造企业控制或垄断的局面。 近几年，风电设备制造企业之间的兼并、重组、收购愈演愈烈。法国阿海珐集团收购-Multibrid；丹麦的Vestas公司兼并NEG。Micon公司；美国GE公司收购了德国安然风电公司；Siemes公司收购了丹麦AN/Bonus和德国winergy AG公司；印度Suzlon公司控股了Repower公司；金风科技收购了德国Vensys公司；湘电股份1000万欧元收购荷兰达尔文公司；中复连众收购了德国NOI公司；中航惠腾2009年收购了荷兰CTC叶片公司；美国GE公司与哈电集团合资成立了通用哈电风能（沈阳）公司和哈电通用风能（江苏）公司。此外，各大公司在主要市场集中地都建立了生产基地，一个大公司相当于多个公司的集成。 1.4.2 水平轴风电机组技术成为主流 水平轴风电机组技术，因其具有风能转换效率高、转轴较短，在大型风电机组上更显出经济性等优点，使水平轴风电机组成为世界风电发展的主流机型，并占到95％以上的市场份额。同期发展的垂直轴风电机组因转轴过长、风能转换效率不高，启动、停机和变桨困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，但由于其全风向对风、变速装置及发电机可以置于风轮下方或地面等优点，近年来，国际上相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展。 1.4.3 风电机组单机容量持续增大 近年来，世界风电市场中风电机组的单机容量持续增大，随着单机容量不断增大和利用效率提高，世界上主流机型已经从2000年的500-1000kW增加到2009年的2-31VM。我国主流机型已经从2005年的600-1000kW增加到2009年的850-2000kW， 2009年我国陆地风电场安装的最大风电机组为2MW。 近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展，2008年底世界上已运行的最大风电机组单机容量已达到6MW，风轮直径达到127m。目前，已经开始8-10MW风电机组的设计和制造。我国华锐风电的3MW海上风电机组已经在上海东海大桥海上风电场成功投入运行， 5MW海上风电机组已在2010年10月底下线。目前，华锐、金风、东汽、国电联合、湖南湘电、重庆海装等公司都在研制5MW或6MW的大容量风电机组。 2. 发电机的工作原理及基本结构 2．1 风电机的功能单元的划分 控制与安全系统 一次能源转换单元 机械能传递单元 发电单元 风力发电机是一种复杂的机电一体化设备。从能量转换角度看，此类设备大致包括2-1所示的几个功能单元。其中，一次能源转换单元的主要功能是将风能转换为旋转机械能；机械能传递单元的主要作用是传动与制动；发电单元将旋转机械能转换为电能，同时提供必要的并网发电功能；控制与安全系统实现对风电机起、停机和发电等运行过程的控制，并保证风电机在任何状态下的安全性。 图2-1 风力发电系统的基本功能构成 （1）一次能源转换单元 风能是风力发电的一次能源，相应的能量转换单元是风电机组的核心部分，包括风轮、功率控制（调速）等部件。风轮是风电机组能量转换单元的关键部件，一般由良好的空气动力外形的叶片、轮毂和相应的功率控制机构组成。一次能源转换单元的主要功能是将风能转换为旋转机械能（转矩），再通过风轮轴驱动与之连接的机械能传递单元和发电单元。 （2）机械能传递单元 机械能传递单元也可简称为风电机组的传动链，连接风电机组的一次能源转换单元与发电单元，使之组成发电系统。该单元一般包括与风轮轮毂相连接的主轴、传动和制动机构等。一般大型风电机组的风轮设计转速较低，需要根据发电单元的要求，通过传动链按一定的速比传递风轮产生的扭矩，使输入发电机的转速满足并网风电机组发电单元的需要。同时，机械能传递单元还要设置可靠的制动机构，以保证风电机组的安全运行。 （3）发电单元 发电单元一般由发电机和必要的电功率转换系统构成。并网风电机组发电单元可采用异步发电机或同步发电机，将风轮产生的旋转机械能转换为电能。发电单元配置的电功率转换系统，应能够满足并网或其他形式发电的需求。 （4）控制与安全系统 该系统主要功能可分为风电机组运行控制和状态监测两部分：大型风电机组需要自动控制，既能够在无人值守的条件下，保证风电机组的正常和安全运行；同时又要保证风电机组在非正常情况发生时能可靠的停机，以预防或减轻损失。 此外，风电机组还需要有上述功能部件或子系统的支撑结构，如机舱、塔架等；多数风电机组需要设置对风（也称偏航）装置，以保证风轮能够更好的获取风能。 2．2 风电机组的工作原理 在风力发电机组中，存在着两种物质流。一种是能量流，另一种是信息流。两者的相互作用，使机组完成发电功能。风力发电机组的工作原理如图2-2所示。 控制系统 偏航系统 主传动系统 制动装置 发电系统 测风系统 变桨距系统 电网 变压器 风 M1 Ω1 M2 Ω2 P3 转速测量 风力发电机 调速 风速、风向 功率测量 图2-2 风电机的工作原理 1． 能量流 当风以一定的速度吹向风力发电机时，在风轮上产生的力矩驱动风轮转动。将风的动能变成风轮旋转的动能，两者都属于机械能。风轮的输出功率为 （2-1） 式中 P1——风轮的输出功率，单位为W； M1——风轮的输出转矩，单位为N·m； Ω1——风轮的角速度，单位为1/s. 风轮的输出功率通过主传动系统传递。主传动系统可能使转矩和转速发生变化，于是有 （2-2） 式中 P2——主传动系统的输出功率，单位为W； M2——主传动系统的输出转矩，单位为N·m； Ω2——主传动系统的角速度，单位为1/s； ——主传动系统的总效率。 主传动系统将动力传递给发电系统，发电机把机械能变为电能。发电机的输出功率为 （2-3） 式中 P3——发电系统的输出功率，单位是W； UN——定子三相绕组上的线电压，单位是V； IN——流过定子绕组线电流，单位是A； cos——功率因数； 2——发电系统的总效率。 2． 信息流 信息流的传递是围绕控制系统进行的。控制系统的功能是过程控制和安全保护。过程控制包括起动、运行、暂停、停止等。在出现恶劣的外部环境和机组零部件突然失效时应该紧急停机。 风速、风向、风力发电机的转速、发电功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时的发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。 对于变桨距风向，当风速大于额定风速时，控制系统发出变桨距指令，通过变桨距系统改变风轮叶片的桨距角，从而控制风电机组输出功率。在起动和停止的过程中，也需要改变叶片的桨距角。 对于变速型风机，当风速小于额定风速时，控制系统可以根据风的大小发出改变发电机转速的指令，以便使风力发电机最大限度的捕获风能。 当风轮的轴向和风向偏离时，控制系统发出偏航指令，通过偏航系统校正风轮轴的指向，使风轮始终对准来风方向。 当需要停机时，控制系统发出停机指令，除了借助变桨距制动外，还可以通过安装在传动轴上的制动装置实现制动。 实际上，在风电机组中，能量流和信息流组成了闭环控制系统。同时，变桨距系统、偏航系统等也组成了若干闭环的子系统，实现相应的控制功能。 2.3 风力发电机传动链的基本结构及三维建模 2.3.1 主轴 主轴也称低速轴。大中型风力电机组由于其叶片长、重量大，所以为了使桨叶的离心力与叶尖的线速度不至于太大，其转速一般小于50r/min，因此，主轴承受的扭矩较大。大中型风力发电机组主轴材料可选用40Cr或其他高强度的合金钢，必须经过调质处理，保证钢材在强度、塑性、韧性3个方面都有较好的综合机械性能，在设计加工图时，必须注明这一技术要求。主轴如图2-5所示 图2-3主轴示意图 2.3.2 齿轮箱 齿轮箱是风力发电机组中关键零部件。齿轮箱由齿轮副、箱体和轴承、密封装置、润滑油净化和温控系统等组成，由于风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为了实现风力机与发电机匹配，采用增速齿轮箱。在风力发电机组中，对齿轮箱的要求非常严格，不仅体积小、重量轻、效率高，而且要承载能力大、起动力矩小、寿命长。齿轮箱分为两类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。定轴线齿轮结构简单，维护容易，造价低廉。行星齿轮传动具有传动比大、体积小、质量小、承载能力大、工作平稳和在某些情况下效率高等优点，缺点是结构相对较复杂，造价高。 如图2-6所示。 图2-4 齿轮箱整体图 3. 风电发电机传动链主要零件的设计计算 风电机组设计所涉及的学科领域和专业知识较多，而系统的工程设计技术积累和丰富的设计实践经验是保证大型风电机组设计质量的必备条件。 3．1 确定设计目标 与所有大型装备的设计相似，首先需要明确所设计风电机组的设计目标。比如，并网大功率机组与偏僻地区的小型单机设计需求明显不同。因此，针对设计需求，应考虑合理的机组功能构成、电机类型、控制方式、运输和安装方式等影响机组性能指标的主要因素。例如 ， 陆上风电场所需的大型机组通常额定功率范围为 500-2MW ，便于运输、安装、运行和维修。近海风力发电机组的运行环境（如风况、波浪和盐雾等 ） 、安装条件等与陆上有很大差别，基础和运输方式需要重点考虑。此外，检修、维护不便，对可靠性有更高的要求。 3.1.1 风力发电机总体设计方案 风电机组是比较复杂的机电装备,且要求较好的性价比。总体设计是平衡这些关系的重要设计过程 ， 在某种意义上来说 ，总体设计可以决定整个设计过程的成败 。由于风电机组由多个功能子系统组成 ，机组总体设计与各部件或子系统的功能设计密切相关 ，以针对风轮部件的总体设计为例 ，就包括了叶片参数、气动性能、结构强度、制造工艺与成本等多方面的设计内容，而这些设计目标很难同时达到，需要权衡各方的比重，选择优化的方案。有鉴于低成本与高可靠性是现代风电机组发展的主要动力和研究热点 ，如何根据设计目标并结合工程经验，在这些复杂因素之间取得平衡关系，满足尽可能高的设备性价比要求，是风电机组总体设计的关键所在。 以下简要介绍风电机组总体设计的主要任务与大致步骤: （1）风电机总体设计方案 1 ）总体气动布局方案设计 随着风电机单机功率的增大，系统气动布局设计逐渐成为风电机组设计重要方面。此阶段的任务主要包括对风场的风况分析，有针对性地对各类可行的功能构成形式和气动布局方案进行比较和选择，并结合机组性能和气动特性的分析和仿真技术，初步确定整机的和各主要部件（子系统）的基本形式，并提交有关的分析计算报告。 2 ）风电机总体参数设计 风电机组气动设计前须首先确定总体参数，如风轮运行参数、叶片参数、设计风速、尖速比、翼型分布及其气动性能等，总体参数设计的基本要求是发电成本最低、机组载荷最小，发电量多且满足电源品质要求。 3 ）风电机的总体结构布局设计 此阶段是需要从风电机的总体功能角度出发，分析各部件、子系统、附件和设备的布置形式与技术要求，开展对各部件和子系统的技术组成、原理分析、结构形式和功能参数选择等工作。同时需要对整机的结构承力构件布置、承载形式和传力路线进行分析，选择合理的设计分离面和接口形式，以便明确划分各部件设计界面，保证总体设计的质量。 4）载荷分析与风电机组基本性能的预评估 在设计初期，必须对载荷作预评估，以准确确定风电机组的结构设计依据。风电机组应能够承受正常运行中的任何载荷，同时也具备一定的承受极端载荷的能力。最重要的载荷产生于风轮及其叶片，且风轮上的任何载荷都会对其他子系统产生影响。该阶段要注意查阅并依据相关设计标准，结合具体的风电机组运行工况要求，对所有载荷都应予以仔细分析评估。 5）各部件和子系统的设计方案 根据整机总体结构方案，开展包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构形式、参数及附件的选择等设计工作。设计有关部件的结构方案模型图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。 6）配套附件 选择和确定整机配套附件和备件等设备，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。提交协作及采购清单等有关文件。 总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重的进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有的重大反复，导致设计的失误和延期。 上述总体设计的各阶段属于静态设计，设计结果是：风电机组总体设计方案图、总体布置图和设计计算报告、风电机性能分析与载荷初步分析报告、各部件和子系统的初步技术要求与设计示意图、系统原理图。 （2）风电机结构动力学分析 在初步完成风电机组总体设计的基础上，需要进一步对风电机组动特性进行详细的分析。动特性分析属于风电机组结构动力学研究范畴，主要涉及动载荷分析、振动及结构动特性分析等方面的内容。 1）动载荷问题 作用于风轮叶片上的周期性气动和机械载荷会引起叶片等构件的动态响应，而此响应反馈于外部气动负荷。因此，这实质上是一种流固耦合响应问题，对风轮等零部件的疲劳会产生影响。同时，叶片等构件的动负载将合成为风轮的动负载，也是风电机振动的主要振源。 2）振动 风电机组的运行过程中，始终存在持续的周期性的振动，风轮、发电机、传动系统及其支撑结构等零部件的设计都必须考虑振动问题。振动会引起结构的损伤或破坏，影响设备的可靠性和可用性。 3）稳定性 风电机组载荷存在复杂的耦合关系，可能会导致各种动力稳定性问题的产生。在风电机组发展史上，运行中风轮与其他机体耦合的结构不稳定性问题造成了许多严重的后果。风轮的动力不稳定性，包括变距/挥舞不稳定性（经典颤振）、变距/摆振不稳定性及挥舞/摆振不稳定性等。 （3）风电机组的可靠性设计 风电机组可靠性量化指标，通常以其可利用率来度量。此种量化指标属于广义可靠性范畴，因其同时包括了风电机组可靠性和可维修性等方面的内容。因此，可利用率实际上是一种反应风电机组固有可靠性和运行管理可靠性的综合度量指标。 3.2 风力发电机传动链零件设计方案 （1）风电机组传动链部件结构方案设计 根据确定的总体传动布局、总体技术参数、设计载荷以及风电机传动链组的初步结构方案，开展子系统和部件具体结构的设计。 这些子系统或主要的部件有：包括主轴、联轴器、齿轮箱、制动装置 （2）设计准则 风电机组的零部件很多，相应的结构设计应根据具体的设计要求，参照合理的设计准则进行详细的设计与校核。其中，有些部件（或构件）应采用刚度设计、强度校核的准则；有些则应首先考虑强度要求，并进行必要的刚度分析。 （3）零部件强度与刚度分析 1）结构的极限强度设计 极限强度设计的基本准则是在极端载荷作用下，保证构件的应力不超过材料许用应力，避免发生静载破坏。对于载荷的波动情况，一般需要通过增加许用安全系数加以解决。 2）构件刚度分析 构件刚度一般是指其抵抗变形的能力，包括在动载荷和静载荷作用的刚度。实际上，构件的刚度分析与强度设计有密切联系，应根据主要构件的具体工况条件和设计要求，考虑合理的刚度指标，并结合强度分析使设计达到优化。 3）结构疲劳强度设计 疲劳破坏是影响承受交变载荷构件的设计寿命的主要失效形式之一。有鉴于风电机组的循环和随机载荷作用条件，许多构件容易发生疲劳失效。因此，需要详细分析主要零部件在风电机组寿命期内的循环应力值和循环次数。 4）零部件的工程详图设计 根据风电机组总体与部件结构设计方案，可以开展风电机组的工程详图设计根据主要构件的具体工作。设计中需要解决设备总体和零部件的装配、加工等具体技术问题，提供详细的设计技术文件，形成设备制造工程的基础。 4.风力发电机增速器的设计计算 传动装置是大多数机器的主要组成部分。传动件及传动装置设计是否合理、 制造和装配质量是否符合要求，将成为决定产品质量的关键。传动可以分为机械传动、流体传动和电传动三类。而机械传动按其工作原理分为啮合传动与摩擦传动，具体分为链传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动四类。根据风力发电机组传动特点和工作环境要求，一般均选择齿轮传动。 齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动形式。其主要优点是：具有瞬时传动比恒定、可靠性高、寿命长、结构紧凑。齿轮传动分为开式、半开式和闭式三种传动方式。由于风力发电机工作环境恶劣，一般采用闭式传动以满足润滑要求。 增速器是指安装在原动机与工作机之问独立的闭式传动装置，用于增加转速应相应减小转矩。增速器是风力发电机组的重要组成部分，它承担了调速、改变运动形式、动力和运动的传递和分配等功能。考虑到风力发电机要求传动比大、结构紧凑、效率高等特点，本文采用两级行星齿轮传动加一级平行轴斜齿轮传动的结构形式。 4.1传动方案的确定 风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表3-7。 表4-1 常用风力发电机组增速箱的形式和应用 传递形式 传动简图 推荐传动比 特点及应用 两 级 圆 柱 齿 轮 传 动 展开式 结构简单，但齿轮箱对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大刚度。高速级齿轮布置在原理转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭转变形可部分抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均现象，用于载荷比较平缓场合。高速级一般做成斜齿，低速级可做成直齿 分流式 结构复杂，但由于齿轮箱对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀、轴承受载较均匀，中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半，适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿 同轴式 减速器横向尺寸较小，两对齿轮浸入油中深度大致相同，但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，使沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难于充分利用 同轴分流式 每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半，输入轴和输出轴只承受转矩，中间轴只受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小 1500kw风电增速箱由于功率大，大转矩的特点，通常采用功率分流的行星传动。常见结构有：两级平行轴加一级行星和一级平行轴加两级级行星传动两种形式。本文采用的是平行轴与行星轮系混合式齿轮箱。 4.2增速器基本设计要求及设计步骤 增速器齿轮箱的主要设计要求如表4-2所示。 额定功率 1500kW 增速比 52-72 输出转速 1400-1600r/min 输入转速 24-35r/min 分度圆压力角 20° 模数 5-15 表4-2 原始设计要求 增速器设计步骤： (1)根据传动装置的使用要求及工作特点确定传动形式为行星齿轮传动。 (2)确定行星传动的结构形式和选择传动方案。 (3)根据选定的电机的输入速度和经过减速机构减速后的输出速度，确定出这个减速机构的传动比范围。 输入转度：27.854rpm 增速机构增速后的输出速度：1544.1rpm 根据减速装置的用途和工作特点，传动形式定位两级定轴传动+单级行星传动，行星传动的结构形式确定为：单级2K-H（NWG）型行星传动机构。确保其稳定性，行星轮数目为3，其传动比范围为：。由此，初定传动比分配情况如下： 第一级行星传动：=2.9545 第二级行星传动：=3.6315 第三级定轴传动：=5.1667 4.3传动原理图 目前，国内生产的增速箱主要采用2K—H(KGW)型行星传动，行星架为输入端，太阳轮为输入端。其具有如下优点： (1)行星架采用焊接结构，工艺简单，重量较轻。 (2)动力由行星轮系系杆输入，刚性好，符合风力发电机受力大、转矩大的特点。 (3)高速级和低速级分别采用行星架浮动和太阳轮浮动，简化了结构，使得结构更加的紧凑，均载效果好。 考虑到1500kW风力发电机大功率，结构紧凑、高可靠性等特点，本文采用的传动形式如图4-1 图4-1 1500kW风力发电机组增速箱传动简图 增速器传动结构分为三级，第一级为行星轮系，第一级行星架为输入端，由第一级太阳轮传递至第二级行星齿轮平行轴轮系传动；第三级采直齿轮传动，直接与电机相联。此传动方案具有如下优点： (1)低速级为行星传动，效率高，体积小，重量轻，结构简单，传递功率范围大，成功实现了功率分流，轴向尺寸小，采用行星轮浮动，均载效果好，实现了大传动比； (2)高速级为平行轴圆柱直齿轮传动，合理分配了传动比，实现了平稳输出，降低了振动。 4.4增速器各传动部件的材料及力学性能 由于风力发电机组具有工作环境恶劣、受力情况复杂等特点。因此，与一般传动机构相比，除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下的一些机械特性，如低温抗脆性、低膨胀收缩率等。对于传动部件而言，一般情况下不采用分体式结构或者焊接结构，齿轮毛坯尽可能采用轮辐轮缘整体锻件形式以提高承载能力。齿轮采用优质合金钢锻造制取毛坯己获得良好的力学特性。表3-9列出本文所设计的增速器各传动部件的材料及力学性能。 表4-3 各传动部件材料及力学性能 传动件 材料 热处理 接触强度 （MPa） 弯曲强度 （MPa） 加工精度 太阳轮 20CrMnTi 渗碳淬火，齿面硬度56≥60HRC 1500 480 磨齿5级 行星轮 内齿圈 42CrMn 调质，齿面硬度HBS≥260 720 320 插齿6级 直齿轮 20CrMnTi 渗碳淬火，齿面硬度56≥60HRC 1500 480 磨齿5级 4.5第一级行星轮系传动设计 计算齿轮基本参数 根据初定条件 即 尽可能取质数， 则 计算： 计算并初选： 初选 预计啮合角 校验行星轮齿装配条件： 同心条件 为了保证中心轮和行星架轴线重合，各对啮合齿轮间的中心距必须相等。而对于角度变位传动，应为 装配条件 由于各行星轮必须均布于中心齿轮之间。为此，各齿轮齿数与行星轮个数必须满足装配条件，否则，会出现行星齿轮无法装配的情况。 单排2K-H行星传动的装配条件为：两中心轮的齿数之和应为行星轮数目的整数倍。 即 （整数） 邻接条件 保证相邻两行星轮的齿顶不相碰 即 根据以上条件，初选模数为10mm，按照技术要求查阅相关手册，确定第一级行星轮系具体参数如表3-10。 表4-4 第一级行星轮系参数 齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角 第一级 中心轮 24 10 0 260 215 240 0° 行星轮 38 10 0 400 355 380 0° 内齿圈 100 10 0 980 1025 1000 0° 4.6 第二级行星轮系传动设计 装配条件与第一级行星轮系相同。 按照技术要求查阅相关手册，确定第二级行星轮系的参数，具体参数如表3-11所示。 表4-5 第二级行星轮系传动设计 齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角 第二级 中心轮 24 10 0 360 315 240 0° 行星轮 36 10 0 500 455 380 0° 内齿圈 120 10 0 1080 1225 1000 0° 4.7第三级平行轴圆柱直齿轮设计 齿数分配如下： =70 =33 具体参数如表3-12。 表4-6 第三级平行轴直齿轮参数 齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角 第三级 直齿轮一 65 6 0 302 285 290 0° 直齿轮二 22 6 0 144 117 132 0° 标准中心距a=422mm 4.8行星齿轮具体结构的确定 太阳轮的结构 为便于轴与齿轮之间的连接，本文将太阳轮制成齿轮轴的形式，并利用鼓形渐开线花键实现与上一级行星架的连接，可使中心轮在一定范围内轻微摆动，实现均载。 图4-2 太阳轮机构 太阳轮的结构如图3-5所示 行星轮的结构 由于风力发电机传动比较大，故本文中采取轴承安装在行星齿轮轴孔内的方式，以减小传动的轴向尺寸，并使装配结构简化。当一般壁厚度3m（m为模数）时，为改善轴承受力情况，应使行星轮孔内两个轴承之间的距离最大，这样的装配形式也可使载荷沿齿宽方向分布均匀。在行星轮孔内装一个双列调心滚子轴承也可以减小载荷沿齿宽分布的不均匀性。由于行星轮载荷较大，本文中采用了安装两个双列调心滚子轴承的方式，行星轮结构如图3-6。 图4-3 行星轮结构 行星架的结构 行星架是行星传动中结构较复杂的一个重要零件。常用行星架有双臂整体式、双臂分离式和单臂式三种。毛坯一般采用铸造、锻造和焊接等方法。本设计中采用了双臂整体式，毛坯选用铸钢材料ZG340—640，这种结构具有良好刚性。 5主轴制动系统的研究 5.1 制动器的结构形式选择 机械制动在工作中是一种减慢旋转负载的制动装置。通常使用的机械制动器的分类如下。根据作用方式可以将机械制动分为气功、液压、电液、电磁和手动等形式。按工作状态制动器又可分为常闭式和常开式。常开式制动器只有在施加外力时 才能改变其松闸状态，使其紧闸。与此相反，常闭式制动器靠弹簧力的作用经常处于紧闸状态，运行时，需要再施加外力使制动器松闸。为保证安全制动，风机机组一般选常闭式制动器。 摩擦式制动器按其摩擦副的几何形状可分为鼓式、盘式和带式，以鼓式、盘式制动器应用最广泛。鼓式、盘式制动器的分类如下所示。 5.1.1 鼓式制动器的结构形式 鼓式制动器是最早形式的汽车制动器，当盘式制动器还没有出现前，它已经广泛用干各类汽车上与风力发电组的主轴上制动。鼓式制动器又分为内张型鼓式制动器和外束型鼓式制动器两种结构型式。内张型鼓式制动器的摩擦元件是一对带有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄，后者则安装在制动底板上，而制动底板则紧固在前桥的前梁或后桥桥壳半袖套管的凸缘上，其旋转的摩擦元件为制动鼓。车轮制动器的制动鼓均固定在轮鼓上。制动时，利用制动鼓的圆柱内表面与制动蹄摩擦路片的外表面作为一对摩擦表面在制动鼓上产生摩擦力矩，故又称为蹄式制动器。外束型鼓式制动器的固定摩擦元件是带有摩擦片且刚度较小的制