專利名稱:一種風(fēng)力發(fā)電增速箱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于機(jī)械制造領(lǐng)域,涉及到齒輪箱制造技術(shù),特別適用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。
背景技術(shù):
隨著能源短缺和生態(tài)環(huán)境的日益惡化,人們普遍認(rèn)識(shí)到了新能源發(fā)電技術(shù)的重要 性。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,各國(guó)紛紛出臺(tái)政策和稅收優(yōu)惠,鼓勵(lì)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展。為了改善風(fēng)電機(jī)組的性能、提高單機(jī)容量,世界各國(guó)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了大量的研究工 作。目前,世界上先進(jìn)的風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)主要集中在少數(shù)幾個(gè)國(guó)家,如丹麥、德國(guó)、西班牙 和美國(guó)等。近10年來(lái),全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量以近30%的年增長(zhǎng)率飛速發(fā)展,我國(guó)風(fēng)電裝 機(jī)容量增長(zhǎng)率是世界第一。兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為主流機(jī)型,如美國(guó)的主流機(jī) 型1.5MW,丹麥的主流機(jī)型(2.0 3.0)MW。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委規(guī)劃,我國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)也以 1. 5麗、2麗機(jī)型為主,1麗以下機(jī)型所占比重將逐漸降低。機(jī)型功率越大,經(jīng)濟(jì)效益、風(fēng)能利
用率越高。風(fēng)電裝備向大機(jī)型方向發(fā)展,需要研究新型的增速傳動(dòng)機(jī)理,需要在設(shè)計(jì)上發(fā)展 新的設(shè)計(jì)理念。德國(guó)已開發(fā)5兆瓦機(jī)型的增速箱。據(jù)資料,歐洲已在進(jìn)行8MW機(jī)型的概念 設(shè)計(jì),甚至已提出在2020年前開發(fā)2(MW機(jī)型的概念。增速箱安裝在頭部,體積大小均受到 極大的限制。1.5兆瓦齒輪箱重達(dá)5-6噸,機(jī)型塔高約70米。8兆瓦機(jī)型塔高可能就會(huì)達(dá) 到150-200米,過(guò)大過(guò)重的增速箱肯定是不合適的。大機(jī)型的發(fā)展趨勢(shì),要求我們改進(jìn)目前 機(jī)型(如1. 5兆瓦)的增速箱傳動(dòng)原理,研究適應(yīng)大機(jī)型的增速箱傳動(dòng)。齒輪箱是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率最高的部件之一。齒輪箱故障是世界 性的問(wèn)題,但我國(guó)風(fēng)電齒輪箱的故障率更高。有的風(fēng)場(chǎng)齒輪箱損壞率高達(dá)40% 50%,個(gè) 別品牌機(jī)組齒輪箱更換率接近100%。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)使用壽命至少20年,但風(fēng)場(chǎng)齒輪 箱在2-3年內(nèi)就要出故障。海上風(fēng)能資源豐富,海上風(fēng)電場(chǎng)正成為一個(gè)迅速發(fā)展的市場(chǎng)。 復(fù)雜的海上自然條件使得風(fēng)電機(jī)組的故障率更是居高不下,如世界最大的海上風(fēng)電場(chǎng)丹麥 Vestas風(fēng)電場(chǎng),海上風(fēng)電機(jī)組故障率超過(guò)70 %。根據(jù)近年的研究,發(fā)現(xiàn)齒輪箱故障主要有1)齒輪早期點(diǎn)蝕。在頻繁受到風(fēng)載變 化沖擊的情況下,齒輪的微動(dòng)磨損超過(guò)一般設(shè)計(jì)的預(yù)期,從而造成齒輪早期點(diǎn)蝕。2)軸承早 期損壞。軸承損壞的主要原因是系統(tǒng)的受力變形導(dǎo)致軸承內(nèi)外圈不再平行,滾子局部接觸 應(yīng)力過(guò)大。齒輪箱的高故障率,已嚴(yán)重影響到風(fēng)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。齒輪箱的故障率高,與風(fēng)電齒輪箱工作環(huán)境惡劣,載荷情況非常復(fù)雜密切相關(guān)。沖 擊載荷是導(dǎo)致齒輪早期點(diǎn)蝕、軸承早期損壞等故障的最重要的根源。沖擊載荷主要來(lái)源于 1)風(fēng)速的實(shí)時(shí)變化;2)在運(yùn)行過(guò)程中,需要經(jīng)常的進(jìn)行剎車(空氣動(dòng)力剎車),以保證風(fēng)速 不大于額定風(fēng)速;3)電網(wǎng)突然掉電時(shí)的緊急制動(dòng)。瞬時(shí)的沖擊載荷將可能大大超過(guò)額定載 荷。1.5兆瓦主力機(jī)型風(fēng)力機(jī)單個(gè)葉片長(zhǎng)34 37m,每片重達(dá)6t。2. 5/3. 0兆瓦單個(gè)葉片 長(zhǎng)度達(dá)到50m。3個(gè)的葉片對(duì)增速箱產(chǎn)生的沖擊載荷是十分巨大的。減少?zèng)_擊載荷對(duì)增速箱的影響,就可以降低增速箱的故障率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在有效的降低沖擊載荷對(duì)風(fēng)電增速箱的影響,降低風(fēng)電增速箱齒輪、軸 承所受沖擊載荷,從而降低風(fēng)電增速箱的故障率,提高其工作壽命和可靠性。通過(guò)載荷輸入 分流,提高增速箱齒輪、軸承等的承載能力,減少齒輪箱的體積。本發(fā)明適合兆瓦級(jí)的新一 代風(fēng)電增速箱傳動(dòng)。葉片直徑70-100米,單個(gè)葉片可以重達(dá)6t。由于風(fēng)載的隨機(jī)性或陣風(fēng),葉片所受 的載荷是變化的。通常需要空氣動(dòng)力學(xué)剎車(改變?nèi)~片角度),使轉(zhuǎn)速限定在允許的范圍 內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí),或在電網(wǎng)突然掉電時(shí),均需緊急制動(dòng)。上述因素將導(dǎo)致葉片產(chǎn) 生巨大的沖擊載荷,施加到增速箱上。沖擊載荷是導(dǎo)致增速箱故障的主要根源。減少?zèng)_擊 載荷對(duì)增速箱的影響,就可以降低增速箱的故障率。目前兆瓦級(jí)增速箱一般采用一級(jí)行星加二級(jí)平行軸,其葉片的扭矩傳給第一級(jí)齒 輪,再傳給第二級(jí),再傳給第三級(jí)。第一級(jí)齒輪速度最低,扭矩最大。第一級(jí)行星齒輪必須 完全承受來(lái)自葉片的巨大扭矩。本發(fā)明提出基于載荷分流的理念,來(lái)設(shè)計(jì)兆瓦級(jí)風(fēng)電發(fā)動(dòng)機(jī)增速箱傳動(dòng)。其關(guān)鍵 技術(shù)是葉片的扭矩同時(shí)傳給第一級(jí)齒輪和第二級(jí)齒輪,由第一級(jí)齒輪和第二級(jí)齒輪同時(shí)承 受來(lái)自葉片的巨大扭矩,必然可以提高承載能力,使結(jié)構(gòu)變得更緊湊。在增速箱傳動(dòng)設(shè)計(jì)中 尚無(wú)實(shí)踐。本發(fā)明提出一種兆瓦級(jí)風(fēng)電增速箱。采用二級(jí)行星傳動(dòng),一級(jí)平行軸的方案,可以 實(shí)現(xiàn)第一級(jí)齒輪和第二級(jí)齒輪同時(shí)承擔(dān)葉片的扭矩,可以實(shí)現(xiàn)載荷分流。本發(fā)明可以提高 承載能力,使結(jié)構(gòu)變得緊湊,使其適合超大機(jī)型風(fēng)電發(fā)動(dòng)機(jī)的增速箱傳動(dòng)。在合理選擇參數(shù) 后,增速范圍可在風(fēng)電增速箱要求的范圍,第二級(jí)行星傳動(dòng)可以承受總載荷的30%。本發(fā)明提出注入彈性阻尼形成附加自由度,減少載荷沖擊的影響。彈性阻尼注入 形成附加自由度的結(jié)構(gòu)方案可以有多種,可以施加在軸上、殼體上,或單獨(dú)的部件。本發(fā)明通過(guò)附加自由度,改變系統(tǒng)特性,降低系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)沖擊載荷。葉片增速箱 系統(tǒng)具有η個(gè)自由度,通過(guò)注入彈性和阻尼,附加1個(gè)自由度,使系統(tǒng)具有η+1個(gè)自由度。當(dāng) 自由度數(shù)由η改變?yōu)棣?1后,慣性矩陣[Μ]、彈性矩陣[K]、阻尼矩陣[C]均將發(fā)生變化,引 起系統(tǒng)內(nèi)部特性將變化,特別是系統(tǒng)中的耦合影響將變化。反映在慣性矩陣[Μ]、彈性矩陣 [K]、阻尼矩陣[C]中,就是Ki.pMijUi Φ j)將變化,也將引起系統(tǒng)內(nèi)部力的傳遞發(fā)生 變化。對(duì)風(fēng)電齒輪箱系統(tǒng)來(lái)講,通過(guò)適當(dāng)?shù)淖兓梢杂心康牡臏p少系統(tǒng)內(nèi)作用在齒輪等薄 弱部件上的力。當(dāng)不考慮阻尼時(shí),可以初步導(dǎo)出附加自由度后作用在齒輪箱上的沖擊力矩和注入 彈性與阻尼處的基點(diǎn)位移
(1) 式中Ι為沖量J1,J2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
由式⑴可分析得出,當(dāng)無(wú)附加自由度,K02剛度為⑴,沖擊力矩為
。必然滿足Tlm < T100,說(shuō)明附加自由度可以減少?zèng)_擊的影響。沖擊力矩
Tlm減少的幅度大小取決于ωη1/ωη2。據(jù)初步的計(jì)算分析,通過(guò)優(yōu)化參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)Tlm降低 30%。式(1)也表明了剛度K02減小,Tlm可以減少,但最大變形δ1ω就增加。附加自由度 參數(shù)需保證最大變形δ lm、最大扭矩Tlm和最大加速度%均小于所注入彈性允許的最大變 形δ a、最大扭矩Ta和最大加速度舉,速度增量叱應(yīng)大于或等于預(yù)定的速度階躍量蜷。實(shí)際系統(tǒng)是必然存在阻尼的??紤]阻尼時(shí),作用在齒輪箱上的沖擊力矩和基點(diǎn)位 移的解析解將十分復(fù)雜,但可以求出數(shù)值解。阻尼對(duì)沖擊力矩和響應(yīng)的影響是非線性的。在 小阻尼比時(shí),振動(dòng)加速度隨阻尼增加而減小。在較大阻尼時(shí),在小阻尼比時(shí),加速度隨阻尼 增加而減小。加速度隨阻尼增加而增大。
四
圖1是本發(fā)明風(fēng)電增速箱結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是本發(fā)明風(fēng)電增速箱原理示意圖;圖3是注入彈性與阻尼結(jié)構(gòu)圖;圖4是彈性與阻尼單元示意圖。如圖所示,其中1為中心軸,2、8、16為軸承,3為外殼,4、12、15、17為齒輪,5、11為 行星齒輪,6、10為內(nèi)齒圈,7、9為行星齒輪架,13、14、18為齒輪軸,19為彈性元件,20為阻尼元件。
五、實(shí)施例下面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明專利的安裝和使用做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的一種風(fēng)力發(fā)電增速箱,包括齒輪、行星齒輪、內(nèi)齒圈、軸承和齒輪軸,增速 箱采用二級(jí)行星傳動(dòng)和一級(jí)平行軸,齒輪4、行星齒輪5、內(nèi)齒圈6、軸承2和齒輪軸18組成 第一級(jí)行星齒輪傳動(dòng),齒輪17、行星齒輪11和內(nèi)齒圈10組成第二級(jí)行星齒輪傳動(dòng),齒輪 12、齒輪15、軸承16和齒輪軸13,14為平行軸齒輪傳動(dòng),中心軸1、行星齒輪架7與內(nèi)齒圈 10相聯(lián)為一體,齒輪4與行星齒輪架9相聯(lián)為一體。增速箱元件之間有彈性元件19和阻尼 元件20,彈性元件為彈簧、圓形彈性或彈性機(jī)構(gòu)。第一級(jí)齒輪和第二級(jí)齒輪同時(shí)承擔(dān)葉片的扭矩,可以實(shí)現(xiàn)載荷分流。本發(fā)明可以 提高承載能力,使結(jié)構(gòu)變得緊湊,使其適合超大機(jī)型風(fēng)電發(fā)動(dòng)機(jī)的增速箱傳動(dòng)。在合理選擇 參數(shù)后,增速范圍可在風(fēng)電增速箱要求的范圍,第二級(jí)行星傳動(dòng)可以承受總載荷的30%。本 發(fā)明提出注入彈性阻尼形成附加自由度,減少載荷沖擊的影響。彈性阻尼注入形成附加自 由度的結(jié)構(gòu)方案可以有多種,可以施加在軸上、殼體上,或單獨(dú)的部件,可以是一處或是多 處。
權(quán)利要求
一種風(fēng)力發(fā)電增速箱,包括齒輪、行星齒輪、內(nèi)齒圈、軸承和齒輪軸,其特征在于增速箱采用二級(jí)行星傳動(dòng)和一級(jí)平行軸,齒輪4、行星齒輪5、內(nèi)齒圈6、軸承2和齒輪軸18組成第一級(jí)行星齒輪傳動(dòng),齒輪17、行星齒輪11和內(nèi)齒圈10組成第二級(jí)行星齒輪傳動(dòng),齒輪12、齒輪15、軸承16和齒輪軸13,14為平行軸齒輪傳動(dòng),中心軸1、行星齒輪架7與內(nèi)齒圈10相聯(lián)為一體,齒輪4與行星齒輪架9相聯(lián)為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)力發(fā)電增速箱,其特征在于增速箱元件之間有彈性元 件19和阻尼元件20,彈性元件為彈簧、圓形彈性或彈性機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電增速箱。該風(fēng)力發(fā)電增速箱采用二級(jí)行星傳動(dòng)和一級(jí)平行軸,齒輪4、行星齒輪5和內(nèi)齒圈6組成第一級(jí)行星齒輪傳動(dòng),齒輪17、行星齒輪11和內(nèi)齒圈10組成第二級(jí)行星齒輪傳動(dòng),齒輪12和齒輪15為平行軸齒輪傳動(dòng),中心軸1、行星齒輪架7與內(nèi)齒圈10相聯(lián)為一體,齒輪4與行星齒輪架9相聯(lián)為一體??墒沟谝患?jí)齒輪和第二級(jí)齒輪同時(shí)承擔(dān)葉片的扭矩,實(shí)現(xiàn)載荷分流。增速箱元件之間設(shè)有彈性元件和阻尼元件,注入彈性阻尼形成附加自由度,進(jìn)一步減少載荷沖擊的影響。本發(fā)明可以減少?zèng)_擊振動(dòng),降低故障率,提高壽命,特別適用于風(fēng)力發(fā)電增速箱。
文檔編號(hào)F16F15/12GK101881319SQ20101021194
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者王勇 申請(qǐng)人:山東大學(xué)