萬(wàn)保庫(kù)，關(guān)雪松，張芹

（華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，北京 100872）

0 引言

近年來(lái)，隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，5MW、6MW功率等級(jí)的大型風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化能力，8MW功率等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組已完成樣機(jī)研制，正在進(jìn)行調(diào)試工作，10MW功率等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組正在研發(fā)[1-3]。這些風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈有傳統(tǒng)的高速比齒輪箱匹配雙饋發(fā)電機(jī)形式，如Repower的5MW、6MW風(fēng)電機(jī)組和華銳風(fēng)電5MW、6MW風(fēng)電機(jī)組。也有中速比齒輪箱匹配中速永磁發(fā)電機(jī)的緊湊型傳動(dòng)鏈，這種緊湊型傳動(dòng)鏈的發(fā)電機(jī)不再通過(guò)聯(lián)軸器齒輪箱，而是通過(guò)法蘭直接連接到齒輪箱后部[4-5]，如Winergy 3MW機(jī)組、Gamesa 5MW機(jī)組、Vestas 8MW機(jī)組和Romax 10MW機(jī)組等。由于緊湊型傳動(dòng)鏈與傳統(tǒng)傳動(dòng)鏈的形式不同，其支承方式也有特別之處。

1 緊湊型傳動(dòng)鏈及其支承方案

傳統(tǒng)高速比齒輪箱匹配雙饋發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的支承方案通常是采用齒輪箱輸入軸懸掛支承，緊湊型傳動(dòng)鏈的形式有別于傳統(tǒng)傳動(dòng)鏈，其支承方案也具有特點(diǎn)。緊湊型傳動(dòng)鏈采用中速比齒輪箱匹配中速永磁發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)不再通過(guò)聯(lián)軸器連接齒輪箱，而是通過(guò)法蘭直接連接到齒輪箱后部。針對(duì)這種情況，緊湊型傳動(dòng)鏈的支承方案有兩種方式，分別是兩處柔性支承和箱體懸掛支承方案。傳統(tǒng)傳動(dòng)鏈如圖1所示，兩處柔性支承緊湊型傳動(dòng)鏈如圖2所示，箱體懸掛支承緊湊型傳動(dòng)鏈如圖3所示。

圖1 Repower 5MW機(jī)組

圖2 Winergy 3MW機(jī)組

圖3 Vestas 8MW機(jī)組

緊湊型傳動(dòng)鏈不再采用傳統(tǒng)傳動(dòng)鏈的支承方案，原因在于發(fā)電機(jī)與齒輪箱直接連接，造成緊湊型傳動(dòng)鏈的支承重量比傳統(tǒng)傳動(dòng)鏈大，處于后部的發(fā)電機(jī)又有旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，會(huì)加劇整個(gè)傳動(dòng)鏈的振動(dòng)，影響傳動(dòng)鏈的可靠性。所以傳統(tǒng)的支承方案已不再適用于緊湊型傳動(dòng)鏈，它需要能夠提供更好支承剛度和可靠性的兩處柔性支承或箱體懸掛支承方案。

1.1 緊湊型傳動(dòng)鏈的兩處柔性支承方案

緊湊型傳動(dòng)鏈的兩處柔性支承是在齒輪箱的輸入軸和箱體兩處柔性支承，即齒輪箱的輸入軸與主軸處、箱體與底座處均采用圓周均布的彈性單元連接。箱體的支承位置在第一級(jí)齒圈后部，距重心的距離大概是傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度的十分之一。傳動(dòng)鏈相當(dāng)于有兩個(gè)支承點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型。

以3MW機(jī)組為例，緊湊型傳動(dòng)鏈的整體直徑在Φ2.1m左右，整體長(zhǎng)度一般在3m左右，約重35t，重心距輸入軸前端面的距離約為總長(zhǎng)的一半，大概1.5m左右，輸入軸的外徑約Φ1m，內(nèi)徑約Φ0.76m。

1.1.1 緊湊型傳動(dòng)鏈采用傳統(tǒng)輸入軸懸掛支承的載荷與變形分析

緊湊型傳動(dòng)鏈采用傳統(tǒng)的輸入軸懸掛支承，相當(dāng)于懸臂梁的力學(xué)模型[6]，輸入軸的載荷是傳動(dòng)鏈的自重G1及自重產(chǎn)生的彎矩M1，輸入軸的載荷計(jì)算見(jiàn)公式（1）、（2），力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

緊湊型傳動(dòng)鏈由齒輪箱和發(fā)電機(jī)共同構(gòu)成，軸向的尺寸、材料和質(zhì)量分布都在變化，整體剛度難以計(jì)算，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，將傳動(dòng)鏈以輸入軸的尺寸和材料進(jìn)行簡(jiǎn)化，當(dāng)作材料均布的懸臂梁，雖然存在誤差，但是可以說(shuō)明問(wèn)題。假設(shè)懸臂梁的外徑D是Φ1m、內(nèi)徑d是Φ0.76m，長(zhǎng)度l1是3m，彈性模量E是205000N/mm2。傳動(dòng)鏈尾部的撓度計(jì)算見(jiàn)公式（3）、公式（4）[7]，力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

1.1.2 緊湊型傳動(dòng)鏈采用兩處柔性支承的載荷與變形分析

緊湊型傳動(dòng)鏈采用兩處柔性支承，相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁的力學(xué)模型，輸入軸和箱體處的載荷是傳動(dòng)鏈的自重G1及自重產(chǎn)生的彎矩M2，見(jiàn)公式（5）—（7），力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

傳動(dòng)鏈依然采用上面的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)材料均勻分布的簡(jiǎn)支梁外徑是DΦ1m、內(nèi)徑d是Φ0.76m，長(zhǎng)度l1是3m，第一支點(diǎn)A在前端，第二支點(diǎn)B在1m處，彈性模量E是205000N/mm2。傳動(dòng)鏈尾部的撓度計(jì)算見(jiàn)公式（8）—（13），力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

由l2段在截面B產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角θ11

由l3段在截面B產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角θ12

截面B處的轉(zhuǎn)角θ1

截面B處的轉(zhuǎn)角θ1引起C處的撓度f(wàn)21

由l3段在C處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角f22

傳動(dòng)鏈尾部C處的撓度f(wàn)2

由以上分析可知，緊湊型傳動(dòng)鏈采用兩處柔性支承，齒輪箱輸入軸上只有剪力Q2=143 KN。若采用傳統(tǒng)的輸入軸懸掛支承，輸入軸上的載荷有剪力Q3=343 KN和彎矩M2=514.5KNm，是兩處柔性支承輸入軸的剪力Q2的2.4倍，還有相當(dāng)于剪力Q2作用在3.6m外的彎矩M2。此外，緊湊型傳動(dòng)鏈若采用傳統(tǒng)的輸入軸懸掛支承其尾部的撓度約是0.173mm，而采用兩處柔性支承時(shí)其撓度約是0.05mm，緊湊型傳動(dòng)鏈的剛度是傳統(tǒng)的3.5倍。

可見(jiàn)，緊湊型傳動(dòng)鏈采用兩處柔性支承時(shí)齒輪箱輸入軸的載荷比采用傳統(tǒng)輸入軸懸掛支承時(shí)的載荷簡(jiǎn)單，由原來(lái)的扭轉(zhuǎn)、剪力、彎矩三種載荷減少到扭轉(zhuǎn)和剪力兩種載荷，而且剪力載荷減少到不足原來(lái)的一半，第一級(jí)行星組及其軸承的受力狀態(tài)得到較好的改善[8]。同時(shí)兩處柔性支承的剛度比輸入軸懸掛支承的剛度提高了2.5倍，有效減小了傳動(dòng)鏈的振動(dòng)，提高了其可靠性。

1.2 緊湊型傳動(dòng)鏈的箱體懸掛支承方案

緊湊型傳動(dòng)鏈的箱體懸掛支承是齒輪箱的箱體通過(guò)法蘭連接到軸承座或底座處，齒輪箱輸入軸與主軸處采用補(bǔ)償式連接，相當(dāng)于箱體懸掛支承，可以簡(jiǎn)化為懸臂梁力學(xué)模型。

以5MW機(jī)組為例，緊湊型傳動(dòng)鏈的整體直徑在Φ2.7m左右，整體長(zhǎng)度一般在4m左右，約重75t，重心距輸入軸前端面的距離約為總長(zhǎng)的一半，大概2m左右，箱體壁厚約0.09m，輸入軸外徑約Φ1.43m，內(nèi)徑約Φ1.23m。

1.2.1 緊湊型傳動(dòng)鏈采用箱體懸掛支承的載荷分析

緊湊型傳動(dòng)鏈采用箱體懸掛支承或輸入軸懸掛支承，都相當(dāng)于懸臂梁的力學(xué)模型，箱體或輸入軸的載荷都是傳動(dòng)鏈的自重G4及自重產(chǎn)生的彎矩M3，見(jiàn)公式(14)、公式(15)，力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖4 傳統(tǒng)輸入軸懸掛的力學(xué)簡(jiǎn)圖

圖5 傳統(tǒng)輸入軸懸掛的變形圖

圖6 兩處柔性支承的力學(xué)簡(jiǎn)圖

圖7 兩處柔性支承的變形圖

1.2.2 緊湊型傳動(dòng)鏈采用箱體懸掛支承的變形分析

緊湊型傳動(dòng)鏈依然采用上面的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，當(dāng)采用輸入軸懸掛支承時(shí)，將傳動(dòng)鏈以輸入軸的尺寸和材料簡(jiǎn)化成材料均布的懸臂梁；當(dāng)采用箱體懸掛支承時(shí)，將傳動(dòng)鏈以箱體的尺寸和材料簡(jiǎn)化成材料均布的懸臂梁。

以輸入軸的尺寸和材料簡(jiǎn)化的懸臂梁，假設(shè)懸臂梁的外徑D是Φ1.43m、內(nèi)徑d是Φ1.23m，長(zhǎng)度l4是4m，彈性模量E是205000N/mm2。傳動(dòng)鏈尾部的撓度計(jì)算見(jiàn)公式(16)、(17)，力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖9所示。

以箱體的尺寸和材料簡(jiǎn)化的懸臂梁，假設(shè)懸臂梁的外徑D是Φ2.7m、內(nèi)徑d是Φ2.52m，長(zhǎng)度l4是4m，彈性模量E’是169000N/mm2。傳動(dòng)鏈尾部的撓度計(jì)算見(jiàn)公式（18）、公式（19），力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖9所示。

由以上分析可知，緊湊型傳動(dòng)鏈采用輸入軸懸掛支承時(shí)輸入軸承受了傳動(dòng)鏈的自重及自重產(chǎn)生的彎矩，而箱體懸掛支承時(shí)，箱體承受了傳動(dòng)鏈的自重及自重產(chǎn)生的彎矩，其輸入軸與主軸采用補(bǔ)償式連接，所以通過(guò)輸入軸進(jìn)入齒輪箱的載荷基本是純扭矩，齒輪箱的載荷簡(jiǎn)單。此外，緊湊型傳動(dòng)鏈若采用傳統(tǒng)的輸入軸懸掛支承其尾部的撓度約是0.309mm，而采用箱體懸掛支承時(shí)其撓度約是0.055mm，緊湊型傳動(dòng)鏈剛度是傳統(tǒng)的5.6倍。

可見(jiàn)，緊湊型傳動(dòng)鏈采用箱體懸掛支承時(shí)，通過(guò)輸入軸進(jìn)入齒輪箱的載荷基本是純扭矩，齒輪箱載荷得到優(yōu)化，降低了齒輪箱的設(shè)計(jì)難度[8-10]，提高了齒輪箱的可靠性。同時(shí)箱體懸掛支承的剛度比輸入軸懸掛支承的剛度提高了4.6倍，大幅降低了傳動(dòng)鏈的振動(dòng)，提高了其可靠性。

2 結(jié)論

綜上所述，中速比齒輪箱匹配中速永磁發(fā)電機(jī)的緊湊型傳動(dòng)鏈的支承重量大，處于后部的發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)加劇整個(gè)傳動(dòng)鏈的振動(dòng)，影響傳動(dòng)鏈的可靠性。針對(duì)這些情況，突破傳統(tǒng)的齒輪箱輸入軸懸掛支承的方案，緊湊型傳動(dòng)鏈采用兩處柔性支承或箱體懸掛支承方案。

圖8 箱體或輸入軸懸掛的力學(xué)簡(jiǎn)圖

圖9 輸入軸或箱體懸掛的變形圖

當(dāng)采用兩處柔性支承時(shí)，齒輪箱的載荷得到優(yōu)化，其輸入軸和第一級(jí)行星架上軸承的受力狀態(tài)得到較好的改善，同時(shí)傳動(dòng)鏈的支承剛度得到了有效提高。當(dāng)采用箱體懸掛支承時(shí)，齒輪箱的載荷得到更好的優(yōu)化，基本只有扭矩，降低了齒輪箱的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)傳動(dòng)鏈的剛度得到大幅提高。總之，這兩種支承方案都可以為緊湊型傳動(dòng)鏈優(yōu)化載荷，提供更好的支承剛度，有效降低振動(dòng)，提高其可靠性。

[1] Angelika Pullen, Liming Qiao, Steve Sawyer.Global wind 2008 report[R].2008.

[2] Aloys Wobben.WINDBLATT[Z].ENERCON GmbH, 2007.

[3] The WINDPOWER.Turbines list[EB/OL].

[4] 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì).大功率風(fēng)電機(jī)組技術(shù)現(xiàn)狀及展望[D].2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文（風(fēng)能）,2011.

[5] G.Bywaters, V.John, etc.Northern Power Systems WindPACT Drive Train Alternative Design Study Report[R].2005.

[6] 成大先,等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第一卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[7] 劉鴻文,等.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2011.

[8] 宣安光.對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的探討[J].電氣制造, 2010（3）:29-35.

[9] Engineering a 10MW Gearbox for Reliable Offshore Operation-European Wind Energy Conference 2010 (Warsaw) Track: NEW CONCEPTS FOR ONAND OFFSHORE Thursday, 22nd April 2010.

[10] Improving Wind Turbine Gearbox Reliability W.Musial and S.Butterfield National Renewable Energy Laboratory, B.McNiff McNiff Light Industry,Conference Paper NREL/CP-500-41548 May 2007.