干貨 | 風電主齒輪箱主流設計技術路線

　　我國風電行業在政策的支持下發展迅速，但由于風力資源開發起步較晚，缺乏經驗積累的過程，經驗豐富的從業人員較少，大功率的風電齒輪箱更是主要依靠引進，故而依然在設計能力和經驗上和國外GE、RENK等具有豐富設計經驗的齒輪箱設計公司有著很大差距。近年來，由于海上風場相較于陸地風速更大且相對穩定，能夠獲得更高的經濟效益，風力發電設備向海上發展已成為風電行業發展的趨勢，但由于安裝、維修更為不便，施工難度及對風機設備可靠性的要求也隨之提高，所以風電機組也逐步向著增大單機容量、提高齒輪箱功率密度和可靠性方向發展。目前風電齒輪箱傳動系統的主流設計路線包含以下幾種。

　　應用于早期風機單機容量小于1MW的齒輪箱中，結構相對簡單且精度及制造難度都較低，二級平行軸傳動結構如圖1所示。該結構由于目前主流技術對齒輪箱單機容量越來越高的要求，已基本被淘汰。

圖1 二級平行軸傳動結構

　　該種結構主要分為一級行星輪系加兩級平行軸結構與兩級行星輪系加一級平行軸兩種，主要適用于1.5MW-3MW的風電機組，也是國內風電齒輪箱生產公司的主流產品結構。其結構如圖2所示。與兩級行星輪系加一級平行軸結構相比，由于采用一組平行軸傳動代替了一組行星輪系，一級行星輪系加兩級平行軸結構對軸承的承載能力要求有所降低，齒輪箱整體在可靠性方面有所提升，但在整體體積及重量上有所增加。為了實現較大的傳動比和功率密度，兩級行星輪系加一級平行軸結構則是采取兩組有行星架輸入轉矩并傳遞至太陽輪輸出額NGW行星輪系結構，該結構可以顯著的降低整體體積和重量，減小齒輪箱的直徑并提高其橫向比，但較為復雜的結構也給安裝及運維增加了一定的難度。

圖2 行星輪系與平行軸相結合的三級傳動結構

　　與一般的NGW型行星輪系不同，德國RENK公司所研發的行星輪系特點在于由外齒圈輸入轉矩，從而使行星齒輪定軸傳動，使軸承外圈可以與齒輪箱箱體固定，便于軸承的潤滑，大大的改善了軸承的工作環境。另外由于行星齒輪定軸轉動，有效的消除了NGW型行星輪系行星齒輪交變載荷的影響，提高了行星齒輪的可靠性。得益于該結構優秀的均載性能、結構緊湊及傳動比大的特點，RENK型齒輪箱通?？梢赃m用于2.5MW-5MW的風電機組，且由于結構特點，該結構的齒輪箱在維修方面十分方便，可以在塔上更換部件。其結構如圖3所示。不足之處在于該結構只有三個承重齒輪，需要兩級行星輪系之間相互抵消軸向力，因而在配齒時需要精密的計算，給加工制造及裝配增加了難度。

圖3 RENK型復合行星齒輪結構

　　GE公司的復合行星齒輪結構以第一季行星輪系的行星架為轉矩輸入點，與RENK公司的復合行星齒輪結構一樣，具有結構緊湊、傳動比大、均載性能優秀等特點并且消除了NGW型行星輪系行星齒輪交變載荷的影響，不足之處在于對潤滑系統的油路布置要求較高，其結構如圖4所示。

圖4 GE型復合行星齒輪結構

　　功率分流路線最具有代表性的是MAAG和BOSCH的齒輪箱，其結構如圖5所示。功率分流主要是指提高齒輪箱的功率密度，也就是在保證體積及重量不變的條件下提高齒輪箱的承載能力。這兩種功率分流結構都采用了差速的行星輪系，多采用外齒圈及太陽輪的浮動設計，有效的提高了機構的均載性能，且功率分流技術很好的將載荷分散到不同的齒輪上，從而降低單個齒輪所受載荷，顯著的減小了齒輪的尺寸以達到提高功率密度的目的。這項技術路線由于技術水平及成本等因素，主要適用于單機容量在3MW及以上的整裝風力發電機組。

 

圖5 MAGG式和BOSCH式功率分流技術路線