在风电齿轮箱设计标准方面,由于风电齿轮箱容量的发展,零部件的设计标准已经不能适应大功率化的要求, 大功率齿轮箱的最新经验对新标准的发展起到了重要作用。备受关注的IEC61400-4已经公布, 从中国风能协会主办的讲座上获知,IEC61400 - 4 参考了新的标准,在有些被证明非常重要的章节增加了内容, 相对于ISO81400-4,增加了不同传动链形式的细节,考虑了更多的失效情况,在载荷计算的步骤上增加了更多信息,考虑了特殊运行状态进行设计,使载荷情况能覆盖所有运行条件。相对于GL Guideine,IEC61400-4 增加了背景信息,比GL要求的条件更严格。可以预见,随着相关设计标准的公布,风电齿轮箱设计技术将随之进一步发展。
2 风电齿轮箱主流技术路线综述
为了减小风电齿轮箱的体积和重量, 总体上讲,500KW ~ 2500KW齿轮箱目前最常见的是两级平行轴加一级行星或两级行星加一级平行轴两种结构,2.5MW 以上的齿轮箱通常采用功率分流或柔性轴等技术。
根据不同的评判标准可以将风电齿轮箱所采用的技术路线划分为不同的类型:从采用的不同齿轮类型角度可将风电齿轮箱划分为平行轴技术路线和行星轮技术路线;从采用不同的设计理念角度可划分为传统技术路线、功率分流技术路线、柔性轴技术路线以及采用功率分流与柔性轴相结合的“融合技术路线”;还有一类即是从外形尺寸上可将齿轮箱大致划分为短粗型如RENK 齿轮箱,和细长型如BOSCH 齿轮箱。[3]
2.1 传统圆柱齿轮技术路线
该技术路线在早期的兆瓦级以下的风电机组中多有应用,比如两级或多级平行轴式,如图1。但由于该类型齿轮箱技术路线不适用于兆瓦级以上的风力发电机组的需要,因此,在近几年大兆瓦级的齿轮箱应用中,已将该结构淘汰,本文不作为重点。
2.2 行星轮系与平行轴相结合的三级式技术路线
此技术路线的主流布局是一级行星加两级平行轴或两级行星加一级平行轴两种结构,是目前国内产量最大和应用范围最广的齿轮箱。国内多家风电齿轮箱生产厂家均以此种技术路线为主流产品。
该技术路线的特点是采用功率串联的三级定速比传动。由于该技术路线自身的最大容量有一定的限制,因此不能满足未来不断增大的风电机组容量的需求。该类技术路线目前大多用于1.5MW ~ 2.5MW 的风电机组 2.3 复合行星齿轮技术路线
该技术路线的典型布局是德国RENK 公司的齿轮箱,国内多家齿轮箱厂已引进了该技术,但目前还没有在国内风场大规模应用。
该技术路线的特点是:第一,两级行星轮的行星销轴可以轴向浮动,有利于整个机构的均载;第二,轴承是风电齿轮箱中最薄弱的零件之一,采用固定轴式的行星传动,这意味着齿轮箱中的轴承将是固定不动的,便于对轴承进行强制润滑,避免齿轮箱中轴承的失效风险;第三,由于第一级行星传动的内齿圈与箱体分离,因此,此种结构可以有效地减小第一级齿轮传动所产生的振动;最后,由于该技术路线的结构特点,齿轮箱维修起来较其他齿轮箱技术路线更为便捷,可以从高速轴方向将内部零件全部抽出进行更换或维修。