风力发电机毕业论文分解

新能源论文

姓名：顾少鹏B13043531系：电气系

专业：电气工程及其自动化专业题目：风力发电机组齿轮箱设计

摘要

风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱，特别是兆瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术。因此，急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实现风机国产化目标。

本文设计的是兆瓦级风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数计算等对其配套的齿轮箱进行自主设计。

首先，确定齿轮箱的机械结构。选取一级行星派生型传动方案，通过计算，确定各级传动的齿轮参数。对行星齿轮传动进行受力分析，得出各级齿轮受力结果。依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。

其次，基于Pro／E参数化建模功能，运用渐开线方程及螺旋线生成理论，建立斜齿轮的三维参数化模型。

然后，对齿轮传动系统进行了齿面接触应力计算。先利用常规算法进行理论分析计算。关键词：风力发电，风机齿轮箱，结构设计

1.0引言

纵观社会的发展,科学技术作为第一推动力，当科学技术发展到足够的阶段时，将带

来人类社会突飞猛进的发展。这一事实，在二十世纪表现的越来越来越明显，这一推动力的作用越来越突出。

正当人们迈向二十一世界时，科学技术的长足进步，促使世界各地各类产业都进入了结构调整时期。结构调整与重组已使那些最传统、最垄断的行业也发生了人们难以预想到的变化。社会发展将在重大重组、大调整的过程中走向新时代。

从能源、电力产业看，二十世纪九十年代，世界能源、电力市场发展最迅速的已不再是石油、煤、天然气，太阳能发电、风力发电等可再生能源异军突起。全世界风力发电容量在1990年的200万KW，2009年一年内全球新增风力发电装机容量就已达到3750万，而截止到2011年3月7日，我国的风电装机总量有4182.7万千瓦，首次超越美国成为世界上第一风电大国。因此，就新能源、电力方面而言，二十一世纪将是可再生能源的世纪，能源、电力的开发利用将面临历史的变革。

我国资源与环境状况决定了二十一世纪中国能源资源的利用将走向风能时代。资源是人类社会赖以生存发展的物质基础，是可持续发展的客观条件。我国资源总量虽大，但人均居世界后列，是“资源小国”。在严峻的资源形势面前，我国不能以高消耗资源为代价换取经济高增长的模式。为实现可持续发展，适应世界发展趋势，能源产业尤其是电力产

业的发展必然选择风能等可再生能源和新能源。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2万亿千瓦，其中可利用的风能为200亿千瓦。中国可开发利用的风能资源有10亿千瓦，其中陆地2.5亿千瓦，现在仅开发了不到0.2%；近海地区有7.5亿千瓦，风能资源十分丰富。陆上风能资源丰富的地区主要分布在“三北”(东北、西北、华北)地区以及东南沿海地区。三北地区可开发利用的风力资源有2亿千瓦，占全国陆地可开发利用风能的79%。由此可见中国风力资源是十分丰富的，远远超过可开发的水电和火电资源量。

近年来随着风电机组单机容量的不断增大，以及风电机组的投行时间的逐渐累积，由齿轮箱故障或损坏引起的机组停运事件时有发生，由此带来的直接和间接损失也越来越大，因此对分离发电机组的维护保养十分重要。维护人员投入相关工作的工

作量也有上升趋势，这就促使越来越多的风电场开始加强齿轮箱的日常监测和定期保养工作。

风力发电场在国内作为一种新兴的发电企业形式因其具有自身的发展和生产性质特点，要求员工必须有较高的专业知识、技术业务水平和必要的技能技巧，因此做好风力发电机组的运行与维护此论文的书写对本人今后工作具有重要意义。

2.0风与风能资源

2.1风的形成

风是大家最熟悉的自然现象，要了解风的形成必须了解包围着地球的大气的运动。大气的流动也像水流一样是从压力高处往压力低处流。太阳能正是形成大气压差的原因。

由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66.5°的夹角，因此对地球上不同地点，太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年365天中这个角度也是变化的，因此，地球上某处所接受的太阳辐射能也是不断变化的。地球南北极接受太阳辐射能少，所以温度低，气压高；而赤道接受热量多，温度高，气压低。另外，随着地球自转，温度、气压也存在着昼夜变化。这样由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就会从压力高处向压力低处运动，以便把热量从热带向两极输送，因此形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化。大洋中的海流也起着类似的作用。从全球尺度来看，大气中的气流是巨大的能量传输介质，地球的自转进一步促进了大气中半永久性的行星尺度环流的形成。地球上风的运动方向见图1.1。

图1.1 地球上风的运动方向

我国位于亚洲的东南部，所以东亚季风和南亚季风对我国气候变化都有很大的影响。冬季我国主要在西风带影响下，盛行偏北气流。夏季西风带北移，我国在大陆热带低压控制下，副热带高压也北移，盛行偏南风。

地球上各处的地形地貌也会影响风的形成，如海边，由于海水热容量大，接受太阳辐射能后，表面升温慢，陆地热容量小，升温比较快。于是在白天，由于陆地空气温度高，空气上升而形成海面吹向陆地的海陆风。反之在夜晚，海水降温慢，海面空气温度高，空气上升而形成由陆地吹向海面的陆海风（图1.2）。

（a）白昼海防风；（b）夜间陆海风

图1.2 海陆风的形成示意图

在山区，白天太阳使山上空气温度升高，随着热空气上升，山谷冷空气随之向上运动，形成“谷风”。相反到夜间，空气中的热量向高处散发，气体密度增加，空气沿山坡向下移动，又形成所谓“山风”（见图1.3）

图1.3山谷风形成示意图

2．2国内外发展现状与趋势

2．2．1风力发电国内外发展现状

风力发电的快速增长带动了风电设备制造业的发展， 2007 年度全球风电设备市场

总价值达到360 亿美元。目前，世界上先进的风电设备制造企业主要集中在少数几个国家，如丹麦、德国、西班牙和美国等，著名的公司有Ves tas(丹麦)、 GE Wind(美国)、Gamesa(西班牙)、Enercon (德国)、 Suzlon(印度)等。图3 为2007 年世界风电机组市场份额图。2007 年，丹麦的Vestas 公司占全球市场份额的 22.8%，前3 位公司占有了市场份额的一半多。值得一提的是，我国的金风科技股份有限公司也占据了2007 年世界风电市场的4. 2%。

中国风资源概况，我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。据有关研究成果估计，我国风能仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位。根据全国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，风能资源总储量约32.26亿千瓦，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿千瓦，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦，共计约10亿千瓦。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2,000小时计，每年可提供5,000亿千瓦时电量；海上风电年上网电量按等效满负荷2,500小时计，每年可提供1.8万亿千瓦时电量，合计2.3万亿千瓦时电量。相当于我国06年发电量2.83万亿千瓦时的81％。风能利用空间非常巨大。我国风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及“三北”（东北、华北、西北）地区。另外，内陆也有个别风能丰富点，海上风能资源也非常丰富。

“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年以来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。2008年中国新增风电装机容量达到719.02万千瓦，新增装机容量增长率达到108.4%，累计装机容量跃过1300万千瓦大关，达到1324.22万千瓦。内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快。进入2008年下半年以来，受国际宏观形势影响，中国经济发展速度趋缓。为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度，支持和鼓励可再生能源发展。作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇，在金融危机肆虐的不利环境中逆市上扬，发展势头迅猛，截止到2009年初，全国已有25个省份、直辖市、自治区具有风电装机。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提

升。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。2009年风电行业的利润总额仍将保持高速增长，经过2009年的高速增长，预计2010、2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到60%以上。截止到2011年3月7日，我国的风电装机总量有4182.7万千瓦，首次超越美国成为世界上第一风电大国。

风力发电发展的主要趋势：

( 1) 机组单机容量增大风电机组单机容量的增大有利于提高风能利用率，降低风场的占地面积，降低风电场运行维护成本，从而提高风电的市场竞争力。目前，国际上主流的风电机组已达到( 2~ 3)MW，由德国Repower 公司研制的最大的5MW 风电机组已投入运行，其旋翼区直径达到126 米。可以预见， ( 3~ 5)MW的风电机组在市场中的比例将日益提高。2008 年 2 月在布鲁塞尔举行的风能会议和风能展上，有与会者甚至提出了2020 年前开发出20MW风电机组的概念。

( 2) 海上风电迅速兴起海上风能资源丰富，且受环境影响小，海上风电场将成为一个迅速发展的市场。目前丹麦、德国、英国、瑞典和荷兰等国家海上风电发展较快。欧洲风能协会(EWEA)预测， 2020年，欧洲海上风电总装机容量将达到70 000MW。虽然海上风电前景广阔，但目前还有技术等方面的因素制约着它的发展。一方面，海上风电机组均为陆上风电机组改造而成，而复杂的海上自然条件使得风电机组的故障率居高不下，如世界最大的海上风电场丹麦Vestas 霍恩礁风电场， 80 台海上风电机组故障率超过70%。另一方面，电网将难以承受大规模海上风电场所提供的巨大电能。因此，海上风电的大发展仍需要解决机组及上网配套设施等方面的问题。

( 3) 变速恒频技术快速推广目前市场上恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构的异步发电机，双速运行。在高风速段，发电机运行在较高转速上;在低风速段，发电机运行在较低转速上。其优点是控制简单，可靠性高;缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此机组经常处于风能利用系数较低的状态，风能无法得到充分利用。随着风电技术的进步，风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并结合变桨距技术的应用开发出了变桨变速风电机组。与恒速运行的风电机组相比，变速运行的风电机组具有发电

量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。因此，变速运行的风电机组也是未来发展的趋势之一。德国Enercon 公司是目前全球生产变速风电机组最多的公司。

( 4) 全功率变流技术兴起近年来，欧洲的Enercon、 Winwind 等公司都开发和应用了全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围达到了 0~ 150%的额定转速，提高了风能的利用范围，改善了风场上网电能的质量。Enercon 公司还将原来对每个风电机组功率因数的分散控制加以集中，由并网变电站来统一调控，实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿。全功率变流技术将在今后大型风电场建设时得到推广应用。

( 5) 直驱和半直驱风电机组直驱式风电机组采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去故障率较高的齿轮箱，在低风速时效率高，且具有低噪声、高寿命、运行维护成本低等优点。近年来直驱式风电机组的装机份额增长较块，但由于技术和成本等方面的原因，在未来较长时间内带增速齿轮箱的风电机组仍将在市场中占主导地位。半直驱是介于齿轮箱驱动和直接驱动之间的一种驱动方式，它采用一级齿轮箱增速，结构紧凑，具有相对较高的转速和较小的转矩。与传统的齿轮箱驱动相比，半直驱增加了系统的可靠性;而与大直径的直驱相比，半直驱通过更高效和紧凑的机舱排列减小了系统的体积和重量。

图2.2 风力发电机机舱的结构示意图

（1）导流罩（2）叶轮总成（3）主轴总成（4）照明系统（5）润滑散热系统（6）齿轮箱（7）高速刹车（8）联轴器（9）发电机（10）提升机（11）风向标，风速仪，引雷器（12）机舱底座（13）机舱罩（14）供电电缆（15）偏航轴承（16）偏航减速器

2.3课题意义

风力发电是清洁可再生能源，蕴存量巨大，具有实际开发利用价值。中国水电资源370 GW，风能资源有250 GW。广东省水电资源6.6 GW，沿海风能可开发量(H=40 m)8.41 GW。也就是说，风能与水能总量旗鼓相当。大量风能开发不可能靠某个部门或行业的财政补贴就能解决，商业化不仅是市场的要求，也是风力发电发展的自身需要。所以，风力发电商业化是必由之路，可行之路。风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。

开发新能源是国家能源建设实施可持续发展战略的需要，是促进能源结构调整、减少环境污染、推进技术进步的重要手段。风力发电是新能源技术中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

(1)由于我国风电产业起步较晚，缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高，总体来说主要以引进国外先进技术为主。目前国内引进的技术，有的是国外淘汰的技术，有的图纸虽然先进，但受限于国内配套厂家的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能仍有一定差距。所以，在引进国外风机技术的同时，开发自主知识产权的兆瓦级增速齿轮箱，是加速我国风电产业的一项重要任务。

(2)增速齿轮的设计和制造技术是整个风力发电机组的关键技术，关系到整个风力发电机组的命运。因此，要加强齿轮的研究，对齿轮进行结构设计，提高齿轮的啮合质量，降低噪声，保证齿轮机械效率，提高齿轮的运行可靠性。

(3)增速齿轮箱以渐开线齿轮为主，人们对标准的渐开线齿轮有了一套比较成熟的设计、强度计算和加工方法。兆瓦级增速齿轮对渐开线齿轮传动提出了新的要求，在尺寸、重量最小的情况下，可靠地传递高速、重载的运动，这就对齿轮分析的计算精度提出了很高要求，高精度齿轮分析是轮齿承载能力、振动、噪声及修形等研究的基础。因此，建立准确的分析模型，准确求解受载轮齿的载荷分布对修形规律的研究具有重要意义。

2．4论文的主要内容

论文的主要内容包括是介绍了风力发电的现状发展趋势，及现在各个国家对风力发电的重视程度。我国现在风力发电的总体情况。齿轮箱作为风机上的零件的重要作用，齿轮箱的发展。还有就是整篇论文关于齿轮箱的设计过程，及校核等等。还有CAD二维的装配图及零件图和基于PRO/E的齿轮箱的三维图的绘制，并截取了一些图片附于论文上。

设计此次的行星轮系的齿轮箱，我们拟部分采用减速器的设计方法，再结合书籍资料完成风力发电齿轮箱的设计，校核，及优化的一系列工作。

关于行星轮系的传动比，及齿轮的计算，会参照《机械原理》等一些书籍的部分内容进行，还有关于轴的校核，键等等，和齿轮箱的使用和维和等等。

主要的参数如下：

并明确规定依据IS06336进行齿轮计算，按3倍额定功率计算静强度>1.0。.外齿轮制造精度不低于6级，齿面硬度HRC58--62，外齿轮采用20CrNi2MoA。

3.0齿轮箱的设计

3．1 增速齿轮箱方案设计

对于兆瓦级风电齿轮箱，传动比多在100左右，一般有两种传动形式：一级行星+两级平行轴圆柱齿轮传动，两级行星+一级平行轴圆柱齿轮传动。相对于平行轴圆柱齿轮传动，行星传动的以下优点：传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，使功率分流；合理使用了内啮合；共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小而；运动平稳、抗冲击和振动能力较强。在具有上述特点和优越性的同时，行星齿轮传动也存在一些缺点：结构形式比定轴齿轮传动复杂；对制造质量要求高：由于体积小、散热面积小导致油温升高，故要求严格的润滑与冷却装置。这两种行星传动与平行轴传动相混合的传动形式，综合了两者的优点。

依据提供的技术数据，经过方案比较，总传动比i=98．74，采用一级行星派生型传动，即一级行星传动+两级高速轴定轴传动。为补偿不可避免的制造误差，行星传动一般采用均载机构，均衡各行星轮传递的载荷，提高齿轮的承载能力、啮合平稳性和可靠性，同时可降低对齿轮的精度要求，从而降低制造成本。

对于具有三个行星轮的传动，常用的均载机构为基本构件浮动。由于太阳轮重量轻，惯性小，作为均载浮动件时浮动灵敏，结构简单，被广泛应用于中低速工况下的浮动均载，尤其是具有三个行星轮时，效果最为显著。设计齿轮箱的转动比为1：98.74，由于减速比较大，按照此转动比，齿轮箱的结构形式可设计为：一级行星传动+两级平行轴定轴传动。

图5采用的结构

行星齿轮传动由于有多对齿轮同时参与啮合承受载荷，要实现这一目标行星轮系各齿轮齿数必须要满足一定的几何条件。

(1)保证两太阳轮和系杆转轴的轴线重合，即满足同心条件3212Z Z Z =+ 。

(2)保证3个均布的行星轮相互间不发生干涉，即满足邻接条件。'2212180sin )(a h Z K Z Z +>+ (3)设计行星轮时，为使各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀分布或对称分布。为使相邻两个行星轮不相互碰撞，必须保证它们齿顶之间在连接线上有一定问隙。

保证在采用多个行星轮时，各行星轮能够均匀地分布在两太阳轮之间，即满足安装条件 c K Z Z =+/)(31 c 为整数，装配行星轮时，为使各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀分布或对称分布。

(4)保证轮系能够实现给定的传动比H i 1，即满足传动比条件。当内齿圈不动时有1/113-=H i Z Z

以上各式中： 1Z ——中心太阳轮齿数；

2Z ——行星轮齿数；

3Z ——内齿圈齿数；

K ——行星轮个数；

ha*——齿顶高系数。

3．3受力分析与静强度校核

3．3．1受力分析

行星齿轮传动的主要受力构件有中心轮、行星轮、行星架、轴及轴承等。为进行齿轮的强度计算，需要对行星轮以及太阳轮进行受力分析。当行星轮数目为3。假定各套

行星轮载荷均匀，只需分析其中任一套行星轮与中心轮的组合即可。通常略去摩擦力和重力的影响，各构件在输入转矩的作用下平衡，构件间的作用力等于反作用力。

图6行星齿轮受力分析

行星架输入功率为1T ，太阳轮输出功率为a T ，增速传动比为i ，太阳轮节圆直径为dl ，根据斜齿圆柱齿轮传动受力分析公式，齿轮所受切向力、径向力、轴向力分别为：

2211/2000/2000d T d T F t ==

βαcos /tan n t r F F ?=

βtan ?=t a F F

式中：n α—法面压力角；

β—分度圆螺旋角。

得到各个齿轮的受力结果如表2所示。

表2

3．3．2低速级外啮合齿面静强度计算

依据要求，按3倍额定功率计算静强度。(因其余啮合齿轮副的计算步骤、结论与此相似，在此，仅以低速级外啮合为例。)

①载荷 ：d T F cal max 2000= 式中：cal F ——计算切向载荷，N ；

d ——轮齿分度圆直径，mm ；

max T ——最大转矩，N ·m

②修正载荷系数

因已按最大载荷计算，取使用系数A K =l 。

③计算安全系数：Hst W NT H H Z Z S σσlim = 式中：Hst σ——静强度最大齿面应力，2/mm N αββεσK K K u u d F Z Z Z Z H V b cal E H Hst 11+= ∴1041.1>=H S ，符合要求。

3．4本章小结

依据技术指标，综合行星传动与平行轴传动的有点，选取两级行星派生型传动，采用太阳轮浮动的均载机构，计算确定了齿轮箱各级传动的参数。对行星传动进行受力分析，得出各级传动齿轮的受力结果。依据标准，进行静强度校核，结果符合安全要求。

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