风力发电机齿轮箱结构及其主要故障类型的处理方法
风力发电机齿轮箱结构及其主要故障类型的处理方法 摘要
第一章 绪论
1.1论文的目的和意义
1.2风力发电的现状
1.3风力发电齿轮箱的研究现状
第二章 齿轮箱结构
2.1风力发电机的整体结构
2.2齿轮箱的结构及其传动
方案
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第三章 风力发电机组齿轮箱故障类型
3.1齿轮箱的主要故障类型
3.2风力发电机组齿轮箱振动故障分析
3.3风力发电机组传动齿轮油温故障分析
第四章 风力发电的发展存在问题和主要趋势
4.1我国风电齿轮箱设计生产存在问题
4.2风电发展的主要趋势
致 谢
参考文献
中文摘要
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。
首先,介绍全球风力发电产业高速发展和国内外风电设备制造业概况,阐述我国风力发电齿轮箱的现状及齿轮箱的研究。
其次,确定齿轮箱的机械结构。选取两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。
然后,论述了风力发电机组齿轮箱故障诊断的主要类型,深入探究风电机组齿轮箱振动故障机理,研究了油温高的故障机理,分析了传动齿轮温度场和热变形的情况。
最后,阐述我国风力发电存在的主要问题和发展前景。
关键词:风电齿轮箱;结构;故障类型;存在问题
ABSTRACT
第一章 绪 论
1.1 论文的目的、意义
面对当前不可再生能源短缺的境况,许多国家都发展清洁能源,主要有风能、太阳能等,但规模最大的是风力发电。现在风力发电技术已日趋成熟,市场正逐步扩大,风力发电已成为增长最快的可再生能源之一,并具备了与常规能源竞争的能力。
本论文就是建立在对引进的兆瓦级风力发电增速齿轮箱结构技术消化吸收的基础上,对增速齿轮箱在转矩、齿数和分度圆等量的论述,计算轮齿进行接触应力分析和齿根的弯曲强度校核。我国风力发电机组故障中齿轮箱的损坏率在机组部件中最高,达到40,,50,,风力发电机组建在风电场,而风力机传动件的核心部件就是齿轮箱,由于安装环境条件很差,随着载荷的增加,齿轮箱的拆装越发不容易,若出现故障,对发电机组带来的影响很大,维修也非常困难。随着设备的不断升级,例如风力发电机容量的增大,齿轮箱故障所带来的损失越来越大,齿轮箱故障诊断的研究是非常必要的。转动中的齿轮受弯曲载荷、振动等载荷作用,所以发生故障是不可避免的。目前,主要有三种风力发电机,一种依靠齿轮箱增速,一种是直驱风力发电机组,第三种是半直驱风力发电机,第一种的生产技术较为成熟,而且在风电场中,该种风力发电机是主流机型,使用的较多。双馈感应发电机所加装的电力电子变流器的功率占风力机组的30%,虽然没有了齿轮箱,风力机的故障发生率以及维护成本都大幅下降,但为了将直驱风力发电机组联接电网,要给它加装一个全功率的电力电子变流
器,而变流器的价格非常高,增加了发电成本。由于以上两个原因,就目前来说,风电机组齿轮箱故障研究有重要现实意义。
由于我国风电场的齿轮箱受变载荷、强阵风的冲击,环境温度变化较大,齿轮箱故障占到风力发电机组故障总数的12%,所占比重较大,应高度重视,尽可能降低故障发生率。由于风力发电机组齿轮箱故障发生频繁,齿轮箱的维修费用也相当高,通过故障机理分析,我们在一定程度上了解齿轮箱的故障特性、故障原因,加强齿轮箱的故障诊断研究对提高风力机工作效率、保证齿轮箱的正常运行,具有十分重要的实践意义。齿轮箱的故障分析,有助于在日常监测中及时发现、正确判断故障,当出现故障后,在故障早期及时采取有效措施避免故障继续发展。
综上所述,只有高度重视并不断提高风力发电机组齿轮箱的结构设计和运行维护能力,才能保证风力发电机组齿轮箱及机组的良好运行。
1.2 风力发电国内外发展现状
风能是一种清洁的永续能源,与传统能源相比,风力发电不依赖外部能源,没有燃料价格风险,发电成本稳定,也没有碳排放等环境成本;此外,可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势,风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分,发展迅速。根据全球风能理事会的统计,全球的风力发电产业正以惊人的速度增长,在过去10年平均年增长率达到28,,2007年年底,全球装机总量达到了9400万千瓦,每年新增2000万
千瓦,意味着每年在该领域的投资额达到了200亿欧元。
许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策,从不同的方面引
导和支持风电的发展。在政策的鼓励下,2007年全球风电新装机容量约为2000万千瓦,累计装机9400万千瓦。2008年是风电发展具有标志性的一年:这一年风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过l亿千瓦的电力资源。风电作为能源领域增长最快的行业,共为全球提供了近20万个就业机会,仅2006年风电场建设投资就接近170亿欧元。欧洲和美国在风电市场中占统治地位,其中德国是目前风电装机最大的国家,装机容量超过2000万千瓦;美国和西班牙也都超过了1000万千瓦:印度是除美国和欧洲之外新装机容量最大的国家,装机总
-1所容量也超过600万千瓦。世界风电前十名国家近05至07年发展情况如图1示。
图1-1 世界风电前十名国家近05至07年发展情况
就近几年来世界风电发展格局和趋势分析来看,主要有以下几个特征:
(1)风电发展向欧盟、北美和亚洲三驾马车井驾齐驱的格局转变;
(2)风电技术发展迅速,成本持续下降;
(3)政府支持仍然是欧洲风电发展的主要动力;
(4)中国是未来世界风电发展最重要的潜在市场。
全球风能理事会是世界上公认的风电预测的权威机构,掘全球风能理书会的预测,未来五年,全球风电还将保持20,以上的增长速度,到2012年,全球风电装机容量将达到2.4亿千瓦,年发电5000亿干瓦时。风电电力约占全球电力供应的3,。欧洲将继续保持总装机容景第一的位置,亚洲将会超过北美市场排在第二位。
我国幅员辽阔,海岸线长,风能资源丰富。2010年,国家气候中心也采用数值模拟方法对我国风能资源进行评价,得到的结果是:在不考虑青减高原的情况下,全国陆地上离地面lO米高度层风能资源技术可开发量为25.48亿千瓦。近年来,特别是《可再生能源法》实施以来,巾囤的风电产业和风电市场发展十分迅速,主要表现在以下几个方面:
(1)市场规模迅速扩大,如图l-2所示
图1-2我国风电发展现状
(2)风电制造业发展迅猛;
(3)技术转让步伐加快;
(4)风电政策趋揽熟;
(5)外资企业开发中国风电市场的障碍减少。
2010年,全球风电资金15,投向了中国,总额达34亿欧元,中国真正成为全球最大的风电市场。从我国的发展情况来看,我国风电产业将会长期保持快速发展,主要由以下因素的支撑:
(1)国家能源政策升华;
(2)气候变化的推动;
(3)风电技术成熟。
依据目前的趋势,保守估计,到2020年,我国风电累计装机可以达到7000万千瓦。届时风电在全国电力装机中的比例接近6,,风电电量约占总发电量的2.8,。从2020年开始,风电和常规电力相比,成本优势已比较明显。至2030年,风电在全国电力容量中的比重将超过11,,可以满足全国5.7,的电力需求。
1.3风电齿轮箱的发展现状
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中最重要的部件,倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。
风机增速齿轮箱是风力发电整机的配套产品,是风力发电机组中一个重要的机械传动部件,它的重要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机,使其得到相应的转速进行发电,它的研究和开发是风电技术的核心,并正向高效、高可靠性及大功率方向发展。
风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩、海岛等野外风口处,经常承受无规律的变相变负荷的风力作用以及强阵风的冲击,并且常年经受酷暑严寒和极端温差的作用,故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械产品高得多的要求。
风电行业中发展最快,最有影响的国家主要有美国、德国等欧美发达国家,在风电行业中处于统治地位。欧美发达国家早已开发出单机容量达兆瓦级的风力发电机,并且技术相对成熟,具有比较完善的设计理论和丰富的设计经验,而且商业化程度比较高,因此在国际风力发电领域中处于明显的优势和主导地位。
国外兆瓦级风电齿轮箱是随发电机组的开发而发展起来的,Renk、Flender等风电齿轮箱制造公司在产品开发过程中采用三维造型设计、有限元分析、动态设计等先进技术,并通过模拟和试验测试对设计方案进行验证。此外,国外通过理论分析及试验测试对风电齿轮箱的运行性能进行了系统的研究,为风电齿轮箱的设计提供了可靠的依据。
国家标准GB/Tl9703-2003和国际标准IS081400-4:2005都对风电齿轮箱设计提出了具体的设计规范和要求。尽管国际上齿轮箱设计技术已经比较成熟,但统计数据表明,齿轮箱出现故障仍然是风机故障的最主要原因,如图1-3所示,约占风机故障总数的20,左右。
图1-3风机故障类型
由于我同商业化大型风力旋电产业起步较晚,技术上较欧美等风能技术发达国
家存在报大差距。我同在九五期间不始走引进生产技术的路子,通过引进和吸收国外成熟的技术,成功研发出了兆瓦级以下风力发电机。十五期间在国家863计划中重点提出容量更大的兆瓦绒风力发电机组的研究和开发课题。但是最为世界上的风能人国,目前我团大型风力发电机组的开发主要是引进国外成熟的技术,关键就是因为我国的设计水平不高。
目前我国主要有3家公司制造风电齿轮箱:南京高精齿轮有限公司,重庆齿轮箱有限责任公司,杭州前进齿轮箱集团。其中,前两家公司占据了将近70,市场份额。对于现行主流的兆瓦级以风力发电机组,国内的几十家生产厂商绝大多数采用的部是引进国外的成熟技术。由于传递的功率大,对兆瓦绒增速齿轮传动的可靠性和寿命要求非常高。田而增速齿轮的设计成为风力发电机组的瓶颈,是整个风力发电机组稳定运行的关键。
从目前的情况束看,风电齿轮箱市场可发展空叫广阔,齿轮箱驱
动式风电机组仍是市场主流。
第二章 齿轮箱结构
2.1风力发电机的整体结构
图2-1风力发电机整体结构图
风力发电机组可分为无齿轮箱驱动的直联式和齿轮箱驱动式两种。目前,齿轮箱驱动型有一定的成本优势,仍是固际上采用的主流结构型式。齿轮箱驱动式风力发电机组的具体结构如图2-1所示(齿轮箱布置在叶轮和发电机之间,它将叶轮受风力作用旋转而产生的动力传递给发电机发电,同时将叶轮输入的根低的转速转变为满足发电机所需的转速。
2.2齿轮箱的结构方案
风机的结构形式主要有两种:水平轴风机;垂直轴风机。目前市场上普遍应用的均为水平轴风力机。
根据机组的总体布置要求,有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴(俗称大轴)与齿轮箱合为一体,也有将大轴与齿轮箱分别布置,其间利用涨紧套装置或联轴节联接的结构,
增速箱的设计应在已有工程实际的基础上,对其薄弱环节进行改进。通过工程实际分析
总结
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,风电齿轮箱主要故障表现有:齿轮箱油温过高;齿面点蚀破坏。齿轮箱油液温度过高一般是因为风电机组长时间处于满发状态,润滑油因齿轮箱发热而温度上升超过设定值。解决这一问题需要考虑机舱以及齿轮箱的结构以及
相关的风冷与油冷装置。涉及的问题比较复杂,因素比较多,
具体到齿轮箱其它部位诸如轴承、轴等,因为很难用试验台来验
证齿轮箱各部分的可靠性,综合考虑,本章主要计算出各级传动的齿轮参数以进行齿面的接触研究,不展开对齿轮箱各个方面进行详细的设计。
中国南车株洲电力机车研究所有限公司通过技术引进,生产
1.65MW风力发电机,为了设计与此型风机相配套的增速齿轮箱,提供以下技术指标:
KW 发电机额定功率:1650
齿轮箱额定功率:1775KW
使用系数KA:1.3
齿轮箱传动比:98.74+0,,-2,
额定功率时输入转速:18.23转,分
额定功率时输出转速:1800转,分
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.O,外齿轮制造精度不低于6级,齿面硬度HRC58-62,外齿轮采用17CrNi2MoA。
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,采用两级行星派生型传动,即两级行星传动+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行星传动,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。因此在
图2-2齿轮箱结构简图
第三章 风力发电机组齿轮箱故障类型
3.1齿轮箱的主要故障类型
从实际情况来看,齿轮箱的故障主要可以分为以下几类:
1、齿轮故障:点蚀、疲劳剥落、断齿、磨损、锈蚀、齿轮不对中、齿轮偏心等;
2、轴承故障:点蚀、疲劳剥落、断裂、磨损、锈蚀、塑性变形、胶合、保持架损坏:
3.2风力发电机组齿轮箱振动故障分析
风力发电机组齿轮箱的自身振动特性,齿轮箱的振动与其发生故障密不可分,振动对运行状态有很大影响,研究齿轮箱的振动特性,主要是了解其固有振动频率、振型、形变等,要避不同部件固有频率相同发生共振,另外,避免齿轮工作在故障频率。
在国家大力倡导下,风电事业蓬勃发展,风电场装机容量日益增多,风力发电规模也在扩大,风力发电将成为可再生能源发电不可缺少的部分。风力发电机组齿轮箱的振动不可避免,剧烈的振动将引发齿轮偏心、断裂等故障,则应采取必要的减振降噪措施,使噪声声压级符合要求,最常用的解决方法鱿是安装减振支撑。
目前大部分采用三点支撑系统(单轴承结构,见图3-1所示)的风力发电机组,其齿轮箱减振系统主要采用的是轴瓦式弹性支撑,见图3-2所示。轴瓦式齿轮箱减振支撑由上、下两瓣弹性体组成,根据橡
胶层数的不同,结构有所差异。弹性体采用偏心式结构设计,在一定的温度和压力下硫化成型。安装时利用产品的偏心量,通过预压缩的方式将其固定于齿轮箱支撑座中。这种结构的齿轮箱减振支撑的承载能力强,能够承受来自径向和轴向的冲击载荷,有着良好的阻尼及减振性能。一般要求弹性支撑的减振效率大于80,,阻尼不小于0.05。
图3-1三点支撑系统
图3-2瓦式齿轮箱减振支撑
MW级以下的风力发电机中,减振支撑的弹性体一般通过芯轴压装于齿轮箱扭力臂中,见图3-3所示。这种结构的减振支撑,其上、下弹性体安装困难,且在端部无挡板,在轴向(删)无约束,呈自由状态,在长期的交变载荷作用下可能出现轴向窜出,从而影响了产品的减振性能。在MW级以上的风机中,其减振支撑采用另外一种结构
形式,如图3-4所示。减振支撑的弹性体安装在齿轮箱两侧的支撑座
图3-4振支撑系统结构图
3.3风力发电机组传动齿轮油温故障分析
油温高故障的主要原因:风力发电机组中,齿面的小裂纹逐步扩展,最后发生断齿,这是一种很严重的故障。油温高会造成传动齿轮发生如下故障:油温变化引起润滑油性能下降,使得摩擦增大、磨损严重以及发生齿面胶合故障;过度磨损所引起的点蚀,导致齿轮齿面剥落甚至断裂。油温升高,油性能发生如下变化:首先粘度下降、加速其老化变质,也缩短了换油周期。
风力发电机组中齿轮箱油温变化热传递的热源:
(1)啮合齿轮之间热量传递;
(2)风载荷变化、齿轮转速、气温变化等;
(3)齿轮箱输入功率的一部分在齿轮箱传动中会损失,主要转变为齿轮转动摩擦生成的热量,引起油温升高。风力发电机组长时间
处于满发状态,齿轮箱发热量增大,油温也会上升。
风电场风速的变化进而导致齿轮箱的转速摆动不定,这是形成齿
面微磨损的主要原因,微磨损严重影响了齿轮使用寿命,摩擦生成的热量会随转速增大而增多,齿轮箱温度场将随之改变,油温升高。周围气温对油温也有影响,齿轮箱常年经受高温、严寒的影响,齿轮箱
安装环境空间小,散热较差,这都是导致油温升高的重要因素。
处理风力发电机齿轮箱升温过高主要重在预防,通过建立风力发
电机组齿轮箱中的传动齿轮模型,进行油温高故障机理分析,利用ANSYS的油膜模型的建立方法,对于三维模型,采用ANSYS进行热分析,从而获得温度场、热变形,分析计算结果准确。根据对传动齿轮进行的分析,得到了温度场与热应力分布、齿轮温度分布规律,找出了易出故障的位置。在实际维护工作中,应避免风力发电机齿轮箱升温过高,注意气温变化,检查易处故障部位,做好故障预防,及时采取措施,避免故障发生。
第四章 风力发电的发展存在问题和主要趋势
4.1我国风电齿轮箱设计生产存在问题
尽管我国风电齿轮箱国产化工作近年来取得了长足的进步,基本掌握了兆瓦级以下机组的设计制造技术,并形成了750kW至
1.5MKW风电增速箱的批量生产能力,但目前仍存在以下问题:
1.国内缺乏基础性的研究工作和基础性的数据,对国外技术尚未完全消化,自主创新能力不足。
2.严重缺乏既掌握低速重载齿轮箱设计制造技术又了解风电技术的人才,缺乏高水平的系统设计人员。
3.未完全掌握大型风电增速箱的设计制造技术,产品以仿制为主,可靠性不高,质量稳定性较差。掌握设计制造技术的企业数量较少,无论是产品数量还是产品质量都难以满足市场需要。
4.缺乏大型试验装置及测试手段。
5.缺乏行业资源共享、信息互通、共同发展的平台和机制。
6.与进口齿轮箱相比价格差距过大,市场价位偏低,齿轮箱制造商承担的风险较大,不利于产品可靠性的提高、行业的快速发展及企业研发资金的投入。
7.不顾设备投资大、市场风险大,有一哄而上的趋势。
我国目前对大型风电齿轮箱的设计制造技术尚缺乏系统深入的
研究,现场运行维护经验和基础数据还比较匮乏,设备国产化率较低,可靠性不高,这些因素都制约了我国风电事业的快速发展。相信2至3年内,我国的风
10MKW风电设备国产化电增速箱的设计制造水平会有较大提高,在5MKW、
方面会有所作为。
4.2风电发展的主要趋势
1.单机容量增大 为了提高风能利用率和发电效益,风力发电机组正向着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率及机组可靠性等方向发展,兆瓦级风力机逐步成为国际风电市场上的主流产品。目前世界主流机型为1(5MW,2(0MW,世界最大的5MW机组已在2005年初投入试运行。有资料报道英国正在研制10MW的巨型风力机。我国现在的主要安装的机型为1.5MKW机组,但是总体占有量不多。
2.结构形式多样 例如,直接驱动技术近几年来在风电领域得到了重视和发展,特别是德国直驱机组数量已超过30,。目前直驱机组的单机容量已达5MW,在今后风电机组发展中将有一定的发展空间。但是,在未来相当长的一段时间内,考虑成本、运输、易大型化等无可比拟的优点,增速箱机组仍将是主流。我国直驱机组主要有新疆金风科技设计生产制造,现在1.5MKW直驱永磁发电机组已经成批量的生产、制造及安装。
3.海上风电场增多由于海上风力资源品质较好,国外风电场建设正在向近海发展,目前海上风电场的装机容量已占国际风电市场的10,左右。随着海上风电场的建设,需要单机容量更大的机组,欧洲
3(6MW机组已批量安装,4(2MW、4(5MW和5MW机组也已安装运行。目前我国海上风力发电还是刚刚起步,但是我国海岸线长达18000公里,沿海水深2(5m,5m之间的浅海海域面积辽阔,海上风电资源可开发量为7(5亿千瓦,为陆地风电资源的三倍。华锐风电和金风科技等单位已经在海上成功安装试验成功。可以预见,我国海上风力发电将会有很大的发展前景。
致谢
在结束了短短的进两个月的毕业论文后,使我们学到了三年中从未得到的新知识,使我们尝到了在完成一次任务后的及其快乐和极其自豪的成就感,同时也使我们将原有的知识进行了系统的灵活应用,从众多书籍中学到了新的知识。此次毕业论文是以往学习的一次新的革命,在设计过程中我们感受到了自学的快乐,锻炼了自己独立分析问题解决问题的能力,让我们有机会全面细致的将所学理论和实践相结合,把所学到的知识用到实处。还学到了许多关于齿轮箱方面的知识,计算机技能也有了很大提高。
在本次论文中我们翻阅了大量的相关资料,通过此次设计我们进一步掌握了有关齿轮设计的理论知识和word的基本知识,在原有的基础上更深一步的对风机
尤其是齿轮箱进行了系统的分析和计算,巩固了我们设计的能力。通过本次设计最大收益是学会了查阅资料解决设计中出现的问题,这是作为一名设计人员必备的素质,并为我们走上工作岗位额进行各种工作打下了良好的基础。
这次设计是在肖萍老师精心指导和大力支持下完成的,肖萍老师以其严谨求实的治学态度、渊博的专业知识、孜孜以求的工作作风、还有对工作的热情和对学生的耐心帮助深深影响我们,令我们受益匪浅。
最后还要感谢答辩组所有老师的精心指导,这也是对我们成果的最大鼓励和肯定,再次对你们表示深深地感谢和敬意~
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