大功率风力发电机组齿轮箱减振支撑的结构特点与应用 - 图文-.doc

收稿日期2009-12-02 大功率风力发电机组齿轮箱减振支撑 的结构特点与应用 胡伟辉,林胜,秦中正,张亚新 株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲412007 摘要风力发电机齿轮箱是风力发电机组的关键部件之一,必须保证其在正常工作状态下运转平稳且无冲击振动或异常噪音,则应采取必要的减振降噪措施,使噪声声压级符合要求,最常用的解决方法就是安装减振支撑。鉴于此,介绍了目前大功率风力发电机组中主要采用的几种齿轮箱减振支撑方法,并分析了各种减振支撑的结构形式、性能特点、载荷的计算和适用的载荷工况,为风力发电机的传动系统选择适当的齿轮箱减振系统提供了可靠的依据。 关键词风力发电机组;传动系统;齿轮箱减振支撑 中图分类号TK83 文献标识码A 文章编号1006-0316 2010 04-0074-04 The structure and application of gearbox suspension in high-power wind turbine HU Wei-hui ,LIN Sheng ,QIN Zhong-zheng ,ZHANG Ya-xin Zhuzhou Times New Material Technology Co., Ltd, Zhuzhou 412007,China Abstract Gearbox is one of the most important components assembly in Wind Turbine, which must run stationary with no impact and abnormal noise in normal operation. The level of noise must meet the requirement by taking the anti-virbration action. The most common of anti-virbration is the installation of virbration damper. In view of this, sever al gearbox suspensions mainly used at present are briefly introduced in High-power Wind Turbine. The Structures, perance features, load calculations and applicable conditions of gearbox suspensions are analysed, which provides a reliable basis for the selection of gearbox anti-vibration system in drive system 。 Key words wind turbine ;drive system ;gearbox suspension 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。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。风能开发能减轻空气污染和水污染,但如果处理不当,则会增加噪声污染[1]。 风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件,作为传递动力的部件,在运行期间同时承受动、静载荷。齿轮箱正常工作时,齿轮箱的主要噪声来自于齿圈齿轮的啮合,一个好的解决办法就是安装弹性支撑。[2]利用齿轮箱弹性支撑还可以减少从齿轮箱传递到机舱结构和塔架的振动,从而将齿轮箱的机械振动控制在规定的范围之内。 1 风力发电机组坐标系 为了便于对风力发电机及其零部件所承受的载荷进行计算,根据风力机系统的结构形式、运动特点和计算需要,在风力发电机的几个特殊位置设置了适当的坐标系,一般有以下四种坐标系[3] 叶片坐标系S 坐标原点位于叶片的各分段翼型轮廓半径的基点上; 叶根坐标系B 坐标原点位于叶片与轮毂连接面的中心; 塔架坐标系T 坐标原点位于塔架与机舱连接面的中心; 轮毂坐标系N 坐标原点位于轮毂的中心,如图1所示。 根据轮毂坐标系N 的叠加计算结果,能够计算轮毂所受的载荷,进而可以用于传动系统的设计计算。齿轮箱作为传动系统中的重要部件,其主要承受了风轮、主轴和发电机等施加的外部载荷。齿轮箱的载荷形式、大小与整机的传动系统结构有关,其又直接影响着齿轮箱减振支撑的受力方式。下面 介绍各种齿轮箱减振支撑的结构形式与性能特点。 图1 轮毂坐标系 2 轴瓦式齿轮箱减振支撑 目前大部分采用三点支撑系统单轴承结构,见图2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ZN 和YN 和轴向XN 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2 三点支撑系统 图3 轴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4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XN 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5所示。减振支撑的弹性体安装在齿轮箱两侧的支撑座内,每台4对,在弹性体的两端设置有挡块,可以防止弹性体发生轴向窜出,并且弹性体安装简单,拆卸方便,所以在MW 级以上的风机中普遍采用这种结构。 图4 弹性体安装图 图5 减振支撑系统结构图 轴瓦式减振支撑在正常工作过程中主要承受齿轮箱的重量、低速轴的扭转载荷和部分重量。弹性支撑载荷的计算方法如图6所示,设齿轮箱两侧弹性支撑的载荷分别为R 1和R 2,见式1、式2所示。 图6 载荷计算简图 21G L M R XN 1 22G L M R XN − 2 式中M XN 为低速轴施加的扭矩;L 为两支撑座间的距离;G 为齿轮箱的重量加上主轴的部分重量通常为1/2。 为了获得优良的减振效果,需要根据载荷的大小来确定齿轮箱减振支撑的刚度指标。齿轮箱减振支撑主要承受低速轴施加给齿轮箱的扭转载荷,因此减振支撑的径向ZN 和YN 刚度性能需要严格控制;根据标准EN13911和TB/T2843中的相关规 齿轮箱芯轴弹性体 齿轮箱 支撑座 弹性体 挡块 M ZN F ZN ZN F YN M YN YN F XN XN M XN M ZN 支撑座 轴承座 齿轮箱 定,产品的刚度性能要求应该取较为严格的公差等级,即在15范围之内。为了防止在传动系统出现严重的过约束问题,则要求减振支撑的轴向XN 刚度越小越好。 3 叠簧式齿轮箱减振支撑 叠簧式齿轮箱减振支撑主要用于四点支撑系统双轴承结构的风力发电机组当中,采用的是金属框架式结构,如图7、图8所示。在齿轮箱扭力臂上、下各设置有一个橡胶垫。齿轮箱支撑安装时使上、下橡胶垫各产生一定的预压缩量,齿轮箱工作时的振动就在预压缩量的范围内进行。 扭转载荷,因此其所承受的载荷为 L M R XN 3 依据齿轮箱载荷的特点,减振支撑的垂向ZN 刚度大,则扭转刚度大;其他方向刚度应尽量小。 在齿轮箱支撑两端各有一个调节装置,通过调整螺栓可实现对齿轮箱安装高度的微调,以避免系统出现过约束,使齿轮箱与主轴连接处受附加弯矩的作用;同时也可以调整减振支撑整体的刚度性能以实现产品的变刚度设计。 根据风力发电机组齿轮箱的工况与所承受载荷的不同,可以调整橡胶的硬度和预压缩量。这种齿 轮箱弹性支撑具有出色的阻尼及减振性能,可大大减少结构噪声的传递,承载大,且安装方法简单,更换方便。 4 液体复合齿轮箱减振支撑 液体复合齿轮箱减振支撑即可用于三点支撑系统中,也可以用于四点支撑系统当中。液压减振支撑是在叠簧式减振支撑的基础上,并结合液体流动时优良的阻尼特性而发展起来的。这种减振支撑的橡胶弹性体的外形结构和叠簧式减振支撑类似,采用金属橡胶复合结构,内部设有压力膜橡胶、腔体、密封机构、液压管路等,如图9所示。 10。 图10 液体复合减振支撑的工作示意图 液体复合减振支撑在正常工作状态下,当齿轮箱受扭转载荷M XN 时,左侧上弹性支撑和右侧下弹性支撑同时承载,两橡胶弹性体的体积同时压缩,腔体体积减小,管内压力急剧增加,从而扭转刚度K M 也随之大幅增加。当齿轮箱受垂向载荷F ZN 时,左右两侧的上弹性体同时承载,两下弹性体同时卸载,因此两上弹性体的液体流向下弹性体,主要通过橡胶的垂向变形来承载,从而垂向刚度K ZN 较小。当齿轮箱受水平载荷F YN 时,则主要是通过橡胶的剪切变形来承载,因此产品水平方向的刚度K YN 非 压力膜 腔体 齿轮箱 常小。液体复合减振支撑三个方向的刚度性能曲线如图11所示,正是由于液体复合减振支撑这种独有的刚度特性,所以在大功率风力发电机组中得到了 图11 液体复合减振支撑的性能曲线图 与叠簧式齿轮箱减振支撑的性能相比,在获得相同的扭转刚度的情况下,液体复合减振支撑的垂向刚度小,从而可以大大减少由于安装所产生的过约束对系统的影响,这种减振支撑也是齿轮箱减振系统的发展方向,具有非常广阔的前景。 5 结论 双馈式风力发电机组多采用三点式或四点式支撑系统。在三点式支撑系统中根据载荷的特点与系统的要求可采用轴瓦式减振支撑或者液体复合减振支撑,采用这种结构的风力发电机组,其齿轮箱载荷较复杂,对齿轮箱的要求较高。在四点式支撑系统中可采用叠簧式减振支撑和液体复合减振支撑,采用这种结构的风力发电机组,其齿轮箱载荷比较简单,齿轮箱的维护成本较低。风力发电机组中齿轮箱减振系统的选择与设计应根据具体的载荷形式来定,并依据载荷的大小、特点和减振的要求来确定减振支撑的性能指标,以实现最佳的减振效果。 参考文献 [1]李俊峰,王仲颖,马玲娟,等. 2008年中国风电发展报告[M]. 北京中国环境科学出版社,2008. 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