风力发电机的齿轮箱
Gearbox of Wind Turbine
风力发电机齿轮箱

在《圆柱齿轮增速箱》与《行星齿轮增速箱》课件中已介绍风力机齿轮箱的主要传动形式,在本课件介绍具体齿轮箱的结构与外观,以及齿轮箱的润滑与散热。

由于齿轮箱增速比大,一般采用行星齿轮圆柱齿轮传动的结构形式。图1是一级行星齿轮加二级圆柱齿轮形式的结构图。原图来自网络,添加零件名称文字标注。

一级行星齿轮加二级圆柱齿轮-1
1-低速轴       2、17-行星架轴承       3-行星架     4-齿圈     5、9-二级圆柱小齿轮轴承( 高速轴轴承)   6-二级圆柱小齿轮     7-二级圆柱大齿轮        8-高速轴       10、15-二级圆柱大齿轮轴承    
         11-一级圆柱小齿轮        12、16-太阳轮、一级圆柱大齿轮轴承     13-二级圆柱大齿轮              14-一级圆柱大齿轮      18、19-行星轮      20-太阳轮        21-行星轮轴承
图1  一级行星齿轮加二级圆柱齿轮结构示意图
 

图2是该类齿轮箱内部齿轮布置照片,没有显示齿圈。原图来自网络,添加零件名称文字标注。

一级行星齿轮加二级圆柱齿轮-2
图2  一级行星齿轮加二级圆柱齿轮结构图
 

图3是一个2MW的齿轮箱,已打开箱盖。是一级行星齿轮加二级圆柱齿轮结构。润滑油装置有油泵、过滤器、控制阀门等,并配了3个散热风扇。原图来自网络,添加零件名称文字标注。

 一级行星齿轮加二级圆柱齿轮齿轮箱
图3  一级行星齿轮加二级圆柱齿轮齿轮箱(2MW)
 
图4是二级行星齿轮加一级圆柱齿轮结构示意图,原图来自网络,添加零件名称文字标注。
二级行星齿轮加一级圆柱齿轮
       1、5-一级行星架轴承         2-一级行星架         3、22-一级行星轮        4-一级齿圈              6、17-二级行星架轴承      7-二级齿圈       8、19-二级行星轮    9、11-圆柱小齿轮( 高速轴)轴承     10-圆柱小齿轮       12-高速轴      13-通孔      14、16-二级太阳轮(圆柱大齿轮)轴承
15-圆柱大齿轮    18-二级行星轮轴承     20-二级行星架      21-一级行星轮轴承    23-低速轴
图4  二级行星齿轮加一级圆柱齿轮结构示意图
 
图5是一个1.5MW的齿轮箱。 润滑油装置有油泵过滤器控制阀门等,散热风扇直接安装在齿轮箱体上。齿轮箱通过扭力臂上的支撑轴安装在风力机机架上。原图来自网络,添加零件名称文字标注。
1.5MW风力发电机齿轮箱
图5  1.5MW风力发电机齿轮箱
 
大型风力发电机多采用直驱形式,但造价贵,目前流行半直驱形式,低速轴通过2级或3级行星齿轮增速带动发电机。齿轮箱低速轴与高速轴在同一轴线上,风力机轮毂直接安装在齿轮箱低速端法兰上,没有单独的主轴。图6是2台半直驱风力发电机齿轮箱照片,原图来自网络,添加零件名称文字标注。
半直驱风力发电机齿轮箱
1-高速端       2-扭力臂      3-低速端法兰      4-低速端法兰      5-润滑油系统      6-扭力臂
图6  半直驱风力发电机齿轮箱
 
图7是一台18MW特大半直驱风力发电机齿轮箱。原图来自网络,添加零件名称文字标注。
18MW半直驱风力发电机齿轮箱
图7  18MW半直驱风力发电机齿轮箱
 
风力发电机齿轮箱的润滑
齿轮箱是风力发电机最贵与最重的设备之一,为保证齿轮箱的正常运转,延长使用寿命,齿轮与轴承的润滑与散热非常重要。齿轮箱中有润滑油,需要一套装置来对润滑油散热与清洁,图8是齿轮箱润滑系统框图,该图仅显示润滑油的主要回路,维修与非正常状态时的支路不显示。齿轮箱润滑系统由副油箱油泵过滤器温控阀热交换器(风冷)、传感器管路组成。
风力发电机齿轮箱润滑系统
图8  风力发电机齿轮箱润滑系统框图
 

齿轮箱润滑系统的工作过程:

齿轮箱根据需要安装有温度传感器与电加热器,防止停运时低温造成润滑油冻结

副油箱是存储润滑油的容器,根据需要设置,在副油箱有温度传感器与电加热器,防止低温造成润滑油冻结。从齿轮箱出来的润滑油进入副油箱,没有副油箱的直接进入油泵。

润滑油泵一般使用齿轮油泵,由电动机驱动。从油泵出来的油送到过滤器。

过滤器可滤除润滑油中的杂质,壳内中装有可更换的滤芯,经过滤的润滑油到温控阀

温控阀是一个三通阀,可根据进入的油温切换。油温不高(例如低于50度)时把油直接送到齿轮箱,如果油温高(例如高于55度)时把油切换到热交换器。

热交换器采用风冷,电动机带动风扇散热。从热交换器出来的油送回齿轮箱。热交换器可直接安装在齿轮箱上,通过机舱内的空气散热;热交换器也可安装在机舱外壳上,通过专门的窗口排出热空气。

图9是风电齿轮箱润滑系统主要设备,适用于3MW以下的风力发电机齿轮箱使用。原图来自网络,添加零件名称文字标注。

MW风电齿轮箱润滑装置
图9  3MW风电齿轮箱润滑系统
 
图10是风电齿轮箱润滑系统主要设备,适用于5MW以上的风力发电机齿轮箱使用。原图来自网络,添加零件名称文字标注。
6MW风电齿轮箱润滑装置
图10  6MW风电齿轮箱润滑系统
 
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