风电机组齿轮箱保护方案

—如何避免作用于齿轮箱和轴承的不良载荷

1 前言
　　长期以来，齿轮箱技术在风电机组开发过程中一直是主要的研究领域。在此过程中，齿轮箱开发呈现出不同的趋势。最初，应用于风能产业的齿轮箱是对原来工业齿轮箱向重量轻、体积小方向改进。但是随着损坏索赔数量的增多以及多年运行经验的积累，齿轮箱的设计重新趋于保守，焦点转向安全系数。
　　开发过程中的一个重要步骤是要准确分析实际作用于齿轮箱的载荷，并且增加载荷计算的精确度。作用于风电机组齿轮箱上典型的重要载荷包括这样几个方面：一是源自转子的载荷，这种载荷方向改变很快；二是由主机架和塔架构成的齿轮箱软支撑引起的载荷；三是由电网引起并通过发电机传给齿轮箱的瞬时剧烈波动载荷。如下理论已成为现代齿轮箱的研究基础：即除了调整齿轮箱设计，当今设计亦考虑通过增加刚性措施来平衡确定的载荷，例如，采用加固结构或高强度材料。然而，对齿轮箱零件采用更坚固的新材料，以及改善齿轮箱内的载荷传输，都只是改进设计中的一小部分。一个关键问题仍然存在，就是齿轮箱设计者能否针对潜在载荷找出单独应对风电机组复杂载荷问题的解决方案。
　　2 齿轮箱和轴承保护的新方案
　　基于对不同载荷何时以及如何作用于风电机组的全面深刻理解，当今的风电机组设计师可以通过优化整个传动链，最大限度地减小载荷对齿轮箱的影响。而且，仅通过结构设计就可以改善作用于齿轮箱上的载荷。
　　 对于PowerWind 90 2.5MW风电机组的开发，PowerWind的工程师就选择了这种方法。工程师们站在风电机组制造商的角度一直在考虑如何减少与风电机组有关的载荷事件，即怎样设计风电机组才有利于预防或者减少相关的不良载荷。
　　 基于最新的研究成果和在此领域多年的设计经验，PowerWind工程师使用现代模拟方法，例如多体模拟和通过有限元对整个传动链进行非线性计算，成功开发了一种新的齿轮箱和轴承保护方案。
　    重点放在主机架的优化和齿轮箱支撑的改进。实现了以下几个关键的子目标：
    。控制主要的齿轮箱载荷
    。减少次要的齿轮箱载荷
    。改进主机架的承载特性
 

3 控制主要的齿轮箱载荷
　　所谓主要载荷是指直接影响风电机组的载荷，这些载荷由转子传递的风能产生。转子载荷必须要传递给塔架并最终到达基础—无论传动链是传统的带主轴和主轴承的方案还是转子后直接连接齿轮箱的方案。除了发电所需要的扭矩，风还会持续产生方向不断改变的弯矩和剪切力，风电机组必须吸收并承受这些载荷。．这些多余的载荷要比用于发电的扭矩载荷高出许多倍。
　    多年以来，Allianz技术中心一直定期举行“专家日”活动，研究与风电机组齿轮箱有关的各种载荷及其损坏形式。这些”专家日”形成的文章概括了对常用的三点支撑传动链（图1）的研究成果。
　　主轴轴承和两个扭力臂支撑用来吸收转子载荷。但载荷在传递到扭力臂支撑之前，不得不先从主轴进入齿轮箱，并在齿轮箱内部传输。齿轮箱实际上相当于第二个主轴轴承。对于这种方案，主轴的动态大幅运动和变形直接传入齿轮箱。如果设计有缺陷并且轴承游隙不足，会导致齿轮传动系统出现无规律的受载损坏特征。为了防止这一主要载荷危害齿轮箱，在主轴上使用第二个主轴承，以最有效的方式确保承载安全《图2)。
　　不像以往风电机组设计在其齿轮箱和主轴承之间留有较大的距离，PowerWind 90的第二个主轴承布置得与齿轮箱尽可能近，这样可以吸收那些若没有第二个主轴承将直接传入齿轮箱的转子载荷。由于在齿轮箱侧的这个第二个主轴承在这个传动链系统中是固定轴承，它同样可以在轴向载荷到达齿轮箱之前直接将其吸收。类似地，它也可以防止因诸如主轴的热胀冷缩效应对齿轮箱产生影响。
　    与无主轴的集成传动链相比，这种方案仍有优势。如果是集成传动链，齿轮箱输入轴同时起转子轴承的作用。这只能借助于复杂的预紧锥轴承或者三排滚子转环来实现。此外，齿轮箱壳体不得不吸收更大部分的转子载荷。而前述的传统双主轴承方案使用的是调心滚子轴承，由于这种轴承可以旋转，在主轴承处不可能产生约束力。
　　4 少次要的齿轮箱载荷
　　第四个支撑点的引入导致传动链系统的静不定。在静不定系统中，载荷是依据系统的刚性来分布的。刚性区域“吸引”载荷，柔性区域“避开”载荷。这对于风电机组的传动链也同样适用。

 因此，一方面，在齿轮箱的输入轴处，必须避免那些被归入次要载荷的有害的约束力和变形应变；另一方面，必须借助于轴承处的刚性调整，随时提供所需的轴承支撑载荷。为确保二者均能实现，PowerWind日口的齿轮箱采用了液压支撑《图3).
　    液压轴承的基本特点是可以针对轴承竖直和扭转方向的运动设定不同的轴承刚性。因此，与扭矩传输所必需的扭转刚性相比较，竖直方向刚性可以设定得更小。
　    竖直支撑的刚性设定得更小，使齿轮箱避免了不利的约束力。事实上，此时齿轮箱会随着主轴做微小运动。同时，由于主轴承的刚性比齿轮箱轴承的刚性大很多，主要的转子载荷都传到了主轴承上。
　　除了转子载荷，由于主机架的变形而引起的约束载荷也会影响齿轮箱。但由于采用了液压轴承，齿轮箱也可以避免这些次要载荷。

5 改进主机架的承载特性
　    有关主机架刚性太差从而对齿轮箱和轴承产生负面影响的问题，在风能技术的最新状态报告中已有论述。为了改进主机架的变形特性，PowerWind进一步优化了主机架的空间承载特性。迄今为止，风电机组的主机架在发电机支撑连接端都使用开式结构。而PowerWind 90第一次引入闭式顶部结构。基本原理是将塔架的管状截面扩展到铸造主机架，此管状截面在刚性和材料使用方面均进行最优设计。尽管有必需的零件装配空间要求，闭式截面还是实现了。与开式截面（图4）相比，闭式截面（具有同样壁厚和直径）的刚性要高得多。作为吸收风电机组载荷最重要的零件，刚性更高的主机架有着巨大的优势。
    环形格子支撑与主机架壁一起形成塔架载面的扩展部分，从而实现了主机架截面的封闭。进而，将后主轴承连接点连在一起亦增加了主机架刚性。这样，在保持零件尺寸和重量相同的情况下，极大地减少了齿轮箱的损坏和轴承的变形，部件内的应力分布也能够设计得更加均匀（图5)。
　　在设计过程中，必须注意使主机架不扭曲，并避免齿轮箱的两个连接点受到相对变形的影响。尽管源自转子的载荷不对称，主机架左右两侧的变形分布却非常规则并且在主机架上是对称的。总而言之，整个机架变形是非常均衡的，在主机架的前后端没有显著的差异。
　　 这还带来了另外一个好处：除了降低齿轮箱连接处的相对变形，还实现了偏航轴承的载荷均布。通常，风电机组制造商向轴承制造商提供轴承设计所必需的载荷。如果轴承制造商没有获得轴承表面极限和工作载荷分布的资料，他们就使用常规的正弦载荷分布。然而，由于局部变形，对变形敏感的主机架无法使载荷均布在塔架轴承表面。事实上对于管状钢质塔架，在弯矩作用下其壁内应力轨迹确呈正弦分布，但开式主机架实
 

质上相当于一个巨大的但开槽的管状截面。也就是说，它不是管状，局部峰值载荷便会经塔架较大柔性区域传至偏航轴承。因此，这些区域实际受到的载荷远大于理论假定的载荷，而轴承其他区域所受的应力较小。这些偏航轴承处增加的多余载荷很难确定，但它会很快导致轴承发生初始破坏，这些破坏往往是偏航轴承损坏的罪魁祸首。由于闭式主机架尺寸稳定，载荷会更好地传至塔架轴承，从而保护了偏航轴承《图6).
　　6小结
　　改进齿轮箱的方案和采用更坚固的材料只是实现齿轮箱内载荷更好传输的手段之一。基于对影响风电机组载荷的作用时间和类型的全面理解，风电机组工程师可以通过优化传动链最大限度地减小作用于齿轮箱的载荷。通过使用现代模拟工具，PowerWind工程师成功地为PowerWind 90 2.5MW风电机组开发了一种先进的齿轮箱和轴承保护方案，该方案极大地延长了齿轮箱的工作寿命，不仅显著地降低了整体运行成本，而且
极大地提高了风电机组的可靠性。该方案包括：在靠近齿轮箱位置布置第二个主轴承，用于控制主要转子载荷；对齿轮箱采用液压支撑，用于减少次要载荷；使用抗扭主机架，从结构上降低齿轮箱的载荷。这不仅减少了齿轮箱的载荷，还改善了作用于偏航轴承的载荷。通过全功率变流器，现代电子技术方案实现了机械齿轮箱的保护。不像非全功率变流器，全功率变流器可将传动链从电网完全分离，以免齿轮箱受到电网的影响。