浅谈大兆瓦半直驱传动系统领域的技术及应用

杨明川?黄翀

摘 要：目前，中速半直驱传动系统在大兆瓦级机组中得到广泛应用，本文对中速半直驱技术特点与优势进行分析，结合双列圆锥滚子轴承技术，柔性销轴技术，行星轴承技术以及精确的载荷处理技术等先进的分析技术对中速半直驱传动系统的关键设计点进行阐述。这些关键设计点是整机可靠性保证。

关键词：中速半直驱；大兆瓦；关键设计点

一、引言

风力发电机组传动系统的结构主要包括双馈机组（高速传动），半直驱机组（中速传动）以及直驱机组（低速传动）。从目前的风电市场来看，在3MW以下的机组，主要由双机组与直驱机组为主，3MW到8MW机型目前主要包含上述三种机型，对8MW以上的机组目前各大整机厂商仍在探索不同的技术路线，半直驱永磁风力发 电具有低速直驱式永磁风力发电机良好的性能，又具有高速双馈感应发电机低成本的特点，具有良好的应用前景。本文针对大兆瓦半直驱传动系统领域的技术及应用进行阐述。

二、中速半直驱式风机的技术特点与优势

1.取消了传统双馈机组的高速级。相比于传统的双馈机组，半直驱式风机风机的传动比较低，因此仅仅需要一级传动或两级传动即可满足速度要求。Romax监控失效数据表明64%的齿轮箱失效与高速级的齿轮和轴承失效相关，因此减少一到两个传动轴能够很大程度上降低故障率，保证风机的可靠运行。

2.提高装配对中性。相比于传统的双馈机组，半直驱式风机取消了齿轮箱弹性支承、发电机弹性支承。弹性支承会随着机组的长时间运行产生沉降，导致发电机与齿轮箱的不对中，产生附加载荷。

3.成本优势。在中速传动齿轮箱中融合目前最为先进的设计理念，包括双列圆锥滚子轴承技术、柔性销轴技术。这些技术的应用大幅缩短传动链的轴向尺寸、径向尺寸，优化结构的同时也大幅降低了重量。为机组的轻量化、紧凑型设计提供方向。

三、中速半直驱式风机设计关键点

1.双列圆锥滚子轴承技术。双列圆锥滚子轴承又称鹦鹉螺轴承，这是一款专门为风力发电机组设计的轴承，此款轴承可承受比较大的弯矩载荷，两列滚子采用背对背安装方式，其承载能力主要由轴承的径向尺寸与接触角决定。双列圆锥滚子轴承的结构示意图如图所示。

在大兆瓦级半直驱风机中，轴承套圈的柔性化可将系统变形反映到轴承的处，进而可以真实的反应滚道内的载荷分布，套圈的椭圆变形与扭曲变形改变了滚道内的载荷分布，影响轴承的使用寿命。因此柔性套圈技术在风机大轴承的设计中起到关键性的作用，为风机的可靠性设计提供依据。

2.柔性销轴技术。柔性销采用双悬臂结构，其主要功能有两个方面，第一弥补行星架的扭转变形、销轴组件的定位精度、齿轮箱其他零部件的加工公差和轴承的间隙等都会引起行星轮之间载荷分配的不均匀。第二保证套筒的平行移动，使得齿向载荷均匀分布。通过上述功能分别保证 与 ，进而保证了轮齿的强度，同时使得齿轮箱的设计更为紧凑，功率密度得到提升。

3.行星轴承技术。为了减小箱体的径向尺寸，满滚子无外圈轴承和滑动轴承在行星传动系统中得到广泛应用。

（1）满滚子无外圈轴承。齿轮箱一体式行星轮轴承齿轮设计方案以行星齿轮为轴承外圈的结构，这种轴承的优点在于在空间尺寸受限时保证了行星轮轮缘的厚度。同时滚动体数量增加，直径增大，轴承的承载能力增强。

（2）滑动轴承。滑动轴承技术目前还未在风电齿轮箱中得到应用。但随着风机的大型化，滑动轴承的技术优势也逐渐的显现。滑动轴承的优点是承载能力高、抗振性好，工作平稳可靠，噪声小，寿命长。在大型风力发电机组中，应用滑动轴承技术可以减少成本、节省空间、降低重量、改善机组的可靠性等。

4.精确的载荷处理技术。一切设计的基础在于载荷的来源，在大兆瓦级风力发电机组中通常采用多体动力学分析技术进行更为精确的载荷处理，目前主流的多体动力学软件包括Bladed、Simpack、S4WT、Romax以及SMT。

四、结语

与传统机风力发电机组相比，中速半直驱式风机有更为突出的技术特点与优势，同时也是未来大兆瓦级风力发电机组的一种趋势，如何抓住风机设计的关键点是保证中速半直驱式风机技术特点与优势前提，同时也是保证整机可靠性的关键因素。

參考文献：

[1]林明， 崔剑平. 几种大型风力发电机组技术特点及应用[J]. 交通科技与经济， 2010， 12（1）：113-115.

[2]张岳， 王凤翔. 半直驱式永磁风力发电机性能研究[C]. 中国电工技术学会大电机专业委员会2009年学术交流会. 2009.

[3]王仕林， 赖如辉， 张鲁红. 华创大风轮低风速区3MW半直驱风力发电机组开发经验谈[C]. 风能产业. 2016.