1.5MW风力发电机主传动系统设计

1.5MW风力发电机主传动系统设计

摘要

现阶段环境问题严峻，以及各种资源的大量开采，因此可再生资源的发展极为重要，我国风能资源丰富，可开发风能巨大，如今风力发电发电量占中国发电方式的9%。

风力发电在国内发展迅速，风力发电机组设备也有很大的发展，此次设计针对于风力发电进行深入描述，对于风力发电机组的组成，风力发电的分类进行了了解，主传动系统的组成以及分类。

主要进行风力发电机主传动系统设计，主轴的支撑方式选择三点支撑，齿轮箱采用混合传动，低速级采用一级行星传动，中速级与高速轴均采用两级平行轴齿轮传动。使用SolidWorks进行3D建模，设计对风力发电机主传动系统的设计与后期有限元分析有一定的意义。

关键字：风力发电，主传动系统，齿轮箱

1绪论 1

1.1风力发电研究的背景 1

1.2风力发电研究的意义 1

1.3 风力发电的国内外现状 2

1.4 风力发电的技术现状与发展趋势 4

1.4.1 技术现状 4

1.4.2 发展趋势 4

1.5课题研究内容 5

2风力发电机组的组成及其分类 6

2.1风力发电机组成 6

2.2风力发电机组的分类 8

2.3本章小结 10

3风力发电系统传动结构设计 11

3.1传动系统结构组成 11

3.2主传动链构件的支撑方式 11

3.3齿轮箱的基本传动形式 12

3.4传动方案选择 12

3.5本章小结 14

4主传动系统设计计算 15

4.1主轴设计 15

4.1.1主轴的作用及结构 15

4.1.2主轴的材料 15

4.1.3主轴的设计计算 15

4.2行星齿轮传动设计 16

4.2.1设计要求 16

4.2.2行星齿轮参数选择 17

4.2.3行星齿轮强度校核 19

4.3平行轴齿轮计算 22

4.3.1中速级齿轮计算 22

4.3.2高速级齿轮计算 25

4.4本章小结 28

5环保性及经济性分析 29

5.1环保性分析 29

5.2经济性分析 29

结论 30

致谢 31

参考文献 32

附录 33

1绪论

1.1风力发电研究的背景

风能是一种可再生的自然能源，具有资源丰富，蕴藏量大，范围广，可再等优点。热空气上升后，低温的冷空气横向流入，上升的空气因逐渐冷却变重而降落，由于地表温度较高又会加热空气使之上升，这种空气的流动就产生了风[1]。我国地域广阔，风能资源丰富，可开发的风能大约在七亿到十二亿千瓦，陆地上的可开发风能约为六亿到十亿千瓦，海上的可开发风能约为一亿到两亿千瓦。在内陆地区中主要分布在东南沿海、西北、东北、华北地区。

人类对于风能的利用已经有了数千年的历史，在蒸汽机的发明之前，风能作为人们利用的主要动力来源，主要用于帆船、灌溉、提取用水、代替畜力磨面、排水造田等，即用于农业生产和交通运输两个方面，现在主要用于风力发电。

“风帆行舟”是人类利用风能最早的方式，中国在公元七百多年的春秋时期就开始使用帆船和风车,是最早利用风能的国家之一，在汉代时对风能的利用已经比较普遍，最辉煌的风帆时代则是明代[2]。风车应用于农业提水灌溉及排水，原理是大自然中风的动能推动风车的叶片转动，使风车围绕轴心作一个圆周运动。丹麦也是一个利用风能历史悠久的国家。十八世纪、十九世纪蒸汽机以及内燃机的发明，让帆船淡出了人们的视线，蒸汽机以及内燃机作为动力代替风帆船。

人们对风力发电的认识是在十九世纪末期，美国人Charles F.Brush安装了一台用于风力发电的风力机，1891年，一个丹麦人Poul la Cour制造了较高效率的风力发电机，发现转速快、叶片较少的风力机比转速慢、叶片多的风力机效率高。而丹麦人Johannes Juul发明了第一台交流的风力发电机。而现在风力机高速发展，风力发电也成为电力发展的一种重要的发电方式。成为人类发展中一种必不可少的动力源。

1.2风力发电研究的意义

能源是人类生产生活中必不可少的物质，人类进步的基石。但是经济发展，能源生产，传化以及使用过程中给人们带给了环境污染，生态气候破坏，气候变化等问题。需要我们进行可持续发展。我国是人口众多、经济快速增长的，人均能源可采储量远低于世界人均水平。二次世界大战时能源紧缺，人们开始发展风力发电，二十世纪七十年代石油危机的爆发，以及现阶段煤矿资源的枯竭，环境问题等都在促进可再生能源的发展，风力发电就成为其中一种重要的发展方式。我国在风力发电机组的设备上大多依赖进口，在风电技术的发展存在一定的缺口，因此发展风电技术具有远大意义。也更应该了解风力发电技术。

1.3风力发电的国内外现状

根据WWEA今天公布的初步统计数据，到2018年底，全球所有风力机的总装机容量达到600GW。2018年增加了53900MW，略高于2017年安装52552MW。 2018年是新装置数量不断增加的第二年，但在2017年增长10.8%之后，增长率为9.8%。在地球上截至2018年底所安装的风力发电机组所产生的电能在所有发电方式占有发电比例百分之七。2018年的主要特征是新的动态：欧洲风电市场正在下滑，大多数欧洲国家的发展都很弱，包括德国，西班牙，法国和意大利。与此同时，中国，印度，巴西，许多其他亚洲市场以及一些非洲国家也出现了强劲的增长。

中国是迄今为止最大的风电市场增加了25.9GW的容量，成为第一个风电装机容量超过200GW的国家。2017年安装了相对温和的19GW之后，相对2017年的装机容量2018年有了一个较大的增长。图1.1是2008年至2018全国新增以及累计装机容量作为世界风电领导者，中国继续保持其无可争议的地位，累计风电容量为221GW。2018年，中国六大区域的风电装机容量所占比例分别为中南地区占28.3%，华北地区占25.8%，西北地区占14.2%，西南地区占5.5%，东北地区占3.2%，三北地区新增装机容量占比为43.2%，中国东南部2018年的新增装机容量占据了全国比例的56.8%。

2018年中国各区域装机情况如图1.2所示，2018年的装机容量2017年相比，中国中南部地区的增长比以往较快，大约增长了33.2%，中南地区主要增长省份有：河南、广西、广东、同时东北、华北和华东这些地区的装机容量都有一定程度上的增加，东北地区装的机容量增长了29.9%，华北地区的装机容量增长了大约8.2%，华东地区的装机容量的增长达到了9.3%，西北和西南地区的装机容量有一定程度的下降趋势，西南地区较2017年相比下降33.8%，西北地区较2017年相比下降11.5%。

在美国政府的大力扶持下美国风力发电机组新装机总量能从2017年的6.7GW增加到2018年的7.6GW。在中国达到超过100GW的装机容量之后，美国将成为第二个国家。

在主要市场中，美国（增加7.6GW，总共达到96GW），德国（新增3GW，总体59GW），印度（增加2.1GW，总容量为35GW）英国（新增2.9GW，总计20.7GW），巴西（新增1.7GW，总计14.5GW）和法国（新增1.5GW，总计15GW）都有大幅的增长。

能源系统正在向可再生能源进行全球转型，风能是这一发展的主要力量，会成为全球电力供应的主要支柱之一。

1.4风力发电的技术现状与发展趋势

1.4.1技术现状

由于电子技术行业、材料科学的不断发展，风力发电的设计制造有很大的跨越。风力发电机组向着水平轴、三叶片、上风向、钢桶塔架发展[3]。如今，世界主流的风力发电机组的额定功率在1-3MW。变速、变桨距的风轮是当今世界风力发电机所采用的主流风轮，齿轮箱采用大增速比的齿轮箱传动，无齿轮的直趋式风力发电机组也在大力发展。

我国的累计装机容量排在世界第一，风力发电设备行业有了一个很大的发展。2018年，中国风电市场有新增装机记录的整机制造企业共22家，新增装机容量2114万千瓦，其中，金风科技新增装机容量达到671万千瓦,市场份额达到31.7%;其次为远景能源、明阳智能、联合动力和上海电气，前五家市场份额合计达到百分之七十五[4]。

1.4.2发展趋势

1、风力发电机组逐渐向水平轴这个方向发展

水平轴风力发电机组技术高，对于风能的利用率较高、整体结构紧凑等方面的优点，成为了当今大型风力发电机组的主流发展方向，在风力发电机组的市场占比达到了94%。垂直轴风力发电机组虽然结构简单，但由于它的风能利用率较低，启动困难以及停机困难等，限制了它的发展，在市场方面并不被人们所看好。由于它的技术特点等原因，国内外并没有停止对它的研究。

2、风力发电机组的单机容量逐渐增大

由于风电行业的逐渐发展，风力发电机组的整机容量、风能利用率等方面的提高。在上个世纪，八十年代初，风力发电机组的单机容量在30KW左右，风轮叶片的直径在15m左右。而现在运行的最大的风力发电机组的单机容量达到了6MW，，叶轮直径达到了120m。随着这些年风力发电机组的设计技术与制造技术的迅猛发展，它的单机容量增加了大概200多倍，风轮直径增加了8倍，如今看来，风力发电机组的发展没有太大的技术限制，从他的经济效益来看，会逐渐向大型化的方向发展。

3、变桨距功率调节方式大力发展

变桨距功率的这种调节方式的安全性能高，承受载荷稳定，效率高，因此在大型风电机组的设计制造中得到大幅使用，国内外的一些风力发电机组的制造商都选择变桨距功率调节。

4、变速恒频技术普遍运用

随着电子技术，计算机技术、控制工程技术的迅速发展，大量的风力发电机组都采用了变速恒频发电技术。与变桨距功率调节这种方式相结合，让风能利用率有了更近一步的提高，性价比高，在发电市场中被迅速推广。

5、叶片材料技术以及外形不断改进

对于额定功率较小的风力发电机组，可以采用增大风轮直径，增高塔架高度，来提高发电容量。当风力发电机组的单机容量越大，体积增大会导致运输难度与安装难度增大，以及成本的增高，叶片的优化设计，以及材料的发展受到人们的重视。特别是碳纤维复合材料的研究，将会成为一个突破点。

6、无齿轮箱直趋式风力机有很大进步

直驱式风力发电机组没有齿轮箱故障，有效减少风力发电机组的故障率，提高了系统运行的稳定性，减少了风力发电机组的维修成本。还能提高风能利用率，改良电网供电质量，具有一个较好的发展前景。

7、风力发电机组从陆地向海洋转移

土地资源、噪声污染、电网规模的等等的条件限制，陆地的风电资源的可开发量不够，与此相反，海上风电的发展没有这么多的限制，海洋有丰富的风力资源，风速比陆地风速高，具有巨大的潜力，特别是对于近海的利用，是以后风力发电的发展方向之一。

1.5课题研究内容

第1章主要讲述了风力发电的研究背景，风力发电的国内外现状，风力发电技术发展现状及趋势；