2.3 传动系统

叶轮叶片产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机。一般情况下，传动系统主要包括主轴、齿轮箱、联轴器。传动系统的部件和位置如图2-8所示。

风力发电机组传动系统的工作原理为：机组的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时风轮的旋转平面与风向垂直，风轮上的叶片径向安置，与旋转轴相垂直，并与风轮旋转平面构成一角度φ（即安装角）。自然界的风（具有一定的风速）吹到风轮上，便对叶片产生气动力，带动叶片转动，叶片又带动轮毂及安装轮毂的主动轴转动，主动轴通过联轴器连接增速齿轮箱的低速传动轴（小型风力机可以不用联轴器连接而直接做成一体的，甚至不用齿轮箱而直接将风轮轮毂与发电机轴安装在一起），经齿轮传动系统将动力传递到发电机，由此带动发电机发电，输出电能。风轮转动时叶片的受力情况如图2-9所示。

传动过程中包含两个能量转换过程：一是风轮转动后带动主轴旋转，主轴的一端连接齿轮箱，经过齿轮啮合增速，将转速升高，风能转化成为机械能；二是发电机及其控制系统承担了另外一种能量转换的任务，齿轮箱另外一端连接电机，转子高速旋转，电机发电，机械能转换成为电能。

2.3.1 主轴

前端法兰与轮毂相连接，支撑轮毂处传递的负荷，并将扭矩传递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给机舱、塔架。在主轴的中心有一个轴心通孔，作为控制机构通过或电缆传输的通道。主轴、轴承外形如图2-10所示。

2.3.2 齿轮箱

风力机转子旋转产生的能量通过主轴、齿轮箱及高速轴传送到发电机。齿轮箱是一个重要的机械部件，它的主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其达到相应的转速。因此，增速齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，要求体积小、重量轻、性能优良、运行可靠、故障率低。使用齿轮箱可以将风力发电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩，因此，齿轮箱也称为增速箱。风力机上的齿轮箱通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600kW或750kW机组的齿轮比大约为1∶50。齿轮箱外形和内部结构分别如图2-11和图2-12所示。

齿轮和轴承在转动过程中都是非直接接触式的滚动和滑动，这时油起到了润滑的作用。虽然它们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等原因使其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，因而会产生一定的热量。如果这些热量在它们转动的过程中没有消除，势必会越集越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承。因此齿轮和轴承在转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑油一方面起润滑作用，另一方面起冷却作用。

1．箱体

箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。箱体必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。应注意轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。

2．齿轮和轴的连接

风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用要求其选材和结构设计极为严格，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。

为了提高承载能力，齿轮一般都采用优质合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等材料。内齿圈按其结构要求，可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料，也可采用与外齿轮相同的材料。采用锻造方法制取毛坯，可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征。合理的预热处理以及中间和最终热处理工艺保证了材料的综合机械性能达到设计要求。

3．齿轮

（1）齿轮精度。齿轮箱内用作主传动的齿轮精度：外齿轮不低于GB/T 10095.1—2008《圆柱齿轮 精度制 第1部分齿轮同侧齿面偏差的定义和允许值》规定的5级；内齿轮不低于GB/T 10095.1—2008规定的6级。选择齿轮精度时要综合考虑传动系统的实际需要，优秀的传动质量靠传动装置各个组成部分零件的精度和内在质量来保证，不能片面强调提高个别件的要求，使成本大幅度提高，却达不到预定的效果。

（2）渗碳淬火。通常齿轮最终热处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到HRC（60 ±2），同时规定随模数大小而变化的硬化层深度要求，具有良好的抗磨损接触强度，轮齿心部则具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度。

（3）齿形加工。为了减轻齿轮副啮合时的冲击，降低噪声，需要对齿轮的齿形、齿向进行修形。在齿轮设计计算时，已根据齿轮的弯曲强度和接触强度初步确定轮齿的变形量，再结合考虑轴的弯曲、扭转变形以及轴承和箱体的刚度，绘出齿形和齿向修形曲线，并在磨齿时进行修正。

4．滚动轴承

齿轮箱的支承中大量应用滚动轴承，其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小，即使载荷和速度在很宽的范围内变化时也如此。滚动轴承的安装和使用都很方便。但是，当轴的转速接近极限转速时，轴承的承载能力和寿命急剧下降，高速工作时的噪声和振动比较大。齿轮传动时轴和轴承的变形引起齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均匀，降低传动件的承载能力。由于载荷不均匀，会使轮齿经常发生断齿的现象，但在许多情况下，轮齿断齿是由于轴承的质量和其他因素，如剧烈的过载而引起。选用轴承时，不仅要根据载荷的性质，还应根据部件的结构要求来确定。相关技术标准，如DIN ISO 281—2010《滚动轴承额定动荷载和额定寿命标准信息》，或者轴承制造商的样本，都有整套的计算程序可供参考。

5．密封

齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能防止润滑油外泄，同时也能防止杂质进入箱体内。常用的密封分为非接触式密封和接触式密封两种。

（1）非接触式密封。所有的非接触式密封不会产生磨损，使用时间长。

（2）接触式密封。接触式密封使用的密封件应使密封可靠、耐久、摩擦阻力小、容易制造和装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。

2.3.3 联轴器

作为一个柔性轴，联轴器补偿齿轮箱输出轴和发电机转子的平行偏差和角度误差。为了减少传动系统的振动，联轴器需要有较好的阻尼减振特性。联轴器主要用来连接两轴或两轴与其他回转零件，使其一起旋转，起着传递转矩和运动的作用。风力发电机中的联轴器是连接齿轮箱和发电机轴一起转动，并将风能转化为机械能，再由机械能转化为电能的一个关键部件。联轴器的外形如图2-13所示。

联轴器的种类很多，一般根据两轴之间相对位移的情况不同分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。挠性联轴器又可分为无弹性元件的、金属弹性元件的和非金属弹性元件的三种。

1．刚性联轴器

刚性联轴器具有结构简单、制造成本低等优点，但要求被连两轴的对中性较高，位移量很小，传动精度高，传递转矩大，且装拆时轴向移动等特点，宜用于无冲击场合。

2．挠性联轴器

挠性联轴器宜用于位移量较大、转速变化较频繁、两轴轴线的对中性要求不太高的场合，同时还起缓冲和减振的作用。挠性联轴器常造成从动轴的滞后，即影响传动精度。