模块化、组合式风力发电传动系统的制作方法

本实用新型涉及风力发电技术领域，特别是涉及模块化、组合式风力发电传动系统。

背景技术：

风力发电对能源、对自然环境、对社会经济等各方面的积极意义，风力发电所采用的传动路线、布置型式的现状描述因风力发电设备安装位置的特殊性——在人迹罕至的草原、荒漠、高山、海滩、海岛等特殊地带，在数十乃至上百米的塔架上，其安装、维修的难度及工作费用的高昂，是其他行业如钢铁、建材、化工等在地面、在室内工作的传动设备所无法相提并论的。所以，其设备运行的可靠性好、维修性好，是最重要的。

目前大量在应用的风电传动系统的布置形式，主要有以下几种：

1、早期常见的风力发电机组布置形式：大轴独立支撑，末端与齿轮箱连接，齿轮箱高速端连接发电机，图1所示。

此结构就是常说的“一字型”布置。叶轮的异常载荷通常由两个大轴轴承承受，齿轮箱受到的影响较少，各个主要部件间隔相对较大，便于安装和维修，只是机舱轴向尺寸较长，机组总体尺寸较大，重量也比较重。

2、为使整个传动系统轴向尺寸更短，在第一种结构的基础上，人们又进行了改进，省去大轴的叶轮远端的支撑轴承，采用大轴末端直接与齿轮箱输入轴连接的结构，如下图2所示。

这是目前常用的结构，从750kw到mw级基本均大量采用这种结构。

在这种布局情况下，虽然缩短轴向尺寸，但对齿轮箱不利，需要对齿轮箱特别是输出轴承部位采取措施加强其支撑刚性，再加上锁紧盘联接的方式，相当于刚性联接，叶轮运转时特别是风速变化较大时所产生的振动会直接作用于对齿轮箱，振动产生的异常负荷，特别是作用于叶轮上的轴向载荷，对增速齿轮箱的影响会比较大。

3、传动系统轴向尺寸短，更有利于整个系统重心的调整，更有利于整个塔架的安全，也有部分采用如图3所示的u型传动路线的系统结构。

这一结构为了缩短机舱长度尺寸而将发电机反向布置，发电机骑在大轴箱上，这时齿轮箱的输入和输出轴处于同一侧，齿轮箱设计成“u”型，大轴箱与主支架做成一体，具有足够的支撑刚性，机舱内各部分重量的集中度较好，但机舱的空间位置比较紧凑，维护维修不太方便。

4、为了进一步减小机舱体积，也可以省去大轴，如图4所示，将齿轮箱输入轴和叶轮轮毂用过渡法兰直接连接，过渡法兰用一个特殊的轴承支撑。

5、也有少量的将齿轮箱与机舱主支架做成一体，齿轮箱低速级的行星架直接与轮毂联接，使传动线路较短，增加了机组结构刚性，只是主机架和齿轮箱制造难度加大。如图5。

6、半直驱结构形式。明阳风电的scd超紧凑半直驱结构形式，将中速增速齿轮箱和电机整合为一体，具有体积小、重量轻的特点，但对齿轮箱的制造要求比较高，机组的维修性不好。

7、直驱机组，整机不采用齿轮箱增速，叶轮和发电机直接联接。不能增速，不利于发电，应用环境较少。

以上七种布置型式是目前风力发电系统传动装置的主要布置型式。

二、各种布置型式的应用特点及不足之处的分析：

据统计：

目前应用最多的非直驱机型是第一、第二种结构，第二种结构是第一种结构的简化版，如前所述，简化之后对于主齿轮箱来说，其条件相对更为恶劣，使用的可靠性受安装等因素的影响比较大，而安装过程中可能有比较大的不可控性。

第三种结构国内极少见，塔克的600kw机型与此相似，该齿轮箱是平行轴结构，没有行星结构，总体体积相对要大一些。

第四种结构其叶轮与输入轴是用极大的锁紧盘相连；

第五种结构目前应用较少。

以上五种传动结构、布置型式，共同的特点是：

一、大轴与增速主齿轮箱联接联接刚性化；

二、传动系统整体集成化。

先谈谈大轴与齿轮箱联接刚性化，即采用锁紧盘联接，这种联接方式，其优点与不足都很明显：优点是联接轴伸入另一轴的内孔，不仅缩短了轴向尺寸，其中质量较小的部件悬挂在另一大部件上时，不需要找正，而是直接紧固好锁紧盘的螺栓就好。

但在风力发电这样的传动系统中，应用锁紧盘联接大轴与增速主齿轮箱有几个不足：

1、大轴与增速主齿轮箱联接刚性化，叶轮运转及它受风时产生的各种振动附加载荷几乎全部会传递到齿轮箱内，这些振动经过速比变化等作用，会在齿轮箱的高速级等部位放大，对齿轮、轴承的不利影响也会变大，是齿轮箱故障的主要原因之一；且这些振动是变化多端、不易控制的，所以应该尽力想法消除其对齿轮箱的影响。

2、两运动部件联接，其中一个部件的质量相对较小，可以悬挂在另一部件的外伸端时，其自身的重量需要由大部件的外伸端来承受时，采用锁紧盘这个联接方式，应该是最佳选择。因为锁紧盘不仅可以传递扭矩，对被悬部件自身重量的悬臂部位的紧固的效果也是最好的。但风机增速齿轮箱的质量太大，特别是今后的大功率齿轮箱，一端悬臂的安装方式、效果会很不好：

2.1、如果齿轮箱没有安装底座，系统的整个重量均承受在前端轴承上，这个结构具有技术缺陷。

2.2、增速主齿轮箱如果有自己的安装基座，这种安装方式会导致齿轮箱与大轴轴承的过定位，定位精度不好时，还会产生安装不良的附加载荷。这两种附加载荷一旦叠加，齿轮箱的使用寿命必定大打折扣。

3、锁紧盘的安装也需要比较专业的方式、需要安装者有耐心：反复数次按规则紧固螺栓，一旦安装者有操作不当的地方——这些不到当还不便于检查发现——大轴与齿轮箱低速轴内孔之间很容易就会拉伤、胶合，这个后果造成该系统后续诸多麻烦、且费用不菲。

按规矩紧固一台锁紧盘，一般需要比较长的时间。大批量安装锁金盘时质量难于控制。

三、风力发电系统设备维修性不好的原因之简单分析

整个传动系统的另一个问题：集成化。

上述所有传动系统的布置型式，最大的特点就是集成化，集成化具有不足，即：一个部件出现问题，全部设备都受到“牵连”，全部部件受到牵连而整体拆下造成的后果是：装拆困难，起吊难度高；齿轮箱返厂维修运输量大，维修工作多，费用高，主机停机时间长，总体损失成倍增加。

1、叶轮、大轴、增速主齿轮箱基本被集成为一个整体，其中最容易发生故障的是齿轮箱，齿轮箱内部出现一点问题，哪怕只是一个轴承坏了，就几乎要拆除全部部件，尤其大轴装入齿轮箱内部的第2、3、4、5等几种布置型式，连叶轮都得取下。

2、很多例实物因为锁紧盘紧固方式有误、又无法及时发现，大轴与齿轮箱低速轴内孔之间胶合，现场无法拆开，大轴与齿轮箱只能整体取下，返厂采用专用设备压出或者割下，毁掉重要零件。这不仅对起吊设备的要求高(起吊费用也很高，一般装拆一次需人民币十几万元)，拆装的时间长，风机停止运行的时间很长，加上返厂运输的重量增加、对车辆的要求也高很多，费用也急剧上升；回制造厂后，对齿轮箱及大轴的拆卸、检修、恢复等，工作量增加、应用的制造设备更多，所产生的费用，都是同样上升不少。

3、同时，部件修复时间长、风机停运时间长，不能发电造成的损失，与拆卸、安装以及恢复功能等各种工作所产生的不利因素叠加，是恶性循环，双重损失。

正是这些特点，造成了目前风力发电设备的可靠性、维修性不好，修复费用高，停运时间长，对风场的设备管理、生产运行都是极为不利的；特别是这些设备批量大，应用多，更应该重视，采用其维修性好、维护费用低的传动方式及布置型式。

四、各方对维修性好、维护费用低的风力发电系统所采取的措施的现状

维修性好、维护费用低的风力发电系统是大家共同的希望，不同的厂家都在努力想了哪些办法，有：直驱，或者半直驱，将齿轮箱等的制造精度提高等方法。

1、降低齿轮箱的转速，以求使用可靠性好直驱即叶轮大轴直接带动发电机组发电。

半直驱即为减少齿轮箱的增速比，发电机的转速比较低。

常规的风力发电系统，发电机的转速一般设置在1500r/min，1250r/min或者1000r/min，而齿轮箱是所有设备里面故障率最高的，而齿轮箱出故障的部位很大比例在高速轴部位，所以有的厂家就干脆取消齿轮箱、或者降低齿轮箱的运转速度，以求提高风力发电系统的使用可靠性，降低故障率。但，直驱发电和半直驱发电，也有自身的缺陷，即电机级数多，体积大，造价高。

2、提高齿轮箱的制造精度，以求使用寿命长。另有不少厂家就认为国内齿轮箱的制造精度不够高、整体质量不够好，于是就从国外进口齿轮箱，或者从国外买齿轮箱的图纸，配置世界最顶级的机床设备，尽最大的可能提高齿轮箱的制造精度，以达到提高齿轮箱亦即整个发电系统使用可靠性、降低故障率的目的。

提高齿轮箱的制造质量是有作用的，在原有基础上将齿轮箱的使用可靠性提高了很多，但齿轮箱精度提高的成本和使用可靠性变好程度之间是不成比例的；而且，这也并没能解决目前常用的风力发电系统维修性差的痼疾，齿轮箱故障出现时，系统整体拆卸、吊装、运输等费事、费钱、费时、停机时间长的状态，一点都没有得到改变。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供模块化、组合式风力发电传动系统，本实用新型设备运行的可靠性好、维修性好。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种模块化、组合式风力发电传动系统，包括叶轮、传动箱，所述传动箱内平行设有输入轴、输出轴，所述输入轴的一端与叶轮连接，所述输入轴、输出轴之间通过齿轮副传动，所述输出轴的另一端依次连接增速箱、发电机。

优选地，所述输入轴、输出轴的两端分别通过轴承支撑于传动箱的箱体，其中，所述输入轴与叶轮连接的一端通过调心轴承支撑于传动箱的箱体，所述输入轴的另一端通过调心轴承、推力轴承支撑于传动箱的箱体，所述推力轴承位于对应调心轴承的外侧。

优选地，所述输出轴的两端分别通过径向轴承支撑于传动箱的箱体。

优选地，所述输出轴、增速箱的相向端之间通过鼓形齿套连接。

优选地，所述输入轴、输出轴之间为齿轮增速传动。

优选地，所述输入轴、输出轴之间通过人字齿轮传动。

优选地，所述输入轴与对应的人字齿轮通过螺钉固定，所述输出轴与对应的人字齿轮成型为人字齿轮轴。

优选地，所述输出轴的数量为多个，多个输出轴沿输入轴的周向均匀分布。

优选地，所述增速箱采用增速行星齿轮箱。

改善风力发电传动增速系统可维修性的出路，不应该在目前受绝大多数人重视、并为之付出极端努力的系统设备的集成化，相反，其出路应该在各功能的设备的分散化、模块化。

本实用新型采用设备分散化、模块化思维，对增速系统进行分析，找出增速齿轮箱是易出故障的，再将易出故障的部位与其余不易出故障的部位分开布置，改变现有技术中“一处故障、整体株连”的布置型式。本实用新型这种模块化结构还有利于风电设备大批量生产。

附图说明

图1-图5为现有的风电传动系统的布置形式.

图6为本实用新型的结构示意图；

图7a为本实用新型单发电机布置型式示意图；

图7b为本实用新型双发电机机布置型式示意图；

图7c为本实用新型三发电机布置型式示意图；

图7d、图7e为本实用新型四发电机组布置型式示意图。

具体实施方式

下面结合附图标记对本实用新型作进一步说明，附图中，1为叶轮，2为传动箱，3为输入轴，4为人字大齿轮，5为人字齿轮轴，6为鼓形齿套，7为增速行星齿轮箱，8为发电机。

参见图6，为一种模块化、组合式风力发电传动系统，包括叶轮、传动箱，所述传动箱内平行设有输入轴、输出轴，所述输入轴的一端与叶轮连接，所述输入轴、输出轴之间通过齿轮副传动，所述输入轴、输出轴之间为齿轮增速传动。所述输入轴、输出轴之间通过人字齿轮传动。所述输入轴与对应的人字齿轮(人字大齿轮)通过螺钉固定，所述输出轴与对应的人字齿轮(人字小齿轮)成型为人字齿轮轴。所述输出轴的另一端依次连接增速箱、发电机。所述输出轴输出端、增速箱的低速轴端之间通过鼓形齿套连接。所述增速箱采用增速行星齿轮箱。

所述输入轴、输出轴的两端分别通过轴承支撑于传动箱的箱体，其中，所述输入轴与叶轮连接的一端通过调心轴承支撑于传动箱的箱体，所述输入轴的另一端通过调心轴承、推力轴承支撑于传动箱的箱体，所述推力轴承位于对应调心轴承的外侧。所述输出轴的两端分别通过径向轴承支撑于传动箱的箱体。

参见图7a-图7e，所述输出轴的数量可以为单个或多个，当所述输出轴的数量为多个时，多个输出轴沿输入轴的周向均匀分布。各输出轴分别对应连接增速行星齿轮箱、发电机。

本实用新型基本的传动路线是：

叶轮直接装在输入轴(大轴)前端，叶轮转动，装在输入轴上的人字齿轮(大齿轮)带动输出轴上人字齿轮(小齿轮)，输出轴通过鼓形齿齿套带动增速行星齿轮箱，增速行星齿轮箱的高速轴与发电机主轴联接，带动发电机发电。

在多个输出轴沿输入轴的周向均匀分布这种传动路线中，多发电机均布的布置型式有如下特点、或优势：

1、人字齿传动，齿轮啮合的轴向力抵消。人字齿轮副的参数设置，参照别的行业大功率、高冲击的工况进行参数设计，保证其使用性能的可靠、寿命长。

2、多发电机机组均布，大齿轮上的齿轮啮合力抵消，这对大轴上的轴承的作用是非常有好处的。大轴自身，相当于只承受扭矩。

3、关于大轴上的轴承，大轴上的轴承就只承受大轴自身及叶轮的重量所产生的重力，齿轮啮合力不对轴承产生影响。

风吹叶轮转动的轴向推力，由专门的推力滚子轴承来承担，效果好过目前仅仅使用调心滚子轴承。现有技术中仅仅使用的调心滚子轴承有以下两方面的问题：

3.1一是调心滚子轴承对轴向力是非常敏感的：轴向力与综合径向力之比大于e值时，计算轴承当量载荷时，轴向力所乘的系数y2能达到大于6，这对轴承的使用寿命的影响是很大、很不利的。

3.2二是目前这样大轴单独布置，查看、检修、装拆轴承都很方便，不像前的大轴伸进齿轮箱的低速轴内，甚至依靠齿轮箱的轴承来承担叶轮的推力那样，特别不便。

4、大轴单独布置，变桨、偏航所需的各种控制用管线就直接从大轴尾部装入，不再经过增速齿轮箱；因大轴转速低，空间大，中间又没有更多的润滑油等来干扰，安装、检测管线也会更方便、简单。

5、人字齿轮副传动，两侧齿轮的轴向力是相互抵消的，齿轮副的承载能力能够比常规的齿轮大，有助于齿轮直径、重量等尽量小，有助于控制制造成本。

小人字齿轮轴与增速齿轮箱之间采用鼓形齿联接，能消除工作时齿轮轴向轻微窜动，同时再次最大程度过滤掉叶轮在风速变化不定的情况下运转等工况下产生的的振动对增速齿轮箱的影响。

并且，鼓形齿套可以很方便地从小人字齿轮和增速齿轮箱的输出轴上取开，切断动力流，使故障发生率最高的增速齿轮箱很简单地从系统中拆开。

6、增速齿轮箱的特点：

6.1因叶轮出来之后有过一级人字齿变速，增速齿轮箱的增速比就较目前的三级传动的增速齿轮箱小，其体积、重量也小了很多，很方便就能单独取下，维修时的拆装工作量及费用等相应减少幅度能够很大。

6.2同时，因齿轮箱内不再需要布置变桨所需的管线，就可以直接采用行星的输入、输出轴同心的传动方式，这样能最大程度降低齿轮箱的重量。

6.3同时，这种传动方式最直接解放了高速轴的轴承，此前三级传动的增速齿轮箱，其高速轴是平行轴展开的传动方式，因高速轴转速高、功率大、齿轮啮合所产生的圆周力、径向力、轴向力等综合作用在高速轴承上，使轴承的载荷很大，造成其允许的极限转速达不到要求、轴承的使用寿命不长等，使得对大功率风力增速齿轮箱的应用迟迟不能铺开。

行星传动、输入输出同心时，作为太阳轮的高速轴上齿轮部位的齿轮啮合力抵消，高速轴只承受纯扭矩，轴承不再承受齿轮啮合力、仅仅承受高速轴自身的重量，轴承运行时的当量载荷几乎可以忽略不计，轴承的极限转速及寿命等各种指标的要求就容易得到满足，这能提高了齿轮箱的运行可靠性、提高齿轮箱的使用寿命。

6.4关于齿轮箱速比设置的说明：

关于齿轮箱速比，可以有两种方式：当发电机功率比较小的时候，发电机一般采用1500r/min的转速，行星齿轮箱需要采用两级行星传动，速比设置为30多，加上人字齿轮副的速比，总速比大于80；(还需要考虑低风速风区风场情况，速比可能需要适当提高)当发电机功率比较大(尤其是大于1.5mw)的时候，建议采用740r/min转速，这样配置时，行星齿轮箱可采用一级传动，速比在9～10左右，总速比设置为40多一点。单级行星齿轮箱的结构更为简单，而且因为结构简单，在参数设计合理的情况下，其使用的可靠性会大幅度提高。制造、维修价格以及工作量等，也会相对大幅下降。速比的具体设置需要根据风电系统的具体特点确定。

风力发电系统设备布置分散化、模块化后的价格粗略比较及优点说明：为说明整个系统分散化、模块化后的整体价格，暂以1.5mw，发电机转速1500r/min风机为例，做一个说明简单。

1、大轴、人字齿轮辐，常规的轴承及底座(箱体，风电机组机座比较重，价格较贵)，价格约五十五万元。

2、增速齿轮箱价格约四十万元左右，采用进口轴承，包括内齿圈在内的所有齿轮磨齿(如采用一级行星传动结构，齿轮箱价格应该能再降低约15％余)。

3、底座，按常规的安装方式，齿轮箱和电机的公用安装底座，价格十多万元。

如果能达到这样的价格，与目前的三级传动的增速齿轮箱，加上大轴、大轴的安装座及锁紧盘等主要部件，总价相差不大，应该还略微低一点。(所有价格，按建材、钢铁等行业的常规要求齿轮箱进行初步测算的，如果风力发电对齿轮箱重要零件的材料、整体在线监测等方面有特殊要求，需要针对具体参数和要求进行仔细核算。

4、模块化、组合搭配机组的价格优势

4.1采用这种模式，单发电机系统的总价与目前的系统价格相差不大；

如果采用双发电机机布置型式，系统总功率就增加一倍(叶轮做相应的变化)，而大轴与人字大齿轮及轴承等不需要增加，“体积已经变小、重量已经减轻的增速齿轮箱多加一台，发电机增加一台；费用就会远远低于原来的布置方式的3000千瓦机组的总价。

4.2三发电机布置型式，四发电机组布置型式，如果电机能布置得开，都能够布置，发电功率成比例倍增，而大轴、大人字齿仍旧只有一件就能满足需要。这种情况下，总价的对比，就会有更大的优势了。

4.3采用这种模块化的组合搭配布置方式，可以形成这样一种制造局面：在风力资源不同、发电能力相差很大的不同地区，无论1mw，2mw，还是3mw，乃至4mw，或者1.5mw，3mw，4.5mw，6mw的机组，都可以用1mw或者1.5mw的齿轮箱、发电机进行组合搭配安装。用户面对的设备，无论大小功率，都是一样的，组合方式不一样而已。

4.4多台中大型设备组合达到大型设备的功能，其做法也是很有积极意义的：比如：以1.5mw中高速级采用行星、同心传动方式增速齿轮箱为例，齿轮箱与大人字齿轮副，目前国内已有的机床设备就具有有足够的制造能力，数量也是足够的。

假如要制造6mw的大型三级行星减速器，不说行星架、进口轴承等众多零件，单是大内齿圈的制造，绝大多数厂家目前的制造设备都是不足用的；锻压设备、插齿、磨齿设备乃至热处理设备，都可能还需要升级，这也需要一大笔费用，以及时间。

超大功率齿轮箱的设计、制造、安装，都还有很多不确定因素，还需要时间来验证，这中间，也存在一些不可控的风险。模块化组合模式，将超大功率齿轮箱的全程风险化解。

4.5对于制造厂来说，只制造一种齿轮、一种齿轮箱，生产的安排变得简单、更容易调剂，生产进度能够得到更好的保证，尤其因为批量生产的原因，其制造成本可以再次降低。

5、对使用用户来说，也有好处：

5.1首先，安装调试工作更为简单，方便，易于检查，安装的状态能真实保证(齿轮啮合痕迹的检查，方便易行，可靠)；小人字齿与增速齿轮箱之间找正方便、简单，鼓形齿联轴器本身也允许一定范围的不对中的状态，鼓形齿传动可靠，还能再次过滤掉前端的振动，对齿轮箱的运行很有好处。

5.2运行状态容易得到保证：对机器设备来说，太小或太大，都不容易制造，或者说，太小或太大的机器设备，其制造成本和使用状态都会与收益不成比例；中型的机器，制造成本最低，有在其他行业数十年的成熟使用经验，新设计时参数调整没有盲区、没有障碍点，容易满足要求，其运行状态的可靠性易得到保证。

5.3拆卸方便、相对简单容易、费用大幅降低：目前的风力发电设备，故障率最高的还是主增速齿轮箱，现在将齿轮箱中易出故障的中、高速部分单独设置，其内部结构得到简化、增强使用可靠性之外，如果真出了故障，将鼓形齿联轴器脱开，齿轮箱自身能单独取下(该齿轮箱比去除了低速级的三级传动齿轮箱轻很多，能够方便吊离，而且因为重量更轻，拆装时间短，起吊装费用也大幅下降)。

5.4停机时间短、所需的备机少：

此前，齿轮箱故障后，得全部取下，大轴往往与齿轮箱“咬死”，而齿轮箱结构又复杂，在风场现场无法进行维修，该风机就完全停止工作，这个停工时间少则可能需要一两个月。

采用这种模块化布置之后，调出损坏的齿轮箱之后，可以马上吊上一台备用齿轮箱上去，简单找正紧固之后，就能恢复运行，三五天整台风机即能恢复运行。

5.5再则，即使没有合适的备用齿轮箱，少一台电机工作，其他没有损坏的机组也可以继续发电，不会整个风机全部停运。

5.6甚至，可以根据季节风速的变化，人为切断系统中的一台或两台发电机，剩下的机组也能正常发电。

一个风场，可能有几百上千台风机，准备少量的备用齿轮箱或其他备品，风场风机的运转率就会得到最有效的保证，其经济效益是非常可观的。

结语：

本实用新型这种不再集成化，而是采用分散化、模块化、组合式的方案，将易出故障的增速齿轮箱部分单独提出，配置多个运行多年、性能成熟的中档功率机型进行组合搭配的布置型式的风力发电传动系统，有如下好处：

能够比较大幅度地改善目前风力发电机组的安装不便、不易保证安装质量，拆卸困难，吊装困难，维修工作量大、停机时间长等问题；

能够降低拆卸、吊装、运输等过高的费用；

能够让维修工作变得更容易、工作量更少、从而也费用更低、损失更小；

能够使增速齿轮箱的运行可靠性得到更好的提升；

能够使整体制造成本降低、尤其是大功率风机的制造成本，下降的幅度更大。

能够使大功率风机实现多工况运行发电；

能够使风机故障停机的时间降到最低。

能够使我们的风力发电系统，可以自行设计，根据自身的特点进行优化，不再受国外公司的制约。

这种布置方式，无论对制造厂家、还是使用者、还是今后的后续维修服务的参与者，都有百利而无一害。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。