15MW风机齿轮箱的设计.docx
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15MW风机齿轮箱的设计
摘要
风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣,风电齿轮箱作为风电机组的核心部件,倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。
但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚,技术薄弱,特别是兆瓦级风电齿轮箱,主要依靠引进国外技术。
因此,急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究,真正掌握风电齿轮箱设计制造技术,以实现风机国产化目标。
本文设计的是兆瓦级风力发电机组的齿轮箱,通过方案的选取,齿轮参数计算等对其配套的齿轮箱进行自主设计。
首先,确定齿轮箱的机械结构。
选取一级行星派生型传动方案,通过计算,确定各级传动的齿轮参数。
对行星齿轮传动进行受力分析,得出各级齿轮受力结果。
依据标准进行静强度校核,结果符合安全要求。
其次,基于Pro/E参数化建模功能,运用渐开线方程及螺旋线生成理论,建立斜齿轮的三维参数化模型。
关键词:
风力发电,风机齿轮箱,结构设计,建模
Abstract
Therapiddevelopmentofwindpowerindustryleadtotheprosperityofwindpowerequipmentmanufacturingindustry.Asthecorecomponentofwindturbine,thegearboxisreceivedmuchconcernfromrelatedindustriesandresearchinstitutionbothathomeandabroad.However,duetothedomesticresearchofgearboxforwindturbinestartslate,technologyisweak,especiallyinthegearboxforMWwindturbine,whichmainlyreliedontheintroductionofforeigntechnology.Therefore,itisurgentneedtocarryoutindependentdevelopmentandresearchonMWwindpowergearbox,andtrulymasterthedesignandmanufacturingtechnologyinordertoachievethegoaloflocalization.
Thispapertakesthewindpower。
Theindependentdesignofthegearboxmatchingforthewindturbinehasbeencarriedoutbyselectingthetransmissionschemeandcalculatingthegearparameters。
Firstly,themechanicalstructureofgearboxisdetermined.Thetwo-stagederivationplanetarytransmissionschemeisselected.Thegearparametersofeverystagetransmissioniscalculated.,andtheforceanalysisresultsisobtained.Thestaticstrengthcheckoftoothsurfacecontactisimplementedaccordingtorelatedstandard.Theresultshowsthatitisaccordwithsafetyrequirements.
Secondly,thehelicalgearparametricmodelisestablishedbasedoninvolutescurveequationandgenerationtheoryofspirallinebyusingthefunctionofparametricmodelinginPro/E.
Then,thetoothsurfacecontactstressofthegeartransmissioniscalculated.
KeyWords:
thewindpower,GearboxforWindTurbine;StructureDesign;ParametricModeling
摘要I
AbstractI
目录II
第一章引言1
1.1课题来源1
1.2国内外发展现状与趋势2
1.2.1风力发电国内外发展现状2
1.2.2风电齿轮箱的发展趋势4
1.3课题意义5
1.4论文的主要内容6
第二章齿轮箱的设计6
2.1增速齿轮箱方案设计6
2.2齿轮参数确定8
2.2.1行星轮系的齿轮参数8
2.2.2圆柱级齿轮参数12
2.3受力分析与静强度校核13
2.3.1受力分析13
2.3.2低速级外啮合齿面静强度计算15
2.4传动轴的设计与校核15
2.4.1高速轴的设计与校核15
2.4.2中间轴的设计与校核16
2.4.3低速轴的设计与校核17
2.5键的选择与校核18
2.5.1高速轴上键的选择18
2.5.2中间轴上键的选择18
2.5.3低速轴上键的选择18
2.6轴承的选择及校核19
2.6.1低速轴轴承19
2.6.2中间轴轴承20
2.6.3高速轴轴承21
第三章齿轮箱的密封、润滑和冷却22
3.1齿轮箱的密封22
3.2齿轮箱的润滑、冷却22
第四章齿轮箱的使用及其维护22
4.1安装要求23
4.2定期更换润滑油23
4.3齿轮箱常见故障23
第五章基于Pro/E的斜齿轮参数化造型23
5.1Pro/E参数化建模概述23
5.2齿轮参数化模型建立24
5.2.1设置参数与数学关系式24
5.2.2构造齿廓24
5.2.3生成齿轮25
5.3模型装配26
5.4总结28
参考文献29
第一章引言
1.1课题来源
风是一种潜力很大的新能源,十八世纪初,横扫英法两国的一次狂暴大风,吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船,并有数千人受到伤害,二十五万株大树连根拔起。
仅就拔树一事而论,风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦;一马力等于0.75千瓦)的功率!
有人估计过,地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦,几乎是现在全世界水力发电量的10倍。
目前全世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年内所提供能量的三分之一。
因此,国内外都很重视利用风力来发电,开发新能源。
近10年风力发电增长迅猛,200年以来,全球每年风电装机容量增长速度为20%~30%。
全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示,2008年全球范围内新增风电装机容量2705万kW,使得全球风电装机容量达到1.20亿kW,较2007年增长28.8%。
1998~2008年全球风电装机容量的增长情况。
如图1所示。
我国的风电发展主要集中在2003年以后,尤其是在风电特许权的带动下,2006年我国除台湾外增加风电机组1454台,增加装机容量133.7万kW,比过去20年发展累积的总量还多,仅次于美国、德国、西班牙和印度。
2008年又新增风电装机容量630万kW,新增容量位列全球第2,仅次于美国。
截至2008年底总装机容量达到1215.3万kW,同比增长106%,总装机容量超过了印度,位列全球第4,同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。
图2反映了2000年以来我国风电装机容量的增长。
风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、功率变换器、变压器等部分构成,其中,发电机承担将风能转换为电能的任务,是风力发电系统中的核心部件。
随着风力发电整体技术的发展,风力发电机由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机等。
同时,风力发电机自身技术水平的提高,又有力地促进了风力发电整体技术的进步。
例如,双馈异步发电机及其控制技术的成熟,使变速恒频风力发电得以实现,成为当前风力发电系统的主流。
因此,风力发电机与风力发电系统互为因果,相互促进。
近年来风力发电系统的容量不断增大,特别是低速直驱永磁风力发电系统的快速发展,有力地促进了风力发电机的设计、制造、控制以及运行维护水平的提高,各种新型风力发电机不断出现。
本课题就是建立在对引进的兆瓦级风力发电增速齿轮箱结构技术消化吸收的基础上,对增速齿轮箱进行结构设计,为研发自主知识产权的风机增速齿轮箱打下基础。
1.2国内外发展现状与趋势
1.2.1风力发电国内外发展现状
风力发电的快速增长带动了风电设备制造业的发展,2007年度全球风电设备市场总价值达到360亿美元。
目前,世界上先进的风电设备制造企业主要集中在少数几个国家,如丹麦、德国、西班牙和美国等,著名的公司有Vestas(丹麦)、GEWind(美国)、Gamesa(西班牙)、Enercon(德国)、Suzlon(印度)等。
图3为2007年世界风电机组市场份额图。
2007年,丹麦的Vestas公司占全球市场份额的22.8%,前3位公司占有了市场份额的一半多。
值得一提的是,我国的金风科技股份有限公司也占据了2007年世界风电市场的4.2%。
风电的快速增长同样刺激了我国风电设备制造业的发展,并迅速崛起了像金风科技股份有限公司、华锐风电科技有限公司、湖南湘电风能有限公司、浙江运达风力发电工程有限公司等风电设备制造企业。
这些企业通过对国外风电技术的吸收再创新,形成了较大的生产规模。
目前,国内从事风电设备制造的企业达50余家,而且配件制造企业队伍也在迅速扩大。
2007年我国新增装机容量中,内资企业产品占55.9%,其中金风科技的份额最大,占新增总装机容量的25.1%,占内资企业产品的44.9%;合资企业产品占新增装机容量的1.6%;外资企业产品占42.5%,其中西班牙Gamesa的份额最大,占新增装机容量的39.9%。
国际上,兆瓦级以上的风电机组已经成为主流机型。
如美国:
主流机型1.5MW,丹麦:
主流机型(2.0~3.0)MW。
截至2006年,我国风电机组1MW以下的机组占总装机容量的70%,1MW~2MW之间的风电机型只占26%,2MW以上机型占4%。
根据国家发改委规划,我国未来的风电新增装机将以1.5MW、2MW机型为主,1MW以下机型所占比重将逐渐降低。
风力发电发展的主要趋势:
(1)机组单机容量增大风电机组单机容量的增大有利于提高风能利用率,降低风场的占地面积,降低风电场运行维护成本,从而提高风电的市场竞争力。
目前,国际上主流的风电机组已达到(2~3)MW,由德国Repower公司研制的最大的5MW风电机组已投入运行,其旋翼区直径达到126米。
可以预见,(3~5)MW的风电机组在市场中的比例将日益提高。
2008年2月在布鲁塞尔举行的风能会议和风能展上,有与会者甚至提出了2020年前开发出20MW风电机组的概念。
(2)海上风电迅速兴起海上风能资源丰富,且受环境影响小,海
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