風(fēng)力機(jī)傳動系統(tǒng)與輪轂
The Rotor Shaft,Bearings,and Hub of the Wind Turbine

機(jī)艙設(shè)備與塔架課件中介紹過主軸、主軸軸承與輪轂等傳動鏈相關(guān)設(shè)備,在這里進(jìn)一步介紹其結(jié)構(gòu)。

1. 主軸

風(fēng)力機(jī)主軸就是風(fēng)輪的軸,風(fēng)力機(jī)的增速齒輪箱發(fā)電機(jī)安裝在機(jī)艙內(nèi),風(fēng)輪通過風(fēng)力機(jī)主軸與齒輪箱聯(lián)接,主軸不但要傳輸風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的力矩,還要抗拒風(fēng)輪的擺動,由硬質(zhì)不銹鋼制作。風(fēng)力機(jī)主軸前端有輪轂聯(lián)接法蘭,尾端聯(lián)接齒輪箱。主軸軸心有通孔,是變槳機(jī)構(gòu)控制電纜、油路或機(jī)械桿的通道,主軸主要有柱狀主軸與錐狀主軸2種。

為了風(fēng)力機(jī)在安裝與檢修時鎖定風(fēng)輪不讓轉(zhuǎn)動。在主軸軸承座機(jī)座上安裝有鎖定裝置,鎖定裝置有鎖定銷,把鎖定銷插入主軸鎖定盤鎖定孔內(nèi),就鎖定了主軸。大中型風(fēng)力機(jī)的主軸前端都安裝有風(fēng)輪鎖定盤,圖1是有鎖定盤主軸二個方向的視圖。

帶鎖定盤的風(fēng)力機(jī)主軸
圖1 ?帶鎖定盤的風(fēng)力機(jī)主軸

鎖定盤一般是單獨制作。圖2是單獨制作的鎖定盤,圖(a)是整塊的鎖定盤,圖(b)是幾塊拼接的鎖定盤。單獨制作的鎖定盤用螺栓安裝在主軸前端法蘭上。較小機(jī)型鎖定盤可以與主軸同加工成一個整體。

風(fēng)力機(jī)主軸鎖定盤
圖2 ? 風(fēng)力機(jī)主軸鎖定盤(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

圖3是安裝在機(jī)艙主軸,主軸從機(jī)艙前端伸出,前端是輪轂法蘭鎖定盤。左圖的鎖定盤是完整圓形的,每30度一個鎖定孔。右圖是超大型風(fēng)力機(jī)的鎖定盤有3組鎖定孔,按120度布置,每組2孔的間距是30度。

風(fēng)力機(jī)的主軸鎖定盤
圖3  風(fēng)力機(jī)的主軸鎖定盤(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
 
2. 主軸軸承與鎖定銷
2.1 主軸軸承

一般風(fēng)力機(jī)主軸軸承多為調(diào)心滾子軸承圖4為調(diào)心滾子軸承外觀。

 
風(fēng)力機(jī)主軸軸承
圖4 ??風(fēng)力機(jī)主軸軸承
 
2.2 主軸鎖定

主軸的鎖定裝置安裝在底座上或軸承座上,圖5是集成著鎖定裝置的主軸軸承,在鎖定裝置內(nèi)有鎖定銷

有鎖定裝置的主軸軸承
圖5 ?有鎖定裝置的主軸軸承

主軸鎖定時,鎖定銷頭插入鎖定盤鎖定孔內(nèi),卡死主軸不能轉(zhuǎn)動。鎖定銷較多是液壓驅(qū)動,也有電機(jī)驅(qū)動,電機(jī)驅(qū)動靠螺桿旋轉(zhuǎn)推進(jìn)。下面介紹液壓驅(qū)動鎖定銷。

圖6 左上圖是鎖定銷的外觀圖,鎖定銷是一種長短可以伸縮的圓柱形裝置,把它放入鎖定銷座內(nèi),當(dāng)鎖定銷頭伸出銷座插入鎖定盤的鎖定孔時,主軸被卡死不能轉(zhuǎn)動。

圖6 右下圖是鎖定銷的爆炸圖,鎖定銷內(nèi)是液壓缸,活塞在鎖定銷內(nèi)腔滑動,在活塞外周有密封圈,防止漏油。在缸蓋內(nèi)周也有密封圈,防止液壓油外漏。

風(fēng)力機(jī)鎖定銷結(jié)構(gòu)
圖6  風(fēng)力機(jī)鎖定銷結(jié)構(gòu)

圖7是安裝好的鎖定銷剖視圖。右圖是鎖定銷退回狀態(tài),液壓油從有桿腔油入口進(jìn)入,充滿有桿腔,使鎖定銷退回。左圖是鎖定銷伸出狀態(tài),液壓油從無桿腔油入口進(jìn)入,充滿無桿腔,使鎖定銷伸出,伸出的鎖定銷頭插入鎖定盤的鎖定孔內(nèi),使主軸不能轉(zhuǎn)動。

有桿腔油入口與無桿腔油入口的進(jìn)出油靠換向閥進(jìn)行切換。

鎖定銷工作原理
圖7  ?鎖定銷工作原理

 

3. 軸承的幾種布置結(jié)構(gòu)
3.1 主軸的仰角

由于強(qiáng)風(fēng)時葉片會向后有較大的彎曲,為防止葉片尖端與塔架碰撞,主軸安裝在底座上有一個向上的仰角,一般為5度左右,見圖8

風(fēng)力機(jī)主軸的仰角
圖8   風(fēng)力機(jī)主軸的仰角
 
3.2 軸承的布置

主軸軸承有多種布置方式,這里僅介紹有外主軸的軸承布置。

3.2.1 單軸承支承

單軸承支承懸臂梁結(jié)構(gòu),主軸僅使用一個軸承支承,后軸承置于齒輪箱內(nèi),前支點剛性支撐后支點彈性支撐,與機(jī)架固定的主軸承通常使用調(diào)心滾子軸承,也稱為三點懸吊支承

單軸承支承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最常用的主軸軸承布置方式,見圖9

單主軸軸承支承布置
圖9 ?單主軸軸承支承布置
 

3.2.2 兩點支承布置形式

兩點支承布置為挑臂梁結(jié)構(gòu),主軸由兩個軸承支承,兩支點均為剛性支撐,通過兩軸承間的軸距調(diào)心,改善軸承間配合軸段的受力狀態(tài)。其中兩點支撐又分為兩種情況:

一種是分別使用兩個軸承分開支撐,兩軸承可視為獨立受力,相互影響不大, 見圖10。

兩個軸承支承的布置
圖10 ?兩個軸承支承的布置

另一種是將兩個軸承固定在同一個軸承座內(nèi),起到兩個軸承相互約束的作用,目前超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用這種結(jié)構(gòu),其主軸為大直徑空心主軸,兩個軸承為一對圓錐滾子軸承,是可承載徑向力與軸向力的圓錐調(diào)心滾子軸承。圖11是這種有整體軸承座的兩點支承布置形式。

整體軸承座的兩點支承布置
圖11 ?有整體軸承座的兩點支承布置

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)完全不同,有雙軸承的,有單軸承的,具體介紹見內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式發(fā)電機(jī)單軸承直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組課件。

3. 脹緊聯(lián)結(jié)套

在單軸承支承的懸臂梁結(jié)構(gòu),主軸前端由主軸軸承支撐。主軸后端與齒輪箱聯(lián)結(jié),聯(lián)結(jié)采用脹緊聯(lián)結(jié)套,脹緊聯(lián)結(jié)套簡稱脹緊套脹緊式聯(lián)軸器,是靠摩擦力進(jìn)行聯(lián)結(jié)的裝置。

圖12左圖是脹緊套的剖視圖,主要由外環(huán)內(nèi)環(huán)螺栓組成。在外環(huán)內(nèi)圓周呈圓錐面;在內(nèi)環(huán)外圓周呈圓錐面,錐度與外環(huán)相同,內(nèi)環(huán)的內(nèi)圓周為柱面。外環(huán)與內(nèi)環(huán)用高強(qiáng)度鋼材制作,外環(huán)內(nèi)錐面、內(nèi)環(huán)外錐面與內(nèi)柱面的表面粗糙度要小。當(dāng)螺栓擰緊,內(nèi)環(huán)深入外環(huán),在錐面力作用下,內(nèi)環(huán)直徑縮小。

脹緊聯(lián)結(jié)套
圖12   脹緊聯(lián)結(jié)套

圖12右圖是用脹緊套聯(lián)結(jié)主軸與齒輪箱低速軸的剖視圖。當(dāng)螺栓擰緊,脹緊套內(nèi)環(huán)直徑縮小,把齒輪箱低速軸內(nèi)圓周緊壓在主軸上,通過主軸與齒輪箱低速軸的摩擦力實現(xiàn)聯(lián)結(jié)。

用脹緊套聯(lián)結(jié),主軸和齒輪箱低速軸孔的加工不要求高精度的制造公差,兩者位置無精確要求,只須將螺栓按要求的力矩擰緊即可。脹緊套拆卸方便,拆卸時將螺栓擰松就可以拆開。

脹緊套在超載時,將失去聯(lián)結(jié)作用,可以保護(hù)設(shè)備不受損害。脹緊套具有良好的互換性。脹緊聯(lián)結(jié)套的結(jié)構(gòu)有多種,這里介紹的僅是風(fēng)力機(jī)用的脹緊聯(lián)結(jié)套。

在齒輪箱與發(fā)電機(jī)的聯(lián)結(jié)也會用到脹緊套聯(lián)結(jié)器,一般是集成在膜片聯(lián)軸器上。

圖13是主軸通過脹緊套聯(lián)結(jié)齒輪箱的懸臂梁結(jié)構(gòu)。


主軸與齒輪箱聯(lián)結(jié)
圖13   主軸與齒輪箱聯(lián)結(jié)
 
4. 聯(lián)軸器與制動器

由于安裝誤差,承載后變形與溫度變化等原因,齒輪箱高速軸與發(fā)電機(jī)軸不能保證嚴(yán)格對中,又由于載荷的沖擊、振動等原因,必須采用撓性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)來適應(yīng)這些變化的誤差。風(fēng)力機(jī)一般采用膜片聯(lián)軸器,膜片聯(lián)軸器可提供大的轉(zhuǎn)矩,結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、不需潤滑。

圖14 是風(fēng)電高速軸用的膜片聯(lián)軸器拆解圖,圖中左端聯(lián)結(jié)齒輪箱,一般集成有制動盤。實現(xiàn)撓性聯(lián)結(jié)是依靠彈簧膜片,膜片由彈性好,高抗疲勞,高強(qiáng)度的鋼材制作,是長條形薄片,兩端有安裝孔,4個膜片圍成正方形(孔對齊),將膜片組對角兩孔用螺栓、墊圈、螺母固定在制動盤上,再將另外對角兩孔用螺栓、墊圈、螺母固定在中間體法蘭上,4片疊成膜片組。就完成齒輪箱端的組裝。

在拆解圖右端聯(lián)結(jié)發(fā)電機(jī),4個膜片未疊在一起,顯示膜片的外形。

膜片聯(lián)軸器拆解圖
圖14    膜片聯(lián)軸器拆解圖

把圖中右端分開的4個膜片疊成組,將對角兩孔用螺栓、墊圈、螺母固定在電機(jī)端法蘭上,將另外對角兩孔用螺栓、墊圈、螺母固定在中間體法蘭上,就完成電機(jī)端的組裝。再將兩端膜片組固定到制動盤與電機(jī)端法蘭,組成整個的膜片聯(lián)軸器,見圖15。

聯(lián)軸器左端聯(lián)結(jié)齒輪箱高速軸,在制動盤集成有平鍵聯(lián)軸器,就是普通的方鍵套筒聯(lián)結(jié),與齒輪箱高速軸固定聯(lián)結(jié)。電機(jī)端法蘭集成無鍵聯(lián)軸器,一般使用脹緊套聯(lián)結(jié)電機(jī)軸。

膜片聯(lián)軸器
圖15 ? 膜片聯(lián)軸器

制動盤由液壓制動器進(jìn)行制動。液壓制動器通過螺栓緊固在齒輪箱體上,制動器就是剎車鉗,制動時用液壓驅(qū)動制動器夾緊制動盤,實現(xiàn)制動。有關(guān)制動器原理見風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)中偏航制動裝置。圖16 是膜片聯(lián)軸器與制動器。

膜片聯(lián)軸器與制動器
圖16   膜片聯(lián)軸器與制動器

膜片聯(lián)軸器的膜片組也可以是一張膜片, 在圖17展示的是由單膜片組成的聯(lián)軸器,膜片有四孔,用該膜片代替原4根長條形膜片。

單膜片聯(lián)軸器
圖17  單膜片聯(lián)軸器

單膜片也可以是6孔或8孔的。

 
5. 輪轂的結(jié)構(gòu)
輪轂是用來將葉片連接到風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸上的固定部件,承接來自于葉片轉(zhuǎn)動等產(chǎn)生的力與力矩并傳遞到機(jī)艙,在風(fēng)機(jī)運行過程中,輪轂的受力情況較復(fù)雜,會不斷受隨機(jī)性載荷、周期性載荷的雙重作用。輪轂必須有高強(qiáng)度,重量要輕。

5.1 球形輪轂

在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中較多采用球形輪轂,圖18是球形輪轂的外觀圖與剖視圖。


球形輪轂結(jié)構(gòu)
圖18?  球形輪轂結(jié)構(gòu)

右圖是外觀圖,輪轂有聯(lián)結(jié)主軸的法蘭,有3個安裝變槳軸承的法蘭,繞軸線120度分布。前孔是安裝與維護(hù)出入孔。

變槳軸承法蘭的軸線(葉片軸線)與主軸軸線并不垂直,有個向前傾斜的角度,具體是葉片軸線與主軸垂直平面的夾角,稱之為風(fēng)輪錐角,見圖19。錐角的作用是在風(fēng)輪運行狀態(tài)下防止葉尖與塔架碰撞,其作用與主軸的仰角相同。風(fēng)輪錐角根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)與性能選取。

風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的錐角
圖19 ?風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的錐角

圖20是安裝了變槳軸承的輪轂外觀圖。

球形輪轂與變槳軸承
圖20  球形輪轂與變槳軸承

圖21是安裝了變槳驅(qū)動電機(jī)與變槳控制器的輪轂剖視圖。有關(guān)安裝參見水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂變槳總成裝配。

球形輪轂與變槳系統(tǒng)
圖21  球形輪轂與變槳系統(tǒng) ?
5.2 三圓柱形輪轂

三圓柱形輪轂,也稱三叉形輪轂,圖18是三圓柱形輪轂的正視圖與剖視圖。

三圓柱形輪轂

圖22 ?  三圓柱形輪轂

 

三圓柱形輪轂與主軸
圖23   三圓柱形輪轂與主軸

液壓變槳距系統(tǒng)與外齒輪電動變槳距系統(tǒng)多采用三圓柱形輪轂,參見風(fēng)力機(jī)的獨立變槳距系統(tǒng)的輪轂的結(jié)構(gòu)。齒形帶傳動變槳也用三圓柱形輪轂。

5.3 優(yōu)化的三圓柱形輪轂

一個3兆瓦級的風(fēng)力機(jī)輪轂達(dá)20噸以上,超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂超數(shù)十噸重,為減輕輪轂重量要對輪轂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,盡量減小體積。這種輪轂以不是球形結(jié)構(gòu),有些接近三圓柱形輪轂外形。圖24是優(yōu)化后的輪轂示意圖。

超大型風(fēng)力機(jī)輪轂
圖24   超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂示意圖 ?


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