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风机传动链结构概述

发布日期:2015-01-28 21:01:14  点击量:6451   信息来源:原创

常见工业风机主要由机械系统、控制系统、电气系统等组成。而机械系统又属于风机的薄弱环节,尤其风机传动链部分故障导致的停机引发了相当多的关注。何为风机传动链,风机传动链的基本结构特征如何,本文将一一阐述,为分析并提高风机传动链乃至风机的可靠性提供基本的参考意见。

通常风机分为两种:竖直轴风机和水平轴风机(如图1)。竖直轴风机的最大优点就是他们可以接受来自各个方向的风。因而就解决了根据风向定位叶片的问题。另外竖直风机同样含有传动链,而他们的传动链通常无法达到额定寿命。与竖直轴风机相比,水平轴风机的机械效率更高。因此目前工业中绝大多数设计采用水平轴风机,而且本文的概述对象也是水平轴风机。传动链是风机将叶片产生的机械能传递给发电机端以供其发电的单元。根据不同的设计标准和设计要求传动链有多种不同的配置。常见的传动链有四种:模块化传动链,集成式传动链,部分集成式传动链,直驱传动链。哪种类型的传动链的优点最大,目前还没有较为一致的定论。



(a)竖直轴风机                           (b)水平轴风机



1. 模块化传动链

目前大多数风机传动链采用模块化布置。传动链所有的单元均放置在支撑台架上,且支撑台架具有一定的扭转刚度。不过关于台架的真实特性仍有争论,理论分析传动链的动态特性时应充分考虑台架的柔性,因为台架的柔性不仅影响传动链不同单元之间的耦合效果而且影响其自身的振动特性。传动链主要包含主轴或者称为低速轴,增速齿轮箱,刹车盘,联轴器和发电机。

模块化配置允许非垂直性设计,这也意味着传动链不同单元可以来自于不同的供应商。供应商之间的竞争使得风机的成本从根本上减少,同时也降低了整机厂商的内部需求。模块化传动链布置如图2.所示。



图2.模块化传动链



2.集成式传动链

集成式传动链包含上述模块化传动链的所有单元。不同的是集成式传动链中,齿轮箱为主要单元,其他部分附加于齿轮箱上。这种紧密的设计不需要台架,因而传动链质量较小,并且能够有效减小轴和其他单元间的不对中现象。

集成化设计的最大缺陷就是传动链某个单元的缺陷会使整个传动链失效,进而带来高额的维修费用。另外,由于齿轮箱变成传动链的主体核心部件,齿轮箱需要支撑叶片,故而箱体的结构设计要求很高。而且这种集成式设计很难完全消除来自叶片力的波动,这些叶片带来的激励会传递到传动链其他单元,并且减少其他传动链单元的工作寿命。

从设计的角度来看,集成式传动链的布置主要在于齿轮箱的设计。因此该传动链的设计过程必须与整机设计过程保持协调一致。从一定程度上说这阻止了整机厂商与不同齿轮箱供应商间的合作,齿轮箱的设计通常由整机生产厂商自己负责,无疑增加了整机的成本。集成式传动链典型布置如图3所示。




图3.集成式传动链示意图



3.半集成式传动链

顾名思义,半集成式传动链是模块化和集成化传动链的结合。半集成式传动链如同模块化设计一样采用了支撑各单元的台架,同时其他部分单元集成在一起。最常见的配置是齿轮箱-发电机集成或者齿轮箱-轮毂集成。在齿轮箱-轮毂集成的结构中,必须遵守如前所述的垂直设计过程,因为齿轮箱成为了风机的一个结构单元。而对于发电机-齿轮箱集成机构来说,不需要完全垂直的设计,不过齿轮箱供应商和发电机供应商之间需要精确的协调交流。一般说来这些问题使得设计过程变得缓慢,并且增加了成本。半集成式传动链配置如图4所示。


图4. 半集成式传动链示意图



4.直驱式传动链

直驱式传动链的主要不同点在于它采用了一种特殊的发电机,发电机直接与叶片相连,因而可以省去增速齿轮箱。这种发电机需要在非常小的角速度下工作。为此,需增加发电机的电极数目,因而发电机的尺寸也大大增加。采用空气或者液体对这些较大尺寸的发电机进行冷却以防止其过热失效。虽然表面看起来稳磁发电机是这类发电机最经济的选择,不过它的成本仍然远高于模块化传动链中的发电机。

直驱传动链方法中,风机制造商设计整个传动链,即垂直设计方法。通常该设计过程中唯一的相互关系来自于风机制造商和发电机供应商,两者需要就尺寸约束和耦合要求进行讨论协商。尽管直驱式配置消除了齿轮箱的问题,不过它的成本是个非常大的问题。因此大多数工业部门采用模块化传动链的布置。不过一些欧洲公司如Enercon采用了这个概念。直驱式传动链如图5所示。



图5.直驱式传动链布置



各种传动链布置对比

这部分给出了一个描述不同传动链特征的图表。如表1所示,此处所说的模块化传动链不是垂直设计过程。因此其设计阶段通常包含了大量传动链以及齿轮箱的供应商。同时模块化大量的部件减小了工业成本,不过却给布置安装增加了困难。集成和半集成式传动链设计只需要较少的部件,不过他们的部件都需要特别的配置,因而使得该非垂直设计过程变得更加复杂。直驱传动链布置大多数支撑垂直设计过程,因为它包含较少的部件而且传动链所有的单元都集成在结构上。


表1. 各传动链参数对比




目前工业中常用模块化传动链,研究人员的将重点放在了模块化传动链。但是对各种传动链的概述有利于研究人员对模块化传动链有更直接的认识,这也是接下来传动链动态特性研究的基础知识储备。


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