单位文秘网 2021-07-05 08:06:37 点击: 次
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摘 要: 在风力发电系统的研究和开发中,由于受气象环境、地理条件的限制,无法对风力发电系统进行以全生命周期作为评价的实验测试,尤其是动力传输系统。传动链在风电机组的传动系统中起到传递叶轮扭矩的作用。本文介绍了风电机组用于海上风电情况下,对于传动链设计的可能布局和轴承配置形式。同时,对于海上风电的应用环境,传动链设计应着重于提高机组的可靠性,采用冗余设计,并允许采用高叶尖速带来的可能益处。
关键词:海上风电;风电机组;传动链;轴承;效率;评估
中图分类号:TM614 文献标识码:A 文章编号:1674-9219(2014)02-0098-04
Research of Transmission Chain of Large Offshore Wind Turbines
Yu Liping
(Goldwind Science &Technology Co.,Ltd., Beijing 100176, China)
Abstract: In the research and development of wind power generation system, wind power generating system can’t be tested with full life cycle because of the limitation of meteorological environment and geographical conditions,especially the power transmission system. Tis article introduced the drive chain design layout and the bearing arrangement form of ofshore wind power generator. At the same time, for the application environment of ofshore wind power, drive chain design should focus on improving the reliability, redundancy design and allow the potential benefts brought by the high tip speed.
Keywords: ofshore wind power; wind turbine;drive chain; bearing;efciency;evaluation
0 引言
随着风电技术逐渐由陆上延伸到海上,海上风电已经成为世界可再生能源发展领域的焦点。与陆上风电相比,海上风电的特点为:风能资源储量大、风况好、低风切变、低湍流强度,但同时工作环境复杂、机组维护难度较大。因此,在海上风电机组传动系统设计选型时,应以结构简单、可靠性高、降低维护量作为选择的主要依据。而且要求风电机组具有更长寿命(25年-30年)和更大的容量(5MW-10MW)。继陆地风场被大规模开发后,机组单机容量大型化趋势明显。传动链作为风电机组最核心的系统之一,在设计、布局、应用分析、安装维护等方面有着极其重大的影响。目前风电机组传动系统布置主要包括双馈式、直驱式、半直驱式及液力传动等几种常见方式。由于主传动链形式的不同,风电机组主轴系的结构方案亦有多种形式。其结构和布局型式不仅影响风能转换效率,而且决定了主传动链的维护成本[1],影响机组的竞争力。
1 传动链的形式
1.1 双馈型式的风电机组传动链
双馈型式的风电机组传动链的特征:轮毂由特殊轴承支撑在底座上,轮毂通过两段轴与齿轮箱输入端刚性相连。齿轮箱与发电机之间用联轴器连接。发电机、变压器及变流器由底座后部的桁架结构支撑。润滑和冷却系统置于机舱内。优点是模块化功能设计,传动链上每个单元所承担作用清晰,轮毂、齿轮箱、电机可单独维修或拆除,方便维护。
1.2 半直驱机组的传动链
目前已有的半直驱风电机组基本分为传统分布式传动链和集成式传动链两大类。传统分布式传动系(参见图1)与传统机组(如金风科技750kW机组)的传动系布局基本一样,主轴的前端法兰连接叶轮轮毂,主轴承在主轴前部支撑主轴,主轴的另一端由胀紧套连接到齿轮箱的输入端,齿轮箱输出端装有机械刹车并通过联轴器和发电机连接。
齿轮箱与发电机集成式传动系(参见图2)源于Multbird概念,这种传动系的基本特征是一级行星齿轮箱与永磁同步发电机集成,叶轮轮毂直接与齿轮箱的输入端连接并由安装在齿轮箱输入端的特制主轴承支撑,整个传动系的支撑由齿轮箱和发电机的壳体承担,该壳体与底座法兰连接(如WinWinD公司的1MW、3MW机组)或与底座集成(如Miltibrid公司的1.5MW、5MW机组)。这种机型结构非常紧凑,机头重量轻。另一方面,发生故障需要拆下或更换齿轮箱或发电机组件或部件时,需先拆下叶轮,这种维护与重新吊装相当。所以这种结构对齿轮箱及发电机的可靠性要求很高。
半直驱传动系统的设计和优化也是总体设计技术中的技术难点。采用传动链中增加单级齿轮箱的半直驱传动技术方案,能够使传动系统的尺寸和重量减小。但是,由于单级齿轮传动与电机连接,在技术上存在两大难题:①单级齿轮传动的设计,包括传动类型选择、传动零件优化设计、结构设计;②齿轮箱内的润滑、冷却及密封问题;③齿轮箱与轮毂、电机联接方式的选择、设计。
1.3 直驱机组的传动链型式及特点
传动系是机组的最主要部分,涵盖了叶轮、定轴、转轴、发电机等。传动系布局按照发电机定、转子之间的相对位置可以分为内转子布局和外转子布局。
直驱风电机组省去齿轮箱以及高速转动部件,叶轮直接驱动发电机转子,结构简单紧凑而且传动链转速低,具有可靠性高、可利用率高、可维护性好、维护成本低的特点,更适合未来海上风电对整机的要求。目前直驱机组根据励磁方式的不同主要有励磁电机和永磁电机两种。永磁电机使用永磁材料,没有励磁绕组和滑环碳刷,更可靠安全,效率高易维护,成本较高;励磁电机需要励磁线圈和滑环,需维护。控制线路复杂。相对于永磁电机效率低、质量大,转子部分的重量比永磁机组转子重约25%,但其具有价格低的优势。因海上机组高可靠性的要求,永磁直驱机组更适合海上。
与其它机组不同,永磁直驱机组的发电机与传动系因为磁拉力、装配和吊装等因素,互相耦合,不可分割,常规的单一目标评估方式已不适用,需要综合考虑多种因素,对主轴系进行设计和评定。
2 设计原则、依据及其分析
传动链方案设计的内容是确定传动系上主要部件(如主轴、主轴承、齿轮箱和发电机)的布局及各部件间的连接方式。传动链方案设计在风电机组概念设计阶段非常重要,它将决定整机结构布局,应考充分考虑技术性、经济性、可靠性、可维护性、制造工艺性和其它原则来进行设计。这些原则可能会在一定程度上发生交叉和冲突,必需综合权衡各原则并有所侧重来进行传动系方案设计。
2.1 技术性
技术性要求尽可能采用成熟的新技术、新材料、新工艺以保证新机组的研发在技术上的成熟性和新颖性。另一方面,应采用尽可能简单的设计,以减小传动系上各部件的设计难度和设计周期。技术性原则是技术成熟度和技术新颖性的一对矛盾的统一体,实际上是对两者的折衷。基于技术性原则,有时也用“参考样机设计法”,进行新机型的设计。
2.2 经济性
经济性要求传动系的制造成本、运行及维护成本尽可能低。经济性指标可以由传动系的度电成本来度量。
COE = (FCR × ICC + AOM) / AEP[1] (1)
式中,
COE —— 度电成本($/kWh);
FCR —— 固定费率(1/yr);
ICC —— 初始投资($);
AOM —— 年运行和维护成本($/yr)
AEP —— 年发电量(kWh/yr)。
图3是美国可再生能源实验室(NREL)的由Global Energy Concepts, LLC编写的传动系研究报告中估算的各种传动系的度电成本,其中750kW和3MW的度电成本由1.5MW机组的度电成本比例缩放而得到。按照他们的研究结果,在直驱、半直驱和传统机组中,直驱式(Direct drive)机组的传动系度电成本最高并且随容量的增加而增加,传统(Baseline)机组的传动系度电成本居中,而带有一级齿轮箱的半直驱(Single PM)机组的传动系度电成本最低。
但NREL的由Northern Power Systems编写的另一份研究报告[1]得出的结论与上述结论有所不同。在传动系方面,他们认为半直驱的传动系成本比传统传动系高1%,而直驱式传动系的成本比传统传动系高14%。在整机度电成本方面,直驱机组与传统机组相当(3.42 cent/kWh),而半直驱机组在三者中最低(3.39 cent/kWh)。
2.3 可靠性
2.3.1 固有可靠性
传动系的固有可靠性可以用串联模型来衡量,即传动系可利用率等于各部件的可利用率的乘积。从这个意义上来讲,传动链越长,传动系上部件越多,发生故障的概率也越高,机组固有可靠性越差,反之,传动链越短机组固有可靠性越好。所以,可以认为在上述三种传动系中直驱方式机组的固有可靠性最好,半直驱方式次之,传统分布式较差。
2.3.2 可维护性
可维护性是广义可靠性的一部分,良好的可维护性可缩短累积停机时间从而增加机组的可利用率,在一定程度上弥补机组固有可靠性的不足,这正是传统风电机组在风电史上一直占有重要席位的原因之一。可维护性要求机组传动系易于维护,能够在尽可能短的时间内完成故障零部件的修复和失效零部件的更换,也就是要求传动系上各部件间应有充足的维修空间和便于拆卸的连接方式。
2.4 工艺性
工艺性要求机组传动系易于制造和装配,各零部件应有良好的工艺性(包括铸造工艺性、焊接工艺性、机加工工艺性、热处理工艺性、装配工艺性等等)。国内的制造业的技术水平和生产设备与国外发达国家有不小差距,为保证机组国产化率,制造工艺性是传动系方案设计时不得不考虑的因素之一,也是风电机组能否产业化的关键。
3 直驱机组的传动系设计
直驱机组的主轴系设计,具有涉及边界条件、影响因素众多、目标约束不单一的特点,必需经过反复迭代。因此需要通过系统化的设计与评估,综合考虑各方面的因素,实现主轴系整体的性能平衡。
风电机组的轴系配置,主要有刚性轴系和挠性轴系两种。刚性轴系的特点是采用可以预紧的圆锥滚子轴承,合理选定轴承的预紧值,以适应风电机组各种载荷工况的要求,提高轴系的刚度;挠性轴系一般采用的两个球面滚子轴承(SRB+SRB)以承载弯矩,适用于长轴设计。
直驱机组轴系的主要作用之一是在运转情况下维持发电机气隙在设计允许的变动范围内。发电机的允许的气隙变动范围为设计气隙宽度的10%-30%。大容量直驱风电机组的发电机设计转子气隙处直径约为6-8m,而气隙宽度仅约为10mm,运转过程中,热态气隙甚至更小。因此,在大的气隙直径的要求下,维持气隙宽度的变化在设计要求内,首先要求轴系具有足够的刚度。为保证发电机气隙稳定,直驱机组多采用刚性轴承配置,这些轴系的圆锥滚子轴承一般都处于预紧状态。
刚性轴系主要有三类配置:双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承组合(DRTRB+CRB),单个大倾角双列圆锥滚子轴承(Single DRTRB),两个单列圆锥滚子轴承(TRB+TRB)。如图4—6所示,图示中结构为直驱风电机组采用三种轴承配置的可能结构。
4 海上机组传动系设计要求
对于海上机组传动系设计,应达到以下几个目标:简单紧凑的结构;采用冗余设计,降低机组的故障停机;尽可能少的维护部件,且易维护;适应海上盐雾和高湿度的环境;
由于海上风场对可接受的噪音等级比陆上更高,因此,允许提高机组的叶尖速比。通常目前已运行样机或者正在设计的海上风电机组的叶尖速度均在90m/s以上,国外某些机构在探讨120m/s叶尖速度的可行性[3]。对于同等容量和同样叶轮直径的直驱机组上,在采用高尖速比设计的叶片的情况下,可以降低叶片载荷以及传动链载荷[1](相比于陆上同容量和叶尖叶轮直径的机组)。因此,有利于降低传动链结构部件的重量。同时,高叶尖速提高了发电机转速,传动链的扭矩降低,有利于减小发电机直径,以及减少磁钢等材料的用量。
在现有海上直驱风电机组设计中,通常采用2套—4套独立电机绕组和变流器(容量为电机额定容量的1/4—1/2)的冗余设计,这样能尽量减少发电机或变流器故障导致的停机,减少停机带来的电量损失。同时,在传动链上应在线状态和故障诊断设备来提前预判机组运行状态,以减少停机时间。例如完善发电机的状态监控(气隙、温度的监控),轴承的振动和温度监控等。因此,对于海上直驱风电机组传动链设计,应围绕高叶尖速进行相应的传动链设计,同时采用冗余设计,以可靠性为首要目的,尽量缩短机组故障的停机时间,降低故障率。
5 结论
对于海上风电机组,应围绕提高机组可靠性,利用高叶尖速给传动链带来的益处,选择合适的传动链布局。通过上面的分析,得出以下结论:
(1)海上直驱机组传动链的设计主要以高可靠性为主,单轴承轴系更能发挥直驱机组结构紧凑、易维护、重量轻的优点;
(2)永磁发电机应采用多套独立绕组和变流器设计,挺高冗余度和可靠性;
(3)对现有海上风电机组的研究以及对风电行业的发展方向的分析的基础上,通过几种独立的风电机组选型思路;然后经过汇总、打分等定性的方式,统一成对不同传动链形式进行详细分析;最后在初步三维造型及零部件选型的基础上,经过bladed等软件进行初步载荷计算,用定量的载荷数据、零部件重量及各零部件的估计价格作为支撑,决定出一种最合适的的海上风电机组的传动链设计方案。
参考文献
[1]Jamieson, P. Innovation in Wind Turbine Design [M]. West Sussex:John Willey & Sons, Ltd., Publication, 2011: 132, 135.
[2]Klinger, F. Direct-Drive The Future of Wind Power[M]. 2008.
[3]张立志,胡星.风电机组安全运行研究[J].风能,2012(1):92-94.
收稿日期:2013-11-05。
作者简介:
俞黎萍(1966-),女,本科,高级工程师,主要从事风力发电设备的技术研发等工作。
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