4.2.10.1 齿轮
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。风力机所采用的齿轮箱一般都是增速作用，风轮的转速较低，远达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱的增速作用来实现，故也将齿轮箱称为增速箱。由于受结构和加工条件限制，单级齿轮传动的传动比不能太大，而每个齿轮的齿数也不能太少。因此，在需要大传动比的场合，采用多级齿轮构成的轮系实现传动。
轮系传动分为定轴轮系传动和周转轮系传动。定轴轮系中，所有齿轮的轴线位置不变，如果各轴线相互平行，则称为平面定轴轮系，或平行轴轮系。定轴线齿轮传动结构简单，维护容易，造价低廉。图4-42所示为一个三级平行轴齿轮传动装置。
图4-42 定轴轮系
图4-43 行星轮系基本结构示意图
周转轮系中，至少有一个齿轮的轴线可以绕其他齿轮轴线转动。其中只有一个齿轮轴可以绕其他齿轮轴转动的轮系称为行星轮系。图4-43所示为一种行星轮系的基本结构示意图，其中轴线可动的齿轮称为行星轮，位于中间的齿轮称为太阳轮，行星轮与太阳轮及外部的内齿圈啮合，太阳轮和内齿圈的轴线不变，其中内齿圈固定不动，行星轮即绕自身轴线转动，同时其轴线还绕太阳轮转动。行星齿轮传动特点是，在传递动力时可以进行功率分流；输入轴和输出轴具有同轴性，也就是输出轴和输入轴均设置在同一主轴线上。在体积小、质量轻、结构紧凑、传动效率高，以及需要差速合成或分解运动的齿轮传动中，行星齿轮应用越来越广泛。行星齿轮主要具有以下特点：
（1）体积小，质量小，结构紧凑，承载能力大。由于行星齿轮传动具有功率分流能力，且各中心轮构成共轴线式的传动，能合理地应用内啮合齿轮副，因此可使结构非常紧凑。还由于在中心轮周围均匀地分布着数个行星齿轮来共同分担载荷，从而使得每个齿轮所承受的负荷较小，并允许这些齿轮采用较小的模数。此外，在结构上充分利用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可容体积，从而有利于缩小其外廓尺寸和质量，可缩小至约为普通齿轮传动的1／5～1／2。
（2）传动效率高。由于行星齿轮传动结构的对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率值可达0.97～0.99。
（3）传动比较大，可以实现运动的合成与分解。只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可达几千。行星齿轮在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、质量轻、体积小等许多优点。它还可以实现运动的合成与分解并能实现各种变速的复杂运动。
（4）运动平稳，抗冲击和振动的能力较强。由于采用了数个结构相同的行星齿轮，它们均匀地分布于中心轮的周围，从而可使行星轮传动与转臂的性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多。故行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，可靠性高。
4.2.10.2 齿轮箱结构和主要零部件
在实际应用中，往往同时应用定轴轮系和行星轮系，构成组合轮系。这样可以在获得较高传动比的同时，使齿轮箱结构比较紧凑。在风电机组增速齿轮箱中，多数采用行星轮系和定轴轮系结合的组合轮系结构。按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等。
通常将与风轮主轴相连的输入轴称为低速轴，与发电机相连的轴称为高速轴；根据中间轴的连接情况将中间轴分为低速中间轴、高速中间轴等。
齿轮箱的润滑方式有飞溅式、压力强制润滑式或混合式。在油箱和主要的轴承处设置温度传感器以控制油温，在箱体上还设置有相应的仪表和控制线路以确保齿轮箱正常运行。
风电机组的主传动有多种方案可供选择。较小功率的机组可采用较为简单的两级或三级平行轴齿轮传动。功率更大时，由于平行轴展开尺寸过大，不利于机舱布置，故多采用行星轮齿轮传动或行星齿轮和平行轴齿轮的复合传动以及多级分流、差动分流传动。
确定传动方案时要结合机组载荷工况和轴系的整体设计，满足动力传递准确、平稳、结构紧凑、重量轻、便于维护的要求。
常见的兆瓦级风电机组齿轮齿轮箱有以下类型：(www.xing528.com)
（1）一级行星和两级平行轴齿轮传递齿轮箱。行星架将风轮动力传至行星轮（通常设置三个行星轮），再经过中心太阳轮到平行轴齿轮，经两级平行轴齿轮传递至高速轴输出。图4-44所示为动力传递和增速线路以及齿轮箱的结构。
图4-44 采用一级行星和两级平行轴齿轮传动的齿轮箱结构
1—箱体；2—转矩臂；3—风轮主轴；4—前主轴承；5—传动机构；6—输出轴
机组的主轴与齿轮箱输入轴（行星架）利用胀紧套连接，装拆方便，能保证良好对中性，且减少了应力集中。在行星齿轮级中常利用太阳轮的浮动实现均载。这种结构在1～2MW的机组中应用较多。
（2）两级行星齿轮和一级平行轴齿轮传动齿轮箱。图4-45所示的结构采用两级行星齿轮增速可获得较大增速比，实际应用时在两行星级之外常加上一级平行轴齿轮，错开中心位置，以便利用中心通孔通入电缆或液压管路。
图4-45 两级行星和一级平行轴齿轮传动
（3）内啮合齿轮分流定轴传动。如图4-46所示，将一级行星和两级平行轴齿轮传动结构的行星架与箱体固定在一起，行星轮轴也变成固定轴，内齿圈成为主动轮，动力通常由三根齿轮轴分流传至同轴连接的三个大齿轮，再将动力汇合到中心轮传至末级平行轴齿轮。这种传动方式也常用于半直驱式风力发电机组的传动装置中。
图4-46 内啮合分流定轴传动
由内齿圈输入，将功率分流到几个轴齿轮，再从同轴的几个大齿轮传递到下一级平行轴齿轮，相当于行星架固定，内齿圈作为主动轮，两排行星齿轮变为定轴传动。这种装置由于没有周转轴，有利于布置润滑油路。另外从结构上看，各个组件可独立拆卸，便于在机舱内进行检修。
图4-47 分流差动齿轮传动
（4）分流差动齿轮传动。图4-47是一种利用差动和行星齿轮传动进行动力分流和合流的传动方式，可在结构设计中增加行星轮的个数，并采用柔性行星轮轴，使载荷分配更均匀，用于较大功率场合。由图4-47可以看出，行星架传入的动力一部分经行星轮传至左侧太阳轮，另一部分通过与行星架相连的大内齿圈经一组定轴齿轮传至中间的太阳轮，再通过与之相连的小内齿圈经行星轮传至左侧太阳轮，由于差动传递的作用，两部分的动力在此合成输出，传至末级平行轴齿轮。
（5）行星差动复合四级齿轮传动。图4-48所示为应用行星差动四级齿轮传动，其中第一级和第二级的结构与分流差动齿轮传动类似，但将差动装置置于第三级，并且让功率在此汇流（一级太阳轮传至行星架经行星轮汇集到第三级太阳轮；二级太阳轮与三级内齿圈连接，也通过行星轮将动力汇集到第三级太阳轮），然后传入末级平行轴齿轮。由于增加了功率分流，行星轮载荷分布较均匀，比传统结构更为紧凑，可减小体积和质量。
图4-48 行星差动四级齿轮传动
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