2.3 傳動系統
葉輪葉片產生的機械能由機艙里的傳動系統傳遞給發電機。一般情況下，傳動系統主要包括主軸、齒輪箱、聯軸器。傳動系統的部件和位置如圖2-8所示。
圖2-8 傳動系統的部件和位置
風力發電機組傳動系統的工作原理為：機組的風輪圍繞一個水平軸旋轉，工作時風輪的旋轉平面與風向垂直，風輪上的葉片徑向安置，與旋轉軸相垂直，并與風輪旋轉平面構成一角度φ（即安裝角）。自然界的風（具有一定的風速）吹到風輪上，便對葉片產生氣動力，帶動葉片轉動，葉片又帶動輪轂及安裝輪轂的主動軸轉動，主動軸通過聯軸器連接增速齒輪箱的低速傳動軸（小型風力機可以不用聯軸器連接而直接做成一體的，甚至不用齒輪箱而直接將風輪輪轂與發電機軸安裝在一起），經齒輪傳動系統將動力傳遞到發電機，由此帶動發電機發電，輸出電能。風輪轉動時葉片的受力情況如圖2-9所示。
圖2-9 風輪轉動時葉片的受力情況
傳動過程中包含兩個能量轉換過程：一是風輪轉動后帶動主軸旋轉，主軸的一端連接齒輪箱，經過齒輪嚙合增速，將轉速升高，風能轉化成為機械能；二是發電機及其控制系統承擔了另外一種能量轉換的任務，齒輪箱另外一端連接電機，轉子高速旋轉，電機發電，機械能轉換成為電能。
2.3.1 主軸
圖2-10 主軸、軸承外形
前端法蘭與輪轂相連接，支撐輪轂處傳遞的負荷，并將扭矩傳遞給增速齒輪箱，將軸向推力、氣動彎矩傳遞給機艙、塔架。在主軸的中心有一個軸心通孔，作為控制機構通過或電纜傳輸的通道。主軸、軸承外形如圖2-10所示。
2.3.2 齒輪箱
圖2-11 齒輪箱外形圖
風力機轉子旋轉產生的能量通過主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發電機。齒輪箱是一個重要的機械部件，它的主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其達到相應的轉速。因此，增速齒輪箱設計及制造相當關鍵。同時風力發電機組增速齒輪箱由于其使用條件的限制，要求體積小、重量輕、性能優良、運行可靠、故障率低。使用齒輪箱可以將風力發電機轉子上的較低轉速、較高轉矩轉換為用于發電機上的較高轉速、較低轉矩，因此，齒輪箱也稱為增速箱。風力機上的齒輪箱通常在轉子及發電機轉速之間具有單一的齒輪比。對于600kW或750kW機組的齒輪比大約為1∶50。齒輪箱外形和內部結構分別如圖2-11和圖2-12所示。
圖2-12 齒輪箱的內部結構
齒輪和軸承在轉動過程中都是非直接接觸式的滾動和滑動，這時油起到了潤滑的作用。雖然它們是非接觸的滾動和滑動，但由于加工精度等原因使其轉動都有相對的滾動摩擦和滑動摩擦，因而會產生一定的熱量。如果這些熱量在它們轉動的過程中沒有消除，勢必會越集越多，最后導致高溫燒毀齒輪和軸承。因此齒輪和軸承在轉動過程中必須用潤滑油來進行冷卻。所以潤滑油一方面起潤滑作用，另一方面起冷卻作用。
1．箱體
箱體是齒輪箱的重要部件，它承受來自風輪的作用力和齒輪傳動時產生的反力。箱體必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質量。箱體的設計應按照風力發電機組動力傳動的布局、加工和裝配、檢查以及維護等要求來進行。應注意軸承支承和機座支承的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支承結構和壁厚，增設必要的加強筋。筋的位置須與引起箱體變形的作用力的方向相一致。
2．齒輪和軸的連接
風力發電機組運轉環境非常惡劣，受力情況復雜，要求所用的材料除了要滿足機械強度條件外，還應滿足極端溫差條件下所具有的材料特性，如抗低溫冷脆性、冷熱溫差影響下的尺寸穩定性等。對齒輪和軸類零件而言，由于其傳遞動力的作用要求其選材和結構設計極為嚴格，一般情況下不推薦采用裝配式拼裝結構或焊接結構，齒輪毛坯只要在鍛造條件允許的范圍內，都采用輪輻輪緣整體鍛件的形式。當齒輪頂圓直徑在2倍軸徑以下時，由于齒輪與軸之間的連接所限，常制成軸齒輪的形式。
為了提高承載能力，齒輪一般都采用優質合金鋼制造。外齒輪推薦采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等材料。內齒圈按其結構要求，可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料，也可采用與外齒輪相同的材料。采用鍛造方法制取毛坯，可獲得良好的鍛造組織纖維和相應的力學特征。合理的預熱處理以及中間和最終熱處理工藝保證了材料的綜合機械性能達到設計要求。
3．齒輪
（1）齒輪精度。齒輪箱內用作主傳動的齒輪精度：外齒輪不低于GB/T 10095.1—2008《圓柱齒輪 精度制 第1部分齒輪同側齒面偏差的定義和允許值》規定的5級；內齒輪不低于GB/T 10095.1—2008規定的6級。選擇齒輪精度時要綜合考慮傳動系統的實際需要，優秀的傳動質量靠傳動裝置各個組成部分零件的精度和內在質量來保證，不能片面強調提高個別件的要求，使成本大幅度提高，卻達不到預定的效果。
（2）滲碳淬火。通常齒輪最終熱處理的方法是滲碳淬火，齒表面硬度達到HRC（60 ±2），同時規定隨模數大小而變化的硬化層深度要求，具有良好的抗磨損接觸強度，輪齒心部則具有相對較低的硬度和較好的韌性，能提高抗彎曲強度。
（3）齒形加工。為了減輕齒輪副嚙合時的沖擊，降低噪聲，需要對齒輪的齒形、齒向進行修形。在齒輪設計計算時，已根據齒輪的彎曲強度和接觸強度初步確定輪齒的變形量，再結合考慮軸的彎曲、扭轉變形以及軸承和箱體的剛度，繪出齒形和齒向修形曲線，并在磨齒時進行修正。
4．滾動軸承
齒輪箱的支承中大量應用滾動軸承，其特點是靜摩擦力矩和動摩擦力矩都很小，即使載荷和速度在很寬的范圍內變化時也如此。滾動軸承的安裝和使用都很方便。但是，當軸的轉速接近極限轉速時，軸承的承載能力和壽命急劇下降，高速工作時的噪聲和振動比較大。齒輪傳動時軸和軸承的變形引起齒輪和軸承內外圈軸線的偏斜，使輪齒上載荷分布不均勻，降低傳動件的承載能力。由于載荷不均勻，會使輪齒經常發生斷齒的現象，但在許多情況下，輪齒斷齒是由于軸承的質量和其他因素，如劇烈的過載而引起。選用軸承時，不僅要根據載荷的性質，還應根據部件的結構要求來確定。相關技術標準，如DIN ISO 281—2010《滾動軸承額定動荷載和額定壽命標準信息》，或者軸承制造商的樣本，都有整套的計算程序可供參考。
5．密封
齒輪箱軸伸部位的密封一方面應能防止潤滑油外泄，同時也能防止雜質進入箱體內。常用的密封分為非接觸式密封和接觸式密封兩種。
（1）非接觸式密封。所有的非接觸式密封不會產生磨損，使用時間長。
（2）接觸式密封。接觸式密封使用的密封件應使密封可靠、耐久、摩擦阻力小、容易制造和裝拆，應能隨壓力的升高而提高密封能力和有利于自動補償磨損。
2.3.3 聯軸器
圖2-13 聯軸器的外形
作為一個柔性軸，聯軸器補償齒輪箱輸出軸和發電機轉子的平行偏差和角度誤差。為了減少傳動系統的振動，聯軸器需要有較好的阻尼減振特性。聯軸器主要用來連接兩軸或兩軸與其他回轉零件，使其一起旋轉，起著傳遞轉矩和運動的作用。風力發電機中的聯軸器是連接齒輪箱和發電機軸一起轉動，并將風能轉化為機械能，再由機械能轉化為電能的一個關鍵部件。聯軸器的外形如圖2-13所示。
聯軸器的種類很多，一般根據兩軸之間相對位移的情況不同分為剛性聯軸器和撓性聯軸器兩大類。撓性聯軸器又可分為無彈性元件的、金屬彈性元件的和非金屬彈性元件的三種。
1．剛性聯軸器
剛性聯軸器具有結構簡單、制造成本低等優點，但要求被連兩軸的對中性較高，位移量很小，傳動精度高，傳遞轉矩大，且裝拆時軸向移動等特點，宜用于無沖擊場合。
2．撓性聯軸器
撓性聯軸器宜用于位移量較大、轉速變化較頻繁、兩軸軸線的對中性要求不太高的場合，同時還起緩沖和減振的作用。撓性聯軸器常造成從動軸的滯后，即影響傳動精度。