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燃气轮机齿轮箱齿轮热功率损失及传动效率研究李斌

发表时间：2020/6/30 来源：《电力设备》2020年第5期作者：李斌

[导读] 摘要：齿轮箱热功率损失及传动效率是评价齿轮传动质量好坏的重要指标之一。基于齿轮各啮合参数，推导了齿轮啮合热功率损失数学表达式。

        （国家电投集团郑州燃气发电有限公司河南郑州市 450000）
        摘要：齿轮箱热功率损失及传动效率是评价齿轮传动质量好坏的重要指标之一。基于齿轮各啮合参数，推导了齿轮啮合热功率损失数学表达式。本文基于各齿轮参数对齿轮啮合热功率损失的影响，提出高效率人字齿参数选取原则。
        关键词：热功率损失油膜厚度摩擦因数传动效率
        一、相关概念简介
        燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。
        齿轮箱热功率损失是评价齿轮传动质量好坏的重要指标之一[1-2]，特别是对于燃气轮机传动领域，齿轮箱的热功率损失将直接影响燃气轮机的单机效率。减小齿轮箱的热功率损失对提高齿轮箱传动效率，进而对提高能源转化率和燃气轮机整机输出功率具有重要影响。
        二、齿轮热功率损失参数影响分析
        2.1输入功率、转速对热功率损失的影响
        齿轮副运行过程中，齿轮啮合误差、时变刚度、齿面摩擦等会引起齿轮系统的振动，从而引起动载荷，影响齿轮啮合热功率损失。在不同输入功率和转速的条件下，齿轮的振动状况不同，有必要研究输入功率、转速对齿轮啮合功率损失的影响。将第一节中各式导入Matlab，以输入功率、转速及各齿轮参数等为变量，计算得到各工况和齿轮参数下的热功率损失，各参数变量范围适用于常规中小型燃气轮机齿轮箱，具有普遍适用性。下面分析不同输入转速、不同功率百分比条件下齿轮箱的热功率损失。随着输入功率的增加，有着以下影响：
        （1）齿轮箱的滑动损失逐渐增加；同时，随着输入转速的增加，滑动功率损失逐渐降低。分析滑动损失的主要影响因素，在其他输入条件不变的情况下，滑动功率损失主要由摩擦因数和平均法向载荷决定。
        （2）齿轮啮合的滚动功率损失逐渐减小，而随着输入转速的增加，滚动功率损失逐渐增加。分析滚动损失的主要影响因素，在其他输入条件不变的情况下，滚动功率损失主要由油膜厚度决定。
        （3）齿轮啮合油膜厚度减小；而随着转速增加，油膜厚度逐渐增加。这是因为在功率增加，其他条件不变的情况下，平均法向载荷增加导致齿面间油膜厚度减小，从而造成滚动功率损失减小；而在转速增加其他条件不变的情况下，平均法向载荷减小导致齿面间油膜厚度增加，从而造成功率损失增加。
        （4）齿轮风阻损失增加，且大齿轮的风阻损失总量以及增加量均大于小齿轮。齿轮总功率损失随着输入功率的增加以及输入转速的增加而增加。风阻损失只与齿轮的节圆直径、齿轮工作转速以及润滑液的黏度有关，而与输入功率无关。
        2.2螺旋角对功率损失的影响
        齿轮螺旋角对齿轮曲率半径、平均法向载荷、以及摩擦因数均有影响，从而影响齿轮热功率损失。，随着螺旋角增加，齿轮间的油膜厚度逐渐增加，而摩擦因数逐渐降低。随着螺旋角增加，齿轮啮合的滚动功率损失逐渐增加，而滑动功率损失逐渐降低；随着螺旋角增加，大、小齿轮的风阻损失以及齿轮啮合总功率损失均增加。
        2.3压力角对功率损失的影响
        压力角对齿轮的啮合线长度、平均滚动速度、平均法向载荷等产生影响，从而影响齿轮热功率损失。随着压力角增加，齿轮间的油膜厚度逐渐增加，而摩擦因数迅速降低。与之对应的是随着压力角增加，齿轮啮合的滚动功率损失逐渐增加，而滑动功率损失则迅速降低。压力角的改变并未改变齿轮的节圆，因此，大、小齿轮的风阻不随压力角的变化而变化。而随着压力角的增加，由于滑动功率损失的急剧降低，齿轮啮合总功率损失亦降低。
        2.4不同齿宽对功率损失的影响
        齿宽直接影响齿轮间的摩擦因数以及齿轮搅油的面积，因而对齿轮啮合热功率损失产生影响。随着齿宽增加，齿轮间的油膜厚度不变，而摩擦因数迅速降低。另外虽然油膜厚度没有发生变化，但是齿轮啮合的滚动功率损失依然逐渐增加，这是因为油膜接触长度随齿宽的增加而增加，因此，滚动功率损失还是增加，而滑动功率损失则随齿宽逐渐降低。齿宽的增加直接增加了齿廓搅油的面积，因此，大、小齿轮的搅油风阻功率损失随着齿宽的增加而增加，且大齿轮风阻损失增加较为明显。

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        三、人字齿参数选取原则
        在上述分析的基础上，提出了基于减小齿轮热功率损失，提高传动效率的齿轮参数选取原则。
        3.1工况的选择
        其他输入条件不变时，随着输入功率的增加，齿轮总功率损失增加，但是齿轮总啮合效率也增加，且由急剧增加逐渐趋于缓和；其他输入条件不变的情况下，随着转速增加，总功率损失增加，齿轮啮合效率降低。所以，在转速确定的条件下，在齿轮承载能力的范围内，应尽可能提高输入功率，使齿轮的承载能力得到充分运用。而在输入功率确定的情况下，应尽可能降低输入转速，以提高工作效率。
        3.2螺旋角的选择
        齿轮螺旋角增大，重合度变大，同时啮合的齿数增加，齿轮的强度也会增强，传动越平稳，噪声越低。但是螺旋角变大，轴和轴承承受的轴向力也越大，齿轮啮合总功率损失均增加，齿轮啮合效率降低。所以，在保证齿轮传动平稳性以及噪声的前提下，螺旋角选取不宜过大，以提高齿轮啮合效率。
        3.3压力角的选择
        压力角增加，齿轮齿厚及节圆处的曲率半径随之增加，可提高齿轮传动的弯曲强度及接触强度。但是，压力角过大，齿顶圆弧齿厚减小，甚至使齿顶变尖，同时轴和轴承也会承受更大的径向力。由以上分析可知，随着压力角增加，滑动功率损失的急剧降低，齿轮啮合总功率损失降低。随着压力角增加，齿轮的啮合效率呈抛物线增加。所以，在法向齿顶宽系数（＞0.4）以及轴承径向承载能力满足要求的情况下，应尽可能增加压力角，以获得更高传动效率。
        3.4齿宽的选择
        随着齿宽的增加，齿轮啮合效率逐渐降低。因此，在满足齿轮承载能力以及适当的宽径比下，为获得更高的传动的效率应适当选取较小齿宽。
        四、损失计算
        燃气轮机齿轮箱的特点为高速重载，齿轮节圆线速度一般在30m/s以上，有些可达100m/s以上。根据这个特点，燃气轮机齿轮箱一般为平行轴人字齿传动，其功率损失可采用下列方法计算。齿轮箱的总功率损失是齿轮功率损失、轴承功率损失、油泵功率损失和油封功率损失的总和，即
        PV=PG+PB+PP+PS
        式中，PV为齿轮箱的总功率损失；PG为齿轮热功率损失；PB为轴承功率损失；PP为油泵功率损失；PS为油封的功率损失。齿轮的热功率损失分为3部分，分别是滑动损失、滚动损失和风阻搅油损失，即
        PG=PH+PR+PW1+PW2
        式中，PG为齿轮热功率损失；PH为滑动损失；PR为滚动损失；PW为风阻损失W。滑动损失为齿面相互滑动发热造成的损失，与啮合线长度、齿面法向压力、齿面间摩擦因数、相对滑动速度相关。滚动损失为齿面相互滚动发热造成的损失，与齿面间油膜厚度、齿宽、重合度、相对滚动速度相关。
        五、结论
        基于齿轮啮合原理，本文分析了齿轮箱热功率损失根源，为计算齿轮箱热功率损失提供了理论基础。并且分析得到输入条件以及各齿轮宏观参数等对滚动功率损失、滑动功率损失、搅油风阻功率损失以及齿轮啮合总热功率损失的影响，为实际生产活动中齿轮箱工况的选择以及设计中各参数对热功率损失的影响提供了判断依据。
        参考文献
        ［1］赵楚华.对抽油机减速箱漏油解决办法的探讨［J］.内蒙古石油化工，2007（8）:241-243.
        ［2］傅秀清，柳伟，费秀国，等.高速齿轮箱传动效率理论计算与实验研究［J］.机械设计与制造工程，2018，47（12）：83-86.
        ［3］齿轮非线性动力系统的振动功率流分析[J].冯婧,霍睿,王孚懋.振动与冲击.2010(05)
        ［4］转矩分流式齿轮传动系统的非线性动力学特性[J].杨振,王三民,范叶森.机械工程学报.2008(07)