风电产业及风电齿轮箱研究进展

风电产业及风电齿轮箱研究进展

马德士

华能新能源股份有限公司辽宁分公司辽宁沈阳110000

摘要：随着风电技术的逐渐成熟，世界风电装机容量快速发展。本文在此基础上概述了国内外风电产业的发展趋势。并详细的叙述了国内外风电齿轮箱传动系统动力学的研究进展。最后，根据风电齿轮箱传动系统研究的发展现状，提出了几个需要进一步研究的问题。

关键词：风力发电；齿轮箱；齿轮传动系统；发展现状

一、风电产业概况

（一）国外风电发展现状

在世界风力发电飞速发展的历程中，19世纪末期，丹麦首先研制了风力发电机组，并建立了世界上第一个风力发电站。一个世纪以来，世界各国开始不断地研制类型各异的发电机组。作为世界经济非常发达的美国，虽然风电技术发展道路比较曲折，但其发展速度还是比较迅速，在2000年，已经具有超过2000万台的风电机组，总的装机容量达到了2500MW。欧洲风力发电在世纪之交可为独领风骚，突飞猛进。到2010年，欧洲可再生能源的发电量翻一番，即从1998年占欧洲电能需求量的7%提高到14%。维斯塔斯、GE、歌麦飒、Enercon和西门子等传统品牌在世界累计及市场份额中占67%。目前这些公司在国际风电行业中处于非常明显的优势和主导地位。

（二）国内风电发展现状

根据中国风能协会报告，近年来我国的风电发展状况。2006年，我国风电装机容量增速超过100%，装机容量全球排名第二，新增装机容量全球排名第一，新增装机容量和风机产量均占到全球总数的1/3，我国已成为全球风力发电的大市场。2012年中国新增安装风电机组7872台，装机容量12960MW，同比下降26.5%，这是自2011年以来连续第二年风电新增装机增速下滑。此前国内风电装机容量保持多年高速增长。风电产业的迅速发展极大的促进了风电装备制造业的发展。但是我国仅处于风力发电技术及其风电设备制造的初级阶段，由于缺乏对基础技术研究的原始积累和人才等各方面的的原因，中国风力发电技术自主研发能力比较不足。与此同时，受国际风电发展大型化趋势的影响，我国大型风电企业也开始进入风电装备大型化的竞争行列之中。我国华锐、金风等企业已经开始研制单机容量为5MW的风电机组，我国开始全面迈进MW级风电机组的研制领域。

（三）风电发展前景

目前风力发电机的主流发展趋势从大陆走向海洋，并实现单机容量的兆瓦级别。陆上风力发电机已经以不同的形式存在数百年，相比之下，海上风力发电机闲的尤为年轻，尽管大型的海上风力发电机已经达到7MW级，但很显然制造商还会开发和安装更大容量的风力发电机。

二、风力发电机齿轮箱发展现状

（一）风力发电机齿轮箱主要结构形式现状

风电齿轮箱的额定输入转速随着单机容量的增大而逐渐降低。兆瓦级以上的风电机组的额定输入功率一般不超过20r/min，发电机的转速一般为1500r/min～1800r/min。因此，大型风力发电机组齿轮箱传动系统的增速比一般在75～100范围内。风电齿轮箱的结构形式多种多样，小容量的风电齿轮箱多采用平行轴斜齿轮传动系统的结构模型；500KW～1000KW的风电齿轮箱常见的结构有一级行星齿轮、两级平行轴齿轮和两级行星齿轮、一级平行轴齿轮，兆瓦级以上的风电齿轮箱传动系统多采用一级行星齿轮、两级平行轴齿轮结构。

（二）风力发电机齿轮箱国外发展动态

国外兆瓦级风力发电机齿轮箱是随着风力发电技术的开发而发展起来的，Renk、Flender等风电齿轮箱制造公司早期产品开发中主要采用三维造型设计、有限元分析、动态设计的先进的技术，并通过模拟和仿真实验对设计的方案进行验证，然后在进行校正。除此之外，国外还通过理论分析和实验测试对风电齿轮箱的运行性能进行系统的研究，为风电齿轮箱的设计提供了可靠的依据和保障。Schlecht等利用多体动力学的递推组建模方法建立了风力发电机齿轮箱的树状结构动力学模型，并对其进行了分析。Kiracofe将单级行星传动系统的建模方法推广到多级复合齿轮传动系统，在全局固定坐标系下建立了系统的平移-扭转耦合动力学模型，并对其固有特性进行了详细分析研究。

（三）风力发电机齿轮箱国内发展动态

我国的风力发电大约经历了几十年，开展研究的单位主要有郑州机械研究所、南京高精齿轮集团有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司等单位。到目前为止，我国国内已经基本掌握了兆瓦级以上的风电齿轮箱的研发、设计、制造等技术，还有极少数单位已经掌握了具有自主知识产权的兆瓦级以上的大型风电齿轮箱的设计制造技术。但是，要想全面的掌握大型风力发电机齿轮箱的设计制造等技术，还需要不断地消化、吸收国外的先进制造技术，吸取精华，进而来提高我国的风电齿轮箱传动系统的深入研究和创新。

（四）风电齿轮箱常见故障及目前存在的问题

我国的大型风电装置制造行业起步较晚，技术力量相对薄弱。在风电机组各系统的失效比例中，齿轮箱的失效比例为9.8%，而齿轮箱失效造成的停机时间占总停机时间的19.4%。目前，风电齿轮箱的主要故障为轮齿的疲劳损伤、轮齿的折断、齿面疲劳、轴承损伤等。风力发电机在工作时，其齿轮传动系统承受一系列内部及外部因素造成的动态载荷。从而加速了齿轮箱的破坏。齿轮箱传动系统作为风电机组的关键机械部件，在设计阶段就应该考虑其动态特性。

（五）注重高可靠性提高产品使用寿命

风电齿轮箱的关键技术应注重高可靠性和长寿命，加强大型风电齿轮箱及配套轴承设计制造技术方面的系统研究，积累现场运行经验和基础数据。由于运转中齿轮箱是变工况的，频繁受风速变化冲击，机舱底座的变形使齿轮和轴承磨损加剧，超过齿轮箱结构设计中预期的边界条件。如何解决轻量化和机构刚性、质量成本之间的矛盾，将精细设计贯彻始终，攻克早期失效、密封、漏油、噪声等老大难问题，都是不可忽视的重要环节。根据风电增速箱的特点，应组织力量进行可靠性分析，包括精心选取可靠性高的结构和对重要零部件及整机进行可靠性分析试验。根据机组载荷谱对齿轮箱整机及其零部件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。除了采用传统的设计计算方法外，还要采用模拟整机运行条件下进行零部件建模并结合试验验证方法。另外，对行星齿轮传动均载、最佳传动组合与齿轮加工精度、工况和效率之间的关系进行分析研究。分析噪声产生成因，采取适当措施降低噪声；研制出新的密封结构或装置，合理设计布置轴系和轮系传动机构，提高体系的刚度，避免发生共振。目前国内尚没有完善的风电齿轮箱专用设计软件，国外介绍的软件大多又是从汽车传动或通用机械传动转化而来的，须经实践验证。软件是设计制造的工具，工欲善其事，必先利其器。因此，针对我国风电产业的特点，综合考虑自身因素，编制适合自己企业的专用软件，是进一步指导生产实践、促进风电产业发展的重要任务之一。

结语：风电齿轮箱作为风力发电机的重要组成部分，有必要对其进行详细的建模和分析，才能够有效的掌握风电齿轮箱的动态特性，进而增加其寿命。研究与风电齿轮箱传动系动力学相关的问题，基于系统动力学的仿真结果，研究非线性振动控制、故障诊断，低振动、低噪声等优化方法。

参考文献：

[1]周世华.大型风力发电机齿轮箱传动系统的动力学分析[D].东北大学，2013.

[2]徐向阳，朱才朝等.柔性销轴式风电齿轮箱行星传动均载研究[J].机械工程学报，2014.