摘要 :近（jìn）年來, 隨著（zhe）風電（diàn）技（jì）術的逐（zhú）漸成熟和風電成本的下降, 世界風電（diàn）裝機（jī）容量高速增長。概述了國內（nèi）外風電產業的發展概況（kuàng）和風電發展的（de）主（zhǔ）要趨（qū）勢, 介紹了風電齒輪箱的技術現狀（zhuàng）, 指出（chū）了風電齒輪（lún）箱（xiāng）設計製造方麵存在的主要問題。

關鍵詞: 風力發 齒（chǐ）輪箱 發展現狀     

引言（yán）

      隨（suí）著能源短缺和生態環境（jìng）的日益惡化, 新能源發電技術在世界範圍（wéi）內取得了長足的進步。風（fēng）能是一種清潔的（de）可（kě）再（zài）生（shēng）能源, 隨著風力發電技術的日趨成熟和風電成本的逐漸降低, 風電裝備產業高速（sù）發展且前景廣闊。為了進一步改善風電機組（zǔ）的性能、提高單機（jī）容量, 世界各國都對風電機組進行了大量的研究和開發工作, 一些國家的技術已經相當成熟。我國風電技術研（yán）究起步較晚, 近年來取得了顯著的成效, 但總體設計製造水（shuǐ）平與國際先進水平還有很大差距。

1 風力發電產業概況

     1. 1  全球風力發電產業高速發展

     風力發電長期受製於成本和技術等問題而發展緩（huǎn）慢, 但是技術的不斷進步使風電成本大幅度下降, 加上（shàng）能源、環境問題的日益嚴峻使各國紛紛出台鼓勵政策和稅收優惠, 因此出現了從上個世紀末延續至（zhì）今的風電產業大發展（zhǎn）。圖1 為近10 年全球風（fēng）電裝機容量及增長率圖。從圖中（zhōng）可以看出, 從1998 年以來近10 年的風電裝機容量年增長率都在20% 以（yǐ）上, 年平均增長率達（dá）到（dào）了28. 6%。2008 年2 月在比利時首都布魯塞爾召開全球風能大會期間, 全球風能理事會( GWEC)確認, 2007 年全球（qiú）風電新增（zēng）裝機容量（liàng）約20 000MW,年增長27. 0% ; 截至2007 年底, 全球風電（diàn）總（zǒng）裝機容量達（dá）到（dào）94 123MW。歐洲（zhōu）仍然是全（quán）球風電最主要（yào）的（de）市場, 2007 年新增風（fēng）電裝機容量（liàng）8 662MW, 累計裝機（jī）容量達到57 135MW, 約占全球的61% 。但（dàn）歐洲（zhōu）新增裝機容量所占的比率（lǜ）從2004 年的75% 下降到了2007 年的43% , 這主要是由於美洲和亞洲風電業的高（gāo）速發展。在美洲, 僅美國風電新增裝機容量就達5 200MW, 累計裝機容量達到了16 800MW。2007 年之所以有超過1/4 的全球風電新（xīn）增裝機容（róng）量（liàng）來自亞洲, 一方麵（miàn）是（shì）印度（dù）風電裝機容量穩定增長, 另一方麵就是我國風電裝機容量快（kuài）速增（zēng）長。印度2007 年新增裝機容量1 800MW,累積裝機容量達到（dào）8 000MW [ 2], 累積裝（zhuāng）機容量仍（réng）高於我國。

     我國風電產業從零起步, 但發展迅速, 特別是近3年的裝機（jī）容量增長率世界第一。圖2 為近10 年來我國風電累（lèi）積裝機容量及增長率圖。2007 年我國新增風電裝（zhuāng）機（jī）容量3 307MW, 增長率達到了127% [ 3] 。截至2007 年底, 我國( 不計（jì）台（tái）灣省) 風電累計裝機容量已達（dá）到5 906MW, 取代丹麥成為全球第（dì）5 名（míng）, 占2007 年底全球風電累計裝機容量的6. 3% 。中國可再生能源行業理事會( CREIA) 預計, 到（dào）2015 年, 我國風電裝機容量將（jiāng）達到50 000MW。近年來, 我（wǒ）國風力發（fā）電取（qǔ）得突破性進展[ 4] , 風（fēng）電場已達到158 個。內蒙古自治區（qū）的風電裝機容量達到1 563MW, 是全國風（fēng）電裝機容量最多的省份。2007 年11 月（yuè）8 日, 我國第一個（gè）海上風電場在渤海油田順利投產, 拉（lā）開了我國有效利用海上風（fēng）能的序幕。

      歐洲風能協會( EWEA) 確定的目標是到2030 年風力發電（diàn）要能滿（mǎn）足歐洲電力需（xū）求的23%。德國是風力發（fā）電裝機容量最大的國家, 其電（diàn）力的6% 來（lái）自風電; 西班牙電力的8% 來自風電; 丹麥的風電裝機容量（liàng）為3100MW, 可以滿（mǎn）足其電力需（xū）求的20%, 是世界上風電份額最（zuì）大的國家。預計到2020 年, 風電占全球總電量的比例將達11. 9% 。

     過去（qù）10 年間, 煤（méi）電年增（zēng）長2. 5%, 天然氣發電年增長2. 5% , 核電年（nián）增長1. 8% , 油發電年（nián）增長（zhǎng）1. 7%, 而風電平均年增長高達（dá）28. 6% 。世界風電將在相當長的（de）一段時期內保持高速發展, 風力發電仍然有非常廣闊的發展空間。

      1. 2 國內（nèi）外風電（diàn）設備製造業概（gài）況

      風力發電的快速增長帶動了風電設備（bèi）製造業的發展（zhǎn）, 2007 年度（dù）全球風電設備市場總價值達到360 億美元。目前, 世界上先進的風電設備製（zhì）造企業主要集中在少數（shù）幾個國家, 如丹（dān）麥、德（dé）國、西班牙和美國等, 著名的公司有（yǒu）Vestas( 丹麥（mài）) 、GE Wind( 美國) 、Gamesa( 西班牙) 、Enercon ( 德國)、Suzlon( 印度) 等。圖3 為2007 年世界風（fēng）電機組市場份額圖。2007 年, 丹麥的Vestas 公司占全球市場份額的22. 8%, 前3 位公司占有了市場份（fèn）額的一半多。值得一提的是（shì）, 我國的金風科技股份有限公司也占據了2007 年世界風電（diàn）市場的4. 2% 。

     風電（diàn）的快速增長同（tóng）樣刺激了我國風電（diàn）設備製造業的發展, 並迅速崛起了像金風科技股份有限公司、華（huá）銳風電科技有限公司（sī）、湖南湘電風能有限公司、浙江運達風力發電工程（chéng）有限公司等風電設備製造企業。這些企業通過（guò）對國外風電技術的吸收再創（chuàng）新, 形（xíng）成了（le）較大的（de）生產規（guī）模。目前, 國內從（cóng）事風電設備製造的企業達50餘家, 而且配件製造企（qǐ）業隊伍也在迅速擴大。2007 年我國新（xīn）增裝機容量（liàng）中（zhōng）, 內資（zī）企業產品占55. 9%, 其中金風科技（jì）的份額最大, 占新增總裝機容量的25. 1%,占內（nèi）資企業產品的44. 9% ; 合資企業產（chǎn）品（pǐn）占新增裝機容量的1. 6%; 外資企業產品占42. 5%, 其中西班牙Gamesa 的份（fèn）額最大, 占新（xīn）增裝機容量的39. 9% [ 2] 。

     國際上, 兆瓦級以上的風電機（jī）組已經成為主流機型。如美國: 主流機（jī）型1. 5MW, 丹麥: 主流機型（xíng）( 2. 0~3. 0)MW。截至2006 年, 我國風電機（jī）組1MW 以下的機組占總裝機容量的70%, 1MW~ 2MW 之間的風電機型隻占26%, 2MW 以上機型占4% 。根據國（guó）家發改委規劃, 我國未來的風電新增裝機將以1. 5MW、2MW 機型為主, 1MW 以下機型所占比重將逐漸降低。

     1. 3  風力發電發展的主要趨勢[ 5- 6]

     ( 1) 機組單機容量增大

     風電機組單機容量的（de）增大有利於提高風能利用率, 降低風場（chǎng）的占地麵積, 降低風電場運行維護成本,從而提高風（fēng）電的市場競爭力。目前, 國際上主（zhǔ）流的風電機組已達到( 2~ 3) MW, 由德國Repower 公司研（yán）製的最大的5MW 風電機組已投入運行（háng）, 其（qí）旋翼（yì）區直徑達到126 米。可以預見, ( 3~ 5) MW 的風（fēng）電機組在市場中的（de）比例（lì）將日益提高（gāo）。2008 年2 月（yuè）在布魯塞爾舉行的風能會議和風能（néng）展上, 有與（yǔ）會者甚（shèn）至提出（chū）了2020 年前開發出20MW 風電機組的概念。

     ( 2) 海上（shàng）風（fēng）電迅速興起

     海上風能資（zī）源豐富（fù）, 且受環境影響小, 海上風電場將成為（wéi）一個迅速發展的市場。目前丹麥、德國、英國、瑞典和荷蘭等國（guó）家（jiā）海（hǎi）上風電發展較快。歐洲風能（néng）協會 (EWEA) 預測, 2020 年, 歐洲海上風電總裝機容量將達（dá）到70 000MW。雖然海上風電前景廣闊, 但目前還有技術等方麵的因素製約（yuē）著它（tā）的發展。一方（fāng）麵, 海上風電機組均（jun1）為陸上風電機（jī）組改造而成, 而複雜的海上自然條件使得風電機組的故障率居高不下, 如世界最大的海上風（fēng）電場丹麥Vestas 霍恩礁風電（diàn）場, 80 台海上風電機組故障率超過70% 。另一方麵, 電網將難以承受大規模海上風電場所提供的巨大電能。因此, 海（hǎi）上風（fēng）電的大發展仍需要解決機組及上網配套設施（shī）等方（fāng）麵的問題。

     ( 3) 變速恒頻技術快（kuài）速推廣

      目前市場上恒速運行的風電機組一般采用雙繞組結構的異步發電機, 雙速（sù）運行。在高風（fēng）速段, 發電機運行在較高轉速上; 在低風速（sù）段, 發電機運行在（zài）較低（dī）轉速（sù）上。其（qí）優點是控製（zhì）簡單, 可靠性高; 缺點是由於轉速基本（běn）恒定, 而風速經常變化, 因此機組經常處於風能利用（yòng）係數較低的狀態, 風能無法得到充分利用。隨著風電技術的進步, 風電機組開發製（zhì）造廠商開始使用變速恒頻技術, 並結合變槳距技術的應用開發（fā）出了變槳變速風電機（jī）組。與恒速運行的風電機組相比, 變速運行的風電機組具有發電量（liàng）大、對風速（sù）變化的適應性好、生產成本低、效率高等優點。因此, 變速運行的風電機組也是未來發展的趨（qū）勢之（zhī）一。德國Enercon 公司是目前（qián）全球生產變速風電機組最多的公司。

      ( 4) 全（quán）功率變流技術興起（qǐ）

      近年來, 歐洲的Enercon、Winwind 等公司都開發和應用（yòng）了全功率變流的並網技（jì）術, 使（shǐ）風輪和發電機的調速範圍達到了0~ 150% 的額定轉速, 提（tí）高了風能（néng）的利用範（fàn）圍, 改善了風場上網電能的質量。Enercon 公司還將原來對每個風電機組功率因數（shù）的分散控製加以集中, 由並網（wǎng）變電（diàn）站來（lái）統一調控, 實現了電網的有源功（gōng）率因（yīn）素（sù）校正和（hé）諧波補償。全（quán）功率變流技術將（jiāng）在今後大（dà）型風電場建設時得到推廣應用（yòng）。

     ( 5) 直驅和半直（zhí）驅風電機組

      直驅（qū）式風電機（jī）組采用多極電機與（yǔ）葉輪直接連接（jiē）進行驅動的方式, 免去故障率較高的齒輪箱, 在低風速時效（xiào）率高, 且具有低噪聲、高壽命、運行維護成本低等優點（diǎn）。近年來（lái）直驅式風電機組的裝機（jī）份額增長較塊, 但由於技術和成本（běn）等方麵的原因, 在未來較長時間內帶增速齒輪箱（xiāng）的風電機組仍將在市場中占主導地位。半直驅是介於齒輪（lún）箱驅動和直（zhí）接驅動之間的一種驅動（dòng）方式, 它采用（yòng）一級（jí）齒輪箱增速, 結構緊湊, 具（jù）有相對較高的轉速（sù）和較小的轉矩。與（yǔ）傳（chuán）統的齒輪（lún）箱（xiāng）驅（qū）動相比, 半（bàn）直驅增加了係（xì）統的可（kě）靠性; 而與大直（zhí）徑的直驅相比, 半直驅通過更高效和緊湊的機艙（cāng）排列減小了係統的體積和（hé）重量。

2  風電齒（chǐ）輪箱發展概況（kuàng）

      齒輪箱是風電機組中技術含量最高的部件之一。國際上生產風電齒輪箱的公司（sī）主要有Renk、Flender、Hansen Transmission 等; 我國批量生產風電齒輪箱的企業主要有南京高（gāo）精齒輪集（jí）團有限公司、重（chóng）慶齒（chǐ）輪箱有限責任公司（sī）、華銳風電科技有（yǒu）限公司、中國二重集團( 德陽) 重型裝備股份有限公司等。目前我國風電場中安裝的風（fēng）電機組（zǔ）多數為進口機組, 齒輪箱是近年來國內外風力發電機組故障率最高的部件之一[ 7] , 有的風場齒輪箱損壞率高達40% ~ 50% , 個別品牌機組齒輪箱更換率接近100%。雖然齒輪箱故障是世界性的（de）問題, 但我國風電（diàn）齒輪箱的故障率更高。我國地形地貌、氣（qì）候特征與歐洲地區（qū）不同, 這（zhè）使（shǐ）得一些風電發達國（guó）家現有的設計經驗並不（bú）完全適應我國的情況。因此, 對風電齒輪箱技術進行深入研究, 開發適合我國（guó）具體情況的風電齒輪箱並實現產業化對（duì）提高風電裝備的可靠性、降（jiàng）低風電（diàn）成本有著重要的意義。

     2. 1  風電齒輪箱主要結構形式

由於風電機組葉（yè）片葉（yè）尖（jiān）線速度不能過高, 因此, 齒輪（lún）箱的額定（dìng）輸入轉速隨著單機容量的增大（dà）而逐漸降低。兆瓦級以上風電機組的額定輸入轉速一般不（bú）超過20r/ min, 發電（diàn）機的額定轉速一般為1500 r/ min 或1800r/ min, 因此大（dà）型風電齒輪箱的增速比一般（bān）在75~100 範圍內。風電齒輪箱（xiāng）的結構形式多種多樣。小容量風電齒輪箱多采用平行（háng）軸（zhóu）斜齒輪傳動結構, 500kW~ 1000kW 風電齒輪箱常（cháng）見結構有2 級平行軸+ 1 級行星和1 級平行軸+ 2 級行星傳動兩種結（jié）構形式, 兆瓦（wǎ）級以上的風電齒輪箱多采用2 級平行軸+ 1 級行星傳動的結構[ 8] 。由於行（háng）星（xīng）傳動結構相對複雜, 而且大型內齒圈加工難度較大, 成本較高, 即使采用2 級（jí）行星傳動（dòng）的結構, 也以NW 型傳（chuán）動最為常見[ 9]。

     2. 2  風電齒輪箱技術現狀

      國外兆瓦級風電齒輪箱是隨（suí）風電機組的開發而發展起來的, Renk、Flender 等風電齒輪（lún）箱製造公司在產（chǎn）品開發過程中采用三維造（zào）型設計（jì）、有限元（yuán）分析、動態設（shè）計等（děng）先進技（jì）術, 並通過模擬和試驗（yàn）測試對設計（jì）方案進行（háng）驗證。此外, 國外通過理論分析及（jí）試驗測試對風齒（chǐ）輪箱的運行性能進行了係統的研究, 為風電齒輪箱的設計（jì）提供了可靠（kào）的依據。美國風能協會( AWEA) 和齒輪協會(AGMA) 於2003 年10 月製定了新的風電齒輪（lún）箱標準 "Standard for Design and Specification of Gearboxfor wind Turbines", 於2004 年1 月上升為美國（guó）國家標準, 即ANSI/ AGMA/ AWEA6006 - A03。該標（biāo）準對風電齒輪箱的設計、製（zhì）造、使用（yòng）等作了詳（xiáng）盡規定[ 10] 。

      我國風電發展經曆了約20 年時間, 開展研究（jiū）的單位主要有南（nán）京高精齒輪集團有限公司、重（chóng）慶齒（chǐ）輪箱有限責任公司、鄭州（zhōu）機械研究所（suǒ）等單位。目前, 國內已基（jī）本掌握了兆瓦以（yǐ）下風電齒輪箱的設計製造（zào）技術, 但隻有極少（shǎo）數（shù）單位掌握了（le）具有自主知識產權的兆瓦以上大型風電齒輪箱設計製造技術（shù）, 還有一些廠家是引進國外技術和許可證生產。總體來看, 在運行可靠性等方麵, 國產風電齒輪箱與國（guó）外一流產品相比還有較大差（chà）距。因此, 要全麵（miàn）掌（zhǎng）握大型風電齒輪箱設計製造技術,還需要在消化（huà）、吸收國外先進設（shè）計製造技術的基礎上進（jìn）行係統深入的研究和創新。

     2. 3  風電齒輪箱（xiāng）設計製造方麵存在的主（zhǔ）要問題

     ( 1) 基礎載荷數據及載荷處理方法方麵的問題風電齒輪箱工作（zuò）環境惡劣, 所承受的載荷情況非常複雜（zá）, 因（yīn）此符合實際的載荷數據及其處理方法是風電齒輪（lún）箱設計計算的基（jī）礎。我國不但缺少複雜載荷數據, 而且處理方法也不夠成熟, 對風電機組在（zài）工作過（guò）程中經常出現的製動載荷、極限載荷等載（zǎi）荷情況的處理還是根據經驗進行估算。此外, 在變（biàn）載（zǎi）荷處理過程中（zhōng）運用的線性積累損傷理論也並不能真實反映實際破壞情況。因此, 設計計算的基礎有問題, 也就無（wú）法得到（dào）合理的設計（jì）結果[ 11] 。

     ( 2) 齒倫早期點蝕問題

     在頻繁受（shòu）到風載變化衝擊的情況下, 齒（chǐ）輪的（de）微動磨損超過一般設計的預期, 從而（ér）造成齒輪早期點蝕。防止齒（chǐ）輪早期點蝕的關鍵在於輪齒修形。在確定修（xiū）形參數時, 需要獲（huò）得準確的載荷（hé）來計（jì）算齒輪偏載, 再根據偏載情況進行修形, 而且需要考慮（lǜ）載荷波動, 要盡可能保證齒輪在各種工況載（zǎi）荷及（jí）其組合的作用下都具有良好的（de）接觸區。

     ( 3) 軸承早期損（sǔn）壞

     目（mù）前國內風電齒輪箱幾乎全部采用進口軸承（chéng）, 主要的國外廠商有瑞（ruì）典SKF、德國FAG 等公司。國內兆（zhào）瓦以上設備所用的軸承仍處於研發階段, 以洛軸、瓦軸等為代表（biǎo）的一些企業, 紛紛加大研發（fā）力度。其中, 洛軸（zhóu）是國內最早（zǎo）研製、生產風電軸承（chéng）的（de）企業, 在國內首（shǒu）家（jiā）成（chéng）功開發出1. 5MW 風電軸承。統計數據表（biǎo）明, 早期風電齒輪箱故障大多是由軸（zhóu）承引起的。隨（suí）著技術的成熟（shú）,目前軸承引（yǐn）起的故障明顯降低, 但仍有約50% 的故障由軸承損壞造成。軸承損壞（huài）的主要原因是（shì）係統的受力變形導致軸承內（nèi）外圈不再平行, 滾（gǔn）子局部接觸應力過大。因（yīn）此, 精（jīng）確的軸承（chéng）壽命計算（suàn）方法（fǎ）對風（fēng）電齒輪（lún）箱軸承（chéng）的設計、選擇非常重要。

     ( 4) 大型斜齒內（nèi）齒圈製造

     目前（qián）, 國外風電齒（chǐ）輪箱大多采用（yòng）滲碳淬火磨齒的斜齒內齒圈, 以提高齒輪的強（qiáng）度、傳動平穩性（xìng）和可靠性, 減小尺寸和重量。國內因製造技術和製造（zào）設備（bèi）方麵的限製, 內齒圈通常采用直齒+ 氮化工藝或（huò）直齒+滲碳（tàn）淬火+ 磨齒（chǐ）工藝, 致使齒輪箱的傳動平穩性、可靠性等指標均低於國外產品的相應指標。

     ( 5) 密封問題

     風電（diàn）齒輪箱密封不良會導致漏油甚至外部灰塵等進入箱體內汙染潤滑油, 從而影響風電齒輪箱的正常工作和可靠性。解決密封問題仍是國產風電（diàn）齒輪箱的一個難點。

3  小結

     ( 1) 近10 年來, 全球風（fēng）力發電裝機容量（liàng）以28. 6%的年增長率飛速發展, 且有著（zhe）廣（guǎng）闊的發（fā）展前景。我國大陸風電裝機容量增長率連續3 年世界第一, 2007 年總裝（zhuāng）機容量達到5906 MW, 排全球第5 位。

     ( 2) 2007 年我國新增裝機容量中, 內資企業產品占（zhàn）55. 9% , 合資企業產品占1. 6% , 外資企業產（chǎn）品占42. 5% 。在（zài）新增（zēng）裝機（jī）容量逐年（nián）快速增（zēng）長的情況下, 內資企業產（chǎn）品所（suǒ）占比例不斷（duàn）增（zēng）大, 外資企（qǐ）業產品所占比例不斷縮小, 說明國產機組的年（nián）裝機（jī）量增速更快。

     (3) 風力（lì）發電的（de）主要發展趨勢是機組單機容（róng）量逐步增大、海上風力發電將（jiāng）興起, 變速恒頻技術（shù）和（hé）全功率變流技術推廣應用以及直驅和半直驅風電機（jī）組的市場占有率將逐步提高。

      (4) 國外風（fēng）電齒輪箱設計製造技術已經比較成熟, 國內仍處於消化吸收和研發階段。