摘要 :近年來, 隨著風電技術的逐（zhú）漸成熟和風電成本的下降, 世界風電裝機容量高速增長。概述了國內外風電產業的發展概況和風電發展的主要（yào）趨勢, 介紹了風電齒輪箱的技術現狀, 指出了風電齒輪箱設（shè）計製造方麵存（cún）在（zài）的主要問題。

關鍵詞: 風力（lì）發 齒輪箱（xiāng） 發展（zhǎn）現狀（zhuàng）     

引言

      隨著能源短缺和生態環境的日益惡化, 新能源發電技術在世界範圍內取得了長（zhǎng）足的進步。風能是一種（zhǒng）清（qīng）潔的可再生能源, 隨著風力發電技術的日趨成熟和（hé）風電成本的逐漸降低, 風（fēng）電裝備產業高速發展且前景廣闊。為（wéi）了進一步改善風電機組的性能（néng）、提高單機容（róng）量, 世界各國都對風電機（jī）組進行（háng）了大量的研究和開（kāi）發工作, 一些國家的技術已經相當成熟。我國風電技術研究起步較晚, 近（jìn）年來（lái）取得了顯著的（de）成效, 但（dàn）總體設計製（zhì）造水平與國際先進水平還（hái）有很大差距。

1 風力發電產業概（gài）況

     1. 1  全球風力發電產業高速（sù）發展

     風（fēng）力發電長期受製於成本和技術等問題（tí）而發展緩慢, 但是技術的不斷進步使風（fēng）電（diàn）成本大（dà）幅度（dù）下降, 加上能源、環境問題的日益嚴峻使各國紛紛（fēn）出台鼓勵政策和稅收優惠, 因此出現（xiàn）了從上（shàng）個世紀末延（yán）續至今的風電產業大發展（zhǎn）。圖1 為（wéi）近10 年全球風電裝機容量及增長率圖。從圖中可（kě）以看出, 從1998 年（nián）以來近10 年的風電裝機容量年增長率都在20% 以上, 年平均增長率達到（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（dà）會期間, 全球（qiú）風能理事（shì）會( GWEC)確認, 2007 年全球風電新增裝機容量約（yuē）20 000MW,年（nián）增長27. 0% ; 截至2007 年底, 全球風電總裝機容量達到94 123MW。歐洲仍然是全球風電最主要的市場, 2007 年新（xīn）增風電裝機容量8 662MW, 累計裝機容量達到57 135MW, 約占全球的61% 。但歐洲新增裝機（jī）容量所占的比率從2004 年的75% 下降到了2007 年的43% , 這主要是由於美（měi）洲和亞洲風電業的高速發展。在美洲, 僅美國風電新增裝（zhuāng）機容（róng）量（liàng）就達5 200MW, 累計裝機容量達（dá）到（dào）了16 800MW。2007 年之所以有超過1/4 的全球風電新增裝機容量來自亞洲, 一方麵是印度風電（diàn）裝機容量穩定增長, 另一方麵就是我國風電裝機容量快速增長。印度2007 年（nián）新增裝機容量1 800MW,累（lèi）積裝機容量達到（dào）8 000MW [ 2], 累積裝機容量仍高於我國。

     我國風電產業從零起步, 但（dàn）發展迅速, 特別（bié）是近3年的裝機容（róng）量增長率世界第一。圖2 為近10 年（nián）來（lái）我國風電累積裝機容量及增長率圖。2007 年（nián）我國新增風電裝機容量3 307MW, 增長率達到（dào）了127% [ 3] 。截至2007 年底, 我國( 不計台灣省) 風電累計裝機容量已達到（dào）5 906MW, 取代丹麥成為（wéi）全球第5 名, 占（zhàn）2007 年（nián）底全球（qiú）風電（diàn）累計裝機容量的6. 3% 。中國可再生（shēng）能源行業（yè）理事會( CREIA) 預計, 到2015 年, 我國風電裝機（jī）容量（liàng）將達到50 000MW。近年來（lái）, 我國風力發（fā）電取得突破性進展[ 4] , 風電場已達到158 個。內蒙古自治區的風電裝機容量（liàng）達到（dào）1 563MW, 是全國風電裝機（jī）容量（liàng）最多的省份。2007 年11 月8 日, 我國第一個海上風電場在渤海油田順利投產, 拉開了（le）我（wǒ）國有效利用海上（shàng）風能的（de）序幕。

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

     過去10 年（nián）間, 煤電年增長2. 5%, 天然氣發電年增（zēng）長2. 5% , 核電年增長1. 8% , 油發電（diàn）年增長1. 7%, 而風電平均（jun1）年增長高達28. 6% 。世界風電將在相當長的一段時期內保持（chí）高速發展, 風力發電仍然有非常廣闊的發展空間。

      1. 2 國（guó）內外（wài）風電（diàn）設備製造業概況（kuàng）

      風力（lì）發電的快速增長帶動（dòng）了風電設備製造業的發展, 2007 年度全球（qiú）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（bèi）製造企業主（zhǔ）要集中在少（shǎo）數幾個國家, 如丹麥、德國、西班（bān）牙和美國等, 著名的公司有Vestas( 丹麥（mài）) 、GE Wind( 美國) 、Gamesa( 西班牙) 、Enercon ( 德國)、Suzlon( 印度) 等。圖（tú）3 為2007 年世界（jiè）風電機組市場份額圖。2007 年, 丹（dān）麥的Vestas 公司占全球市場份額（é）的（de）22. 8%, 前3 位公司占有了（le）市場份額的一半多。值得一提的是, 我國的金風（fēng）科技股份有（yǒu）限（xiàn）公司（sī）也占據了2007 年世界風電市場的4. 2% 。

     風電的快速增長同樣刺激了我國風電設備製造業的發（fā）展, 並迅速崛起了像金風科技股份有限公司、華銳風電（diàn）科技有限公司、湖南湘電（diàn）風能有限公司、浙江運達風力發電工程有限公司等風電設（shè）備製（zhì）造企業。這些（xiē）企業通（tōng）過對國外風電技術的吸收再（zài）創新, 形成了（le）較大的生產規模（mó）。目前, 國內從事風電設備製造的企業達50餘家, 而且配件製造（zào）企業隊伍也在迅速擴大（dà）。2007 年（nián）我國新增裝機容量中, 內資企業產品（pǐn）占55. 9%, 其中金風科技的份額最大, 占新增總裝機容量的25. 1%,占內資企業產品的44. 9% ; 合（hé）資企業產品占新增裝機容量的1. 6%; 外資企業產品占42. 5%, 其中西班牙Gamesa 的份（fèn）額最大, 占新增裝機容量的39. 9% [ 2] 。

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

     1. 3  風力（lì）發電發展的主（zhǔ）要趨勢[ 5- 6]

     ( 1) 機組單機容量增大（dà）

     風（fēng）電機組單機容量的增大有利（lì）於提高風能（néng）利用率, 降低風場的占地麵積, 降低風電場運行維護成本,從而提高風（fēng）電的市場（chǎng）競爭力。目前, 國際上主流的風電機組已達到( 2~ 3) MW, 由德國Repower 公（gōng）司研製的最大的5MW 風電機組已投入（rù）運（yùn）行, 其旋翼區直徑達到126 米。可以預見, ( 3~ 5) MW 的風電機組在市場中的（de）比例將日益提高。2008 年2 月在布魯塞爾舉行的（de）風能會（huì）議和風能展上, 有與會者甚至提（tí）出了2020 年前開發出20MW 風電機組的概念。

     ( 2) 海上風電（diàn）迅速（sù）興起

     海上風能資（zī）源（yuán）豐富, 且受環境影（yǐng）響小, 海上風電場將成為一（yī）個（gè）迅（xùn）速發展的市（shì）場。目前丹麥、德國、英國、瑞典和荷（hé）蘭（lán）等國家海上風電（diàn）發展較快（kuài）。歐洲風能協會 (EWEA) 預測, 2020 年, 歐洲海上風電總裝機容量將達（dá）到70 000MW。雖（suī）然海上風電前（qián）景廣闊, 但目前還有技術等方麵的因素製（zhì）約著它的發展。一方麵, 海上風電機組均為陸上風（fēng）電機組改造而成, 而複（fù）雜的海上自（zì）然條件使（shǐ）得風電機組的故障率居高不（bú）下, 如世界最大（dà）的海上風電場丹麥Vestas 霍恩（ēn）礁風電場, 80 台海上風電機組故障（zhàng）率超過70% 。另一方麵, 電網將難以承受（shòu）大規模海上風電（diàn）場所提供的（de）巨大電（diàn）能。因此, 海上風電的大發展仍需要解決機組及上網配套設施等方麵的問題。

     ( 3) 變速恒頻技（jì）術快（kuài）速推（tuī）廣

      目前市場上恒（héng）速運行（háng）的風電機組一般（bān）采用雙繞組（zǔ）結構（gòu）的異步（bù）發電機, 雙速運行。在高風速段, 發電機運行在（zài）較高轉（zhuǎn）速上; 在低風速段, 發電機運行在（zài）較低轉速上。其優點是控製簡單, 可靠性高; 缺點是由於轉速基本恒定, 而風速經常變化, 因此機組經常處（chù）於風能（néng）利用係數較低的狀態, 風能無法得（dé）到充分利用。隨著風電技術的進步, 風電機組開發製造廠商開始（shǐ）使用變速恒頻技術, 並（bìng）結合變（biàn）槳距技（jì）術的應用開發出了變槳變速風電機組。與恒（héng）速（sù）運行的風電機組（zǔ）相比, 變速運行的風電機組具有發電量大、對風速變化的適應性好、生產成本低、效率高等優點。因（yīn）此, 變速運行的風電機組也是未來發展的趨勢之一。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) 全功率變流技術興（xìng）起

      近年來, 歐（ōu）洲的Enercon、Winwind 等公司都開發和（hé）應用了全功率變流的（de）並網技術, 使風輪和發電機的調速範圍達（dá）到了0~ 150% 的額（é）定轉速, 提（tí）高了風能的利用範圍, 改善（shàn）了風場上（shàng）網電能的質量。Enercon 公司還將（jiāng）原（yuán）來對（duì）每個風電機組功率因數（shù）的分散控製加（jiā）以集中, 由並網變電站來統一調控, 實現了電網的有源功率因素校正和諧波（bō）補（bǔ）償。全功率變流技術將在今後大型風電場建設時得到推廣應用。

     ( 5) 直驅和半直驅風電機組

      直驅式風電機組采用多極（jí）電機與葉（yè）輪直接連接進行（háng）驅動的方式, 免去故障（zhàng）率較高的齒輪箱, 在低風速（sù）時效率高（gāo）, 且具有（yǒu）低（dī）噪聲、高壽命、運（yùn）行維護成本低等優（yōu）點。近年來直驅式風電機組的裝機份額增長較塊, 但由於技術和成本等方麵的原（yuán）因（yīn）, 在未來較長時（shí）間內帶增速齒輪箱的風電機組仍將在市場中占主導地位。半直驅是介於（yú）齒（chǐ）輪箱驅動和直接驅動之（zhī）間的一（yī）種驅動方式, 它采用（yòng）一級齒輪箱增速, 結構緊湊, 具有相對較高的（de）轉（zhuǎn）速和較小的轉矩。與傳統的齒輪箱驅動（dòng）相比, 半（bàn）直驅增加（jiā）了係統的（de）可靠性; 而與大直徑的直驅相比, 半（bàn）直驅通過更高效和緊湊的機艙排（pái）列（liè）減小了係統的體積和（hé）重量（liàng）。

2  風（fēng）電齒輪箱發展概況

      齒輪（lún）箱是風電機組中（zhōng）技術含量（liàng）最高的部（bù）件之一。國際上生產風電齒輪箱的（de）公司主要有Renk、Flender、Hansen Transmission 等; 我國（guó）批量生（shēng）產風電齒輪（lún）箱的企（qǐ）業主要有（yǒu）南（nán）京高精齒（chǐ）輪集團有限公司（sī）、重慶齒輪箱有限責任公司、華銳風電科技有限公司、中（zhōng）國二重（chóng）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電機組多數為（wéi）進口機組, 齒輪（lún）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（bié）品牌機組齒輪箱更換率接近100%。雖然齒輪箱故障是世（shì）界性的問題, 但我（wǒ）國風電齒輪（lún）箱的故障率更高。我國地形地貌、氣候特征與歐洲地區不同, 這使得（dé）一些風電發達國（guó）家現有的設計經驗並不完全適應我國的情況。因此, 對風電齒輪箱技術進行深入研（yán）究, 開（kāi）發適合我國（guó）具體情況的風電齒輪箱並實現產（chǎn）業化對提高風電裝備的可靠性、降低風電成本有著重要（yào）的意義。

     2. 1  風電齒輪箱主要結構形式（shì）

由於風電機（jī）組葉片葉尖線速度不能過高, 因此, 齒輪箱的額定（dìng）輸入轉速隨（suí）著單機容量的增大而逐漸降低。兆瓦級以上風電機組的額（é）定輸入轉速一般不超過20r/ min, 發（fā）電機的額定（dìng）轉速一般為1500 r/ min 或1800r/ min, 因（yīn）此大型風電齒輪（lún）箱的（de）增速比一般在75~100 範圍內。風電齒輪箱的結構形式多種多樣（yàng）。小容量風（fēng）電（diàn）齒輪箱多采用平行軸斜齒輪傳動結構, 500kW~ 1000kW 風電齒輪箱常見結構有2 級平（píng）行軸+ 1 級行星和1 級平行軸+ 2 級行星傳動兩種結構形式, 兆瓦級以上的風電（diàn）齒輪箱多采用2 級平（píng）行軸+ 1 級行（háng）星傳動（dòng）的結構[ 8] 。由（yóu）於行星傳動結構相對複（fù）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（háng）星傳動的結構, 也以NW 型（xíng）傳動最為（wéi）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風電機組的開發而發展起來的, Renk、Flender 等風電齒輪箱製（zhì）造（zào）公司在產品開發過程中采用三維造型設計、有限元分析、動態（tài）設計等先（xiān）進技術, 並通過模（mó）擬和試驗（yàn）測試對設計方案進行驗證。此外, 國外通過理（lǐ）論分（fèn）析及試驗測試對風齒輪箱的運行性（xìng）能進行了係（xì）統的研究, 為風電齒輪箱的設計提供了可靠的依據。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箱標準（zhǔn） "Standard for Design and Specification of Gearboxfor wind Turbines", 於2004 年1 月上升為美國國家標準（zhǔn）, 即ANSI/ AGMA/ AWEA6006 - A03。該（gāi）標準對風電齒輪箱的設計、製造、使用等作了（le）詳（xiáng）盡規定[ 10] 。

      我國風電發展經曆了約20 年時間（jiān）, 開展研究的單位主要有南京高精齒輪集團有（yǒu）限公司、重慶齒輪箱有限責任公司、鄭州機械研究所等單位。目前（qián）, 國內已基本掌握了兆瓦以下風電齒輪箱的設（shè）計製造（zào）技（jì）術, 但隻有極少數（shù）單位（wèi）掌握了具有自主知識產權的兆瓦以上大型風電齒輪箱設（shè）計製造（zào）技術, 還有一些廠家是引進（jìn）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（chǎn）風電齒（chǐ）輪箱與國外一（yī）流產品相比還有較大（dà）差距。因此, 要全麵掌握大型風電齒輪箱設計製造技術,還需要在消化、吸收國外先進設計（jì）製造技（jì）術的基礎上進（jìn）行係統深入的研究和創新。

     2. 3  風電齒輪箱設（shè）計製造方麵存在的主要問題

     ( 1) 基礎載荷數據及載（zǎi）荷處（chù）理方法方麵的問題風電齒輪箱工作環境（jìng）惡劣, 所承受的載荷（hé）情況非常複雜, 因此符合實（shí）際的載荷數據及其處理方法是風電齒輪箱設計計算的基礎。我國不但缺少複雜載荷數（shù）據, 而且處理方法（fǎ）也不夠成熟, 對風（fēng）電機組在工作過程中經常出（chū）現（xiàn）的製動（dòng）載荷、極（jí）限載荷等載荷情況的處理還是根（gēn）據經驗進行估算。此外, 在變載荷處理過程中運用的線性積累損傷理論也並不能真實反映實際破壞（huài）情況。因此（cǐ）, 設計計算的基礎有問題, 也（yě）就無法得到合理的設計（jì）結果[ 11] 。

     ( 2) 齒倫早期點蝕問題

     在（zài）頻繁受到風載（zǎi）變化衝擊的情況下, 齒輪的微動磨損超過一般設計的預期, 從而造成齒（chǐ）輪早期點蝕。防止齒輪早期點蝕的關鍵在（zài）於輪齒（chǐ）修（xiū）形。在確定修形參數時, 需要獲得準確的載荷來計算（suàn）齒輪偏載, 再根據偏載（zǎi）情況進行修形, 而且需要考慮載荷波動（dòng）, 要盡（jìn）可能保證齒輪在各種工況載荷及其組合的（de）作用下都具有良（liáng）好的接觸區。

     ( 3) 軸承早期損壞

     目前國內風電（diàn）齒輪箱幾乎全部采（cǎi）用進口軸承, 主要的國外廠商有瑞典SKF、德國FAG 等公司。國內兆瓦以上設備所用的軸承仍處於研發階段, 以洛軸、瓦軸（zhóu）等為代表的一些企業, 紛紛加大研發力度。其中, 洛軸是國內最早研製、生產風電軸承的企業, 在國內首家成功開發出1. 5MW 風（fēng）電軸承。統計數據表明, 早期風電（diàn）齒輪箱故障大多是由軸承引起的。隨著技術的成熟,目前軸承引起的故障明顯降低, 但仍有（yǒu）約50% 的故障由軸承損壞造成。軸承損壞的主要原因是係統的受力變（biàn）形導致軸承內外圈（quān）不再平行, 滾子局部接觸應力過大。因（yīn）此, 精確的軸承壽命計算方法對風電齒輪箱軸承的設計、選擇非常重要。

     ( 4) 大型斜（xié）齒內齒圈製造

     目前（qián）, 國外風電齒輪箱大多采用滲碳淬火磨齒的斜齒內齒圈, 以提高齒輪的強度、傳（chuán）動平穩性和可靠性, 減小尺寸和重量。國內（nèi）因製造技術和製（zhì）造設備方（fāng）麵的限製, 內齒圈通常（cháng）采用直（zhí）齒+ 氮化工藝或直齒+滲碳淬火（huǒ）+ 磨齒工藝（yì）, 致使（shǐ）齒輪箱的傳動平穩性（xìng）、可靠性等指標均低（dī）於國外產品的相應（yīng）指標。

     ( 5) 密封問題

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

3  小結

     ( 1) 近10 年來, 全球風力發電裝機容量以28. 6%的年增長率飛速發展（zhǎn）, 且有著廣闊的（de）發展前（qián）景。我（wǒ）國大（dà）陸風電裝機容量（liàng）增（zēng）長率連續3 年（nián）世界第一, 2007 年總裝機容量達到5906 MW, 排全球（qiú）第5 位。

     ( 2) 2007 年我國新增裝機容量中, 內資企業產品占55. 9% , 合資企業產品占1. 6% , 外資企業產品占42. 5% 。在新增裝機容量逐年快速（sù）增長的情況下, 內資企業產品所占比例不斷增大, 外資企業（yè）產品所占比例不斷縮小, 說明國產機組的年裝機量增速更快。

     (3) 風力發電的主要發展（zhǎn）趨勢是機組單機容量逐步增大、海上風力發電將興起, 變速恒頻技術和全功率變（biàn）流技術推廣應用以及直驅和半直驅風電機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（réng）處於消化吸（xī）收和研發階段。