摘要（yào） :近年來, 隨著風電技術的逐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（hé）風電發展的主要趨勢, 介（jiè）紹了（le）風（fēng）電齒（chǐ）輪（lún）箱的技術現狀, 指（zhǐ）出了風電齒輪箱設計製造方麵存在的主要問題。

關鍵詞: 風力發 齒輪箱 發展現狀     

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足的進步。風能是一種清潔的可再生能源, 隨著風力發（fā）電（diàn）技術的日趨成熟和風電成本的逐（zhú）漸降低（dī）, 風電裝備產業高速發展且前景廣闊。為了進一步（bù）改善風電機組的性（xìng）能、提高（gāo）單機容量（liàng）, 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（diàn）技術研究起步（bù）較晚, 近年來取得了顯（xiǎn）著的成效, 但總體設計製（zhì）造（zào）水平與國際先進水平還有很大差距（jù）。

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慢, 但是技術的不斷進步使風電（diàn）成本大幅度（dù）下降, 加上能（néng）源、環境（jìng）問題的日益嚴峻使各國紛紛出（chū）台鼓勵政策和稅收優惠, 因此出現了從上個世（shì）紀末延續至今的（de）風電產（chǎn）業大發展。圖1 為近10 年全球風電裝機容量及增長率圖。從圖中可以看（kàn）出, 從1998 年以來近10 年的風電裝機容量年（nián）增長率都在（zài）20% 以上, 年平（píng）均增長率達到了28. 6%。2008 年2 月在比利時首都布魯塞爾召開全球風（fēng）能大會期間, 全球風（fēng）能理事會( GWEC)確認, 2007 年全球風（fēng）電新增（zēng）裝機容量約20 000MW,年增長27. 0% ; 截（jié）至2007 年底, 全球（qiú）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（lèi）計裝機容量達到57 135MW, 約占（zhàn）全球的（de）61% 。但歐洲新（xīn）增裝機容量所占的（de）比率從2004 年的75% 下降到了2007 年的43% , 這主要是由於美洲和亞洲風（fēng）電業（yè）的高速發展。在美（měi）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（quán）球風電新增裝機容量來自亞洲, 一方麵是印度風電裝（zhuāng）機容量穩定增長, 另一方麵（miàn）就是我國風電裝機容量快速增長。印度2007 年新增裝機容（róng）量1 800MW,累積裝機容量達到（dào）8 000MW [ 2], 累積裝機容量仍高於（yú）我國。

     我國風電產業（yè）從零起步, 但發展迅速, 特別是近（jìn）3年的裝機容量增長率世界第一。圖（tú）2 為近10 年來我國風（fēng）電（diàn）累積裝（zhuāng）機容量及增長率圖。2007 年我國新增風電裝機（jī）容量3 307MW, 增長率達到了127% [ 3] 。截至2007 年底, 我國( 不計台灣省) 風（fēng）電累計裝機容量已達到5 906MW, 取代丹麥成為全球第5 名, 占2007 年（nián）底全球風電累計裝機容量的6. 3% 。中國可再生能源（yuán）行業理事會( CREIA) 預計, 到2015 年, 我國風電裝機容量將達到50 000MW。近年來, 我國風力（lì）發（fā）電取得突破性進展[ 4] , 風電場已達到158 個（gè）。內蒙古自治區的風電裝機（jī）容量達到1 563MW, 是全國風電（diàn）裝機容量最多的省份。2007 年11 月8 日, 我國第一（yī）個海上風（fēng）電場在渤海油田順利投（tóu）產, 拉開了我國有效利用海上風能（néng）的序幕。

      歐洲風能協會( EWEA) 確定的目標是（shì）到2030 年風力發電要能滿足歐洲電力（lì）需求的23%。德國是風力發電裝（zhuāng）機容量最大的國家, 其電（diàn）力的6% 來自風電（diàn）; 西班牙電（diàn）力的8% 來自風電; 丹麥的風電裝機（jī）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, 風電占全球總電量的比例將達11. 9% 。

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

      1. 2 國內外（wài）風電設備製造業概（gài）況

      風力發電的快（kuài）速增長帶（dài）動了風電設備製造業的發展, 2007 年度全球風電設備市場總價（jià）值達到360 億美元。目前, 世界上先進的風（fēng）電設備製造企（qǐ）業主要集中在少數幾個國家, 如丹麥、德（dé）國、西班牙和美國等, 著名的公（gōng）司有Vestas( 丹（dān）麥) 、GE Wind( 美國) 、Gamesa( 西班牙) 、Enercon ( 德國（guó）)、Suzlon( 印度) 等。圖3 為2007 年世（shì）界風電機組市場份額圖。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（chǎng）份額的一半多。值得（dé）一提的是, 我國的金（jīn）風科技股份有限公司也占據了2007 年世（shì）界風電市場的4. 2% 。

     風電的快速增長同樣（yàng）刺激了我國風電設備製造（zào）業的發展, 並迅速崛起了像（xiàng）金風（fēng）科技股份有限公司、華銳風（fēng）電科技有限公司、湖南湘電風能有限（xiàn）公司、浙江運達風力發電工程有（yǒu）限公司（sī）等風電設備製造企業。這些企業通過對國外風電技術的吸收再創新（xīn）, 形（xíng）成了較大的生產規（guī）模（mó）。目（mù）前, 國內從事風（fēng）電設備製造的企業達50餘家, 而且配件製造企業隊伍也在迅（xùn）速擴大。2007 年我國（guó）新增裝機容量中, 內資企業產品占55. 9%, 其中金風科技的份額最大, 占新增總裝機容（róng）量的25. 1%,占內資（zī）企業（yè）產品的（de）44. 9% ; 合資企業產（chǎn）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（é）最大, 占新增裝機容量的39. 9% [ 2] 。

     國際上, 兆瓦（wǎ）級以上的風電機組已經成為主流機型。如美國: 主流機型1. 5MW, 丹麥（mài）: 主流機型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006 年, 我國風（fēng）電（diàn）機組1MW 以（yǐ）下（xià）的（de）機組（zǔ）占（zhàn）總裝機容（róng）量的70%, 1MW~ 2MW 之間的風電機型（xíng）隻占26%, 2MW 以（yǐ）上機型占4% 。根據國家發改（gǎi）委規劃, 我國未來的風電新增裝機（jī）將以1. 5MW、2MW 機型（xíng）為主, 1MW 以下機型所占比重將逐（zhú）漸降（jiàng）低。

     1. 3  風力發電發展的主要趨勢[ 5- 6]

     ( 1) 機組單機容（róng）量（liàng）增大

     風電機組單機容（róng）量的增大有利於提高風能利用率, 降低風場的占地麵積, 降低風（fēng）電場運行維護成本,從而提高風電的市場競爭力。目前, 國際上主流的風電（diàn）機組已達到( 2~ 3) MW, 由德國Repower 公司研製的最大的5MW 風電機組已投入運行, 其旋翼區直徑達（dá）到126 米。可以預見, ( 3~ 5) MW 的風電機組在市場中的比例將日益提高。2008 年2 月在布魯塞爾舉行（háng）的風能會議（yì）和風能（néng）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) 海上風電迅速興起

     海上風能資源（yuán）豐（fēng）富, 且受環境影響小, 海上風電場將成為一個迅速（sù）發展的市場。目前丹麥、德國、英國、瑞典（diǎn）和荷蘭等（děng）國家海上風電發（fā）展較快。歐洲風能協會 (EWEA) 預測, 2020 年, 歐洲（zhōu）海（hǎi）上（shàng）風電總裝機容量將達到70 000MW。雖然（rán）海上風電前景廣闊, 但目前（qián）還有技術等（děng）方（fāng）麵（miàn）的因素製約著它的發展。一（yī）方麵, 海上（shàng）風（fēng）電機組均為陸（lù）上風電機組改造而成, 而複雜的（de）海（hǎi）上自然條件使（shǐ）得風電（diàn）機組的故障率居高不下（xià）, 如世界最大的（de）海上風電場丹（dān）麥Vestas 霍恩（ēn）礁風電場, 80 台海（hǎi）上風電機組故障率超過70% 。另（lìng）一方麵, 電（diàn）網將難以承（chéng）受（shòu）大（dà）規模海上風電場所提供的巨大電能。因此, 海上風電的大發展（zhǎn）仍需要解決（jué）機組（zǔ）及上網配套設施（shī）等方麵的（de）問題。

     ( 3) 變速恒頻技術快速推廣

      目前市場上恒速運（yùn）行（háng）的風電機組一般采用雙繞組結構（gòu）的異步發電機, 雙速運行。在（zài）高風速段, 發電機運行（háng）在較高轉速上; 在低風速段, 發電（diàn）機運（yùn）行在較低轉（zhuǎn）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（huà）, 因此機組經常處於風能利（lì）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使用變速恒頻技（jì）術, 並結合變槳距（jù）技術的應用開發出了變槳變速風電機組。與恒速運行的風電機（jī）組相比, 變速運行的風電機組具有發電量大、對風速變化的適應（yīng）性（xìng）好、生（shēng）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勢之一。德國Enercon 公司是目前全球生產變速風電機組最多的公司。

      ( 4) 全功率變流技術興起

      近年來, 歐洲的Enercon、Winwind 等公司都開發和應用了全（quán）功率變流的並網技術, 使風輪和發電機的調（diào）速（sù）範圍達到了0~ 150% 的額定轉速, 提高了風能的利用範圍, 改（gǎi）善了風（fēng）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的分散控製（zhì）加以集中, 由並網變電（diàn）站（zhàn）來統一調控, 實現了電網的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技（jì）術將在今後大型風電場建設時得到（dào）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電機與葉（yè）輪直接連接進行驅動的方式, 免去故障率較高的齒輪箱, 在低（dī）風（fēng）速時效率高, 且具有（yǒu）低噪聲、高壽命、運行維護成本低等優點。近年來（lái）直驅式風電機組的裝機份額增長較塊, 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的風電機組仍將在市場（chǎng）中占主導地位。半直驅是介於齒輪箱驅動和直（zhí）接驅動之（zhī）間的一種驅動方式, 它（tā）采用一級齒輪（lún）箱增速, 結構緊湊, 具有相對較高（gāo）的（de）轉速和較小的轉矩。與傳統的齒輪箱驅動相比, 半直驅增加了係統的可靠性; 而與大直徑的（de）直驅相比, 半直驅通過更高效和緊湊的機艙排列減小了係統的體積和重量。

2  風（fēng）電齒輪箱發展（zhǎn）概況

      齒輪箱是風電機組中技術含量最高的（de）部件之（zhī）一。國際上生產風電齒輪箱的公司主（zhǔ）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精齒輪集（jí）團有限公司、重慶齒輪箱有限責任公司、華銳風電（diàn）科技有限公（gōng）司、中國二重集團( 德陽) 重（chóng）型裝備股份有限公司等。目前我國風（fēng）電場（chǎng）中安裝的（de）風電機組多數為進口機組（zǔ）, 齒輪箱是近年來國內外風力發電機組故障率最高的部件（jiàn）之一[ 7] , 有的風場齒輪箱損壞率高達（dá）40% ~ 50% , 個別品（pǐn）牌機組齒輪箱（xiāng）更換率接近100%。雖然齒輪（lún）箱故障是世界（jiè）性的問題, 但我國風電齒輪（lún）箱的（de）故（gù）障率更高。我國地形地貌、氣候特（tè）征與歐洲地區（qū）不同, 這使得一些（xiē）風電發達國家現有的設計經驗並不完全適應我國的情況（kuàng）。因（yīn）此, 對風電齒輪箱技術進行深入研究, 開發（fā）適合我國具體情況的風電齒輪箱並實現產業化對提高風電裝備的可靠性、降低風電成（chéng）本有著重要的意義。

     2. 1  風電（diàn）齒輪箱主要結構形式

由於（yú）風電機組葉片葉尖線速度（dù）不能過高, 因此, 齒輪箱的（de）額定輸入轉速隨著單機容量的增大而逐漸降低。兆瓦級以上風電機組的額定輸入轉速（sù）一（yī）般不超過20r/ min, 發電機的額定轉速一般為1500 r/ min 或（huò）1800r/ min, 因此大型（xíng）風電齒輪箱的增速比一般在75~100 範圍內。風電齒輪箱的結構形式多種多樣。小容量風電齒（chǐ）輪箱多采（cǎi）用平行軸斜齒輪傳動（dòng）結構, 500kW~ 1000kW 風電齒輪箱常見結構有2 級平行軸+ 1 級行星（xīng）和1 級平行（háng）軸+ 2 級行星傳（chuán）動兩種結構形式, 兆瓦級以（yǐ）上的風電齒輪箱多采（cǎi）用2 級平行軸+ 1 級行星傳動的結（jié）構[ 8] 。由於行星傳動結構相（xiàng）對複雜, 而且大型內齒圈加工難度較大, 成本較高（gāo）, 即使采用2 級行星傳動的結構, 也以NW 型傳動最為常見[ 9]。

     2. 2  風電齒（chǐ）輪箱技術現狀（zhuàng）

      國外兆瓦級風電齒輪箱是隨風電機組的開（kāi）發（fā）而發展起來（lái）的, Renk、Flender 等風電齒輪箱製（zhì）造公司在（zài）產品開發過程中采（cǎi）用（yòng）三維造型設計、有限元分析、動態設計等先進技術, 並通過模擬和試驗（yàn）測試對設計方案進行驗證。此外, 國外通過理論分析及試驗測試（shì）對風齒輪（lún）箱的運（yùn）行性能進行了係統的研究, 為風電齒輪箱的（de）設計提供（gòng）了可（kě）靠的依據（jù）。美（měi）國風能協會( AWEA) 和齒輪協（xié）會(AGMA) 於2003 年10 月製定了新的風電齒輪箱標準 "Standard for Design and Specification of Gearboxfor wind Turbines", 於2004 年1 月上升為美國國家標準, 即ANSI/ AGMA/ AWEA6006 - A03。該標準對風電齒（chǐ）輪箱（xiāng）的（de）設計、製（zhì）造、使用等作了詳盡規（guī）定[ 10] 。

      我國風電發展經曆了約20 年時間, 開（kāi）展研究的單位主要有南京高精齒輪集團有限公司、重（chóng）慶齒輪箱有限（xiàn）責任公司、鄭州機械研究所等（děng）單（dān）位。目前, 國內（nèi）已基本掌握了兆瓦以下風電齒（chǐ）輪箱的設計製造技術, 但隻有極少（shǎo）數單位掌握了具有自主知識產權的兆瓦（wǎ）以上大型風電齒輪箱設計製造技術, 還有一些廠家（jiā）是引進國外技術和許可證生產。總體來看, 在運行可靠（kào）性等方麵, 國產風（fēng）電（diàn）齒（chǐ）輪箱與國外（wài）一流產品相比還有較大差距。因此, 要全麵掌（zhǎng）握大型風電齒輪箱設（shè）計製（zhì）造（zào）技術,還需要在消化、吸收國外先進設計製造技術（shù）的基礎上進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) 基礎載荷數據及載荷處理方法方麵的問（wèn）題風電齒輪箱工作環境惡劣, 所承受的載荷情況非常複雜（zá）, 因此符合實際（jì）的（de）載荷數據及（jí）其處理方法是風電齒輪箱設計（jì）計算的基礎。我國不但缺少複雜載荷數據, 而且（qiě）處理（lǐ）方法也不夠成熟, 對風電機（jī）組在工作過（guò）程中經常出現的製動載荷、極限（xiàn）載（zǎi）荷等載荷（hé）情況的（de）處理還是（shì）根據經驗進行估算。此外（wài）, 在變載荷處理過程中運用的線（xiàn）性積累損傷理論也並不能真實反映實際破壞情況。因（yīn）此, 設計計算的基礎有問題, 也就無法得到合理的設（shè）計結果[ 11] 。

     ( 2) 齒倫早期點蝕問題

     在頻繁受到風載變化衝擊的情（qíng）況下, 齒輪的微動（dòng）磨損超過一般設計的預期, 從而造成齒（chǐ）輪早期點蝕。防（fáng）止齒輪早期點蝕的關鍵（jiàn）在於輪齒修形。在確定（dìng）修形參（cān）數時, 需要獲得準確的載荷來計算齒輪偏載, 再根據偏載情況進行修形, 而且需要考慮載荷波動, 要盡可能保（bǎo）證齒輪在各種工（gōng）況載荷（hé）及其組合的作用下都（dōu）具有良好的接觸區。

     ( 3) 軸承早期損壞

     目前國內風電齒輪箱幾乎全部采用進口軸承, 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（jiē）段, 以洛軸（zhóu）、瓦（wǎ）軸（zhóu）等為代表的一些企業（yè）, 紛紛加大研發力度。其中, 洛軸是國內最早（zǎo）研（yán）製、生產風電軸承的企業（yè）, 在國內首家成功開發出1. 5MW 風電軸承。統計數（shù）據表明, 早期（qī）風電齒輪箱故障大多是由軸承（chéng）引起的。隨著技術的成熟（shú）,目（mù）前軸承（chéng）引起的（de）故障明顯降低, 但（dàn）仍有約50% 的故障由（yóu）軸承損壞造成（chéng）。軸承損壞的主要原因是係統的受力變形導致軸承內外（wài）圈不再平行, 滾子（zǐ）局部接觸應力過（guò）大。因此, 精確的軸承壽命計算方法對風電齒（chǐ）輪箱軸承的設計、選擇（zé）非常重要。

     ( 4) 大型斜齒內齒圈製造

     目前, 國外風電齒（chǐ）輪箱大多采用滲（shèn）碳淬火磨齒的斜齒內齒圈, 以提高齒輪（lún）的強度、傳動平穩性和可靠性, 減小尺寸和重量。國內因製造技術和製造設備方麵（miàn）的（de）限製, 內齒圈通常采用直齒（chǐ）+ 氮化工（gōng）藝或直齒+滲碳淬火+ 磨齒工藝, 致使齒輪箱的傳動平穩性、可靠性等指標均低於國（guó）外產品的相應指標。

     ( 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（děng）進（jìn）入箱體內汙染潤滑油, 從而影（yǐng）響風電齒輪箱的正常（cháng）工（gōng）作（zuò）和（hé）可靠性。解決密封問題仍是國產風電齒輪箱的一個難點。

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, 且有著廣（guǎng）闊的發展前景。我（wǒ）國大陸風電裝機（jī）容量增長率連續3 年世界第一, 2007 年總裝機容量達到5906 MW, 排全球第5 位。

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

     (3) 風力發電的主要發展趨勢是機組單機容量逐步增（zēng）大、海上風（fēng）力發電將興起, 變速恒頻（pín）技術和全功率變流技（jì）術推廣應用以及直驅和（hé）半（bàn）直（zhí）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（nèi）仍處於消化（huà）吸收和研發階（jiē）段。