摘要  风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣, 风电齿轮箱作为风力机组中最重要的部件, 倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。介绍了国内风电齿轮箱的发展现状, 对风电齿轮箱的市场前景做了分析, 在技术上从齿轮箱的设计、轴承、润滑系统、状态监测以及制造工艺等方面分析了国内风电齿轮箱存在的问题并提出建议。

关键词  风电 风电齿轮箱 齿轮箱 发展现状

引言

      环境污染, 能源短缺, 油价上涨, 当今社会对清洁可再生能源的强烈诉求促使风能产业遇到了前所未有的发展机遇。据估计, 世界风能资源高达每年53 万亿kW·h, 是2020 年世界预期电力需求的两倍[ 1] 。同时与之相关的风电制造业也呈现出了蓬勃的发展前景。目前国际上采用的风力发电机组的主流结构型式是齿轮箱驱动, 风电设备的庞大需求缺口更使得作为关键零部件的风电齿轮箱的生产前景广阔。

      风力发电机组一般安装在荒郊、野外、山口、海边等风能较大且周围无遮挡物之处, 发电机、齿轮箱等安装在机组塔架之上狭小的机舱内, 距地面几十米高。常年受酷暑严寒和极端温差的影响, 工作环境恶劣。据世界风力发电网数据, 风电系统的失效率12%来自齿轮箱的失效。大约是工业齿轮箱平均失效机率的两倍。齿轮箱的失效是导致故障时间、维修和产量减少的主要原因, 一般其损失要占风电设备总价的15%~ 20%。

      故障期一般出现在发电的高峰期, 因为环境恶劣,交通不便, 齿轮箱一旦出现故障, 修复十分困难, 将严重影响到风场的经济效益, 因此, 对齿轮箱的可靠性和工作寿命提出了很高的要求, 风电齿轮箱市场几乎是得技术者得天下。然而国内风电齿轮箱的研究起步较晚, 尽管已经做了一些工作, 其中还存在很多问题, 本文介绍了国内风电齿轮箱的发展现状, 对风电齿轮箱的市场前景做了分析, 在技术上从齿轮箱的设计、轴承、润滑系统、状态监测、制造工艺5 个方面分析了国内风电齿轮箱存在的问题并提出建议。

1  风电齿轮箱发展现状及市场前景

      1. 1  行业发展及研究现状

      2006 年南京高精齿轮有限公司牵手GE 开发风电齿轮箱, 2008 年2 月27 日至2008 年2 月28 日, GE 1. 5MW 风电齿轮箱联合研发团队配合GE 全球总工程师、风能总工程师、中国传动总工程师完成了最后一次设计( 试验后) 评审, 与会者一致认为该型号齿轮箱设计水平达到世界一流, 试验结果超过欧洲同类机型表现,双方共同宣布GE 1. 5MW 齿轮箱研发取得圆满成功。在此项目基础上, 组建研发小组进行XLE 1. 5MW 机型的研制, 将在2009 年一季度完成研发。另外, 公司目前正重点研发2. 5MW、3MW 的风力发电传动产品[ 3] 。

      重庆齿轮箱有限责任公司从1996 年就致力于风电齿轮箱的研发、生产, 公司已初步研发出了( 1 000- 2500) kW 的风力发电机组增速齿轮箱产品, 并成功地实现了600kW、750kW、800kW、1 000kW、1 500kW、2000kW 风力发电增速齿轮箱的批量生产。

      2006 年6 月重庆齿轮箱有限责任公司研制成功国内第一台1. 5MW 风电齿轮箱。2007 年6 月初, 该厂研制生产的国内最大的兆瓦级风电齿轮箱FL2000 顺利通过了各项技术指标测试和型式试验, 成功交付用户使用[ 4]

      另外, 2008 年5 月, 由杭齿集团杭州前进风电齿轮箱有限公司研制开发的首台1. 5MW 风电齿轮箱, 通过沈阳远大机电装备有限公司的验收, 该台风电齿轮箱在转速、扭矩、升温、振动等各项技术指标均达到了国家相关标准, 即将交付客户使用[ 5] 。

      郑州机械研究所也在从事风电齿轮箱的研究, 2005 年7 月到2007 年6 月, 进行了兆瓦级风力发电机组高可靠性传动装置的研究。

      2008 年初, 河南省发展和改革委员会、河南省科技厅和河南省财政厅共同举办了2008 年河南省扶持企业自主创新项目招投标活动, 郑州机械研究所申报的℃ 兆瓦以上风电机组增速齿轮箱研发及产业化℃项目一举中标, 获得省科研经费200 万元。该项目针对大型风电齿轮箱的关键设计制造技术进行系统深入的研究, 拟开发3. 0MW 以下系列风电增速箱, 并完成相应的中试和产业化研究、生产基地建设等工作[ 6] 。

     风电齿轮箱的优化设计是我国学者研究较多的问题。沈阳工业大学风能技术研究所的李树吉, 陈雷等对三级平行轴的斜齿圆柱齿轮增速箱进行了研究, 以齿轮箱质量最轻为目标建立了风电齿轮箱优化的数学模型, 用SUNMT 内点法进行了优化。福州大学的刘贤焕, 叶仲和等对兆瓦以上的风电齿轮箱提出了由1 个ZK ℃ H( B) 型差动行星轮系与1 个ZK ℃ H(A) 型准行星轮系组合而成的封闭式行星轮系传动方案, 并以齿轮箱体积最小为目标函数建立了相应的数学模型, 利用MATLAB 优化工具对模型进行了求解。

       另外, 重庆大学设有机械传动国家重点实验室, 在研究齿轮箱传动方面有优势, 招收风力发电技术及装备方向研究生, 并与重庆齿轮箱有限责任公司合作紧密[ 7] 7- 8。

      1. 2 风电齿轮箱市场前景

      风电齿轮箱的市场可发展空间辽阔, 以发改委的可再生能源中长期规划, 保守预估至2020 年止风电齿轮箱商机逾200 亿元。

      ( 1) 齿轮箱驱动式风电机组仍是市场主流目前市场上有两种类型的风力发电设备, 一种叫双馈发电, 是通过多重齿轮箱, 将每分钟转速不过20多转的叶片转速提升到每分钟1200 转进行发电; 另一种叫直驱发电, 采用永磁体发电机, 叶片直接驱动发电机发电。目前, 前一种技术成熟, 是市场主流, 现时一些较新型2MW 至5MW 的机组中, 仍然使用多级齿轮箱传动技术, 并继续成为风电产业主流。

      ( 2) 风电机组零部件供不应求

       风力发电机组的主要零部件包括叶片、齿轮箱、电机、导航系统、电控系统等。目前以及以后的相当长一段时间内, 市场上对于整机的需求保持旺盛姿态, 然而总体上来说, 相对于我国整机制造, 零部件制造比较落后, 不能满足整机制造的巨大需求, 因此, 零部件制造发展潜力巨大。

       目前国内的风电齿轮箱供应已初具规模, 但兆瓦级以上风电齿轮箱则多仰赖国外厂商供应。国外主流风电机组已达到兆瓦级, 丹麦为( 2. 0~ 3)MW, 美国为1. 5MW, 已有最高5MW 机组于2006 年初投入试运行。

       兆瓦级风电机组已成为国际市场的主流, 发达国家为了保持技术优势而形成技术壁垒, 我国虽已有兆瓦级以上机组样机开始试运行, 但设计制造技术仍不成熟[ 7] 6。所以风电齿轮箱市场发展潜力巨大。

       另外, 由国外购进的风电设备设计寿命为15~ 20年, 保修期一般为2 年。目前, 这些机组的部件在保修期内就有被更换的, 包括风轮叶片、发电机、增速齿轮以及控制系统等都有。可以预见, 过了保修期再要更换这些部件, 从国外购买就需要花费外汇。而且, 国外的风电机组的容量、规格更新很快, 有的型号、规格的产品到时候可能已不再生产了, 无法购进、维修。因此, 对上述容量、规格机组的重要部件生产制造是国内生产厂商的巨大商机。

      另外, 由国外购进的风电设备设计寿命为15~ 20年, 保修期一般为2 年。目前, 这些机组的部件在保修期内就有被更换的, 包括风轮叶片、发电机、增速齿轮以及控制系统等都有。可以预见, 过了保修期再要更换这些部件, 从国外购买就需要花费外汇。而且, 国外的风电机组的容量、规格更新很快, 有的型号、规格的产品到时候可能已不再生产了, 无法购进、维修。因此, 对上述容量、规格机组的重要部件生产制造是国内生产厂商的巨大商机。

       ( 3) 政策的鼓励

       2008 年8 月19 日, 财政部公布了℃风力发电设备产业化专项资金管理暂行办法℃, 规定对符合支持条件企业的首50 台兆瓦级风电机组, 按600 元/ 千瓦的标准予以补助。办法规定, 600 元/ 千瓦的补助标准中,整机制造和关键零部件制造企业各占50%, 并重点向关键零部件中的薄弱环节倾斜, 补助资金主要用于新产品研发。

     ℃办法℃明确, 产业化资金支持对象为中国境内从事风力发电设备( 包括整机和叶片、齿轮箱、发电机、变流器及轴承等零部件) 生产制造的中资及中资控股企业。资金主要是对企业新开发并实现产业化的首50台兆瓦级风电机组整机及配套零部件给予补助。℃办法℃的出台无疑是国内风电零部件制造业的利好消息, 而风电齿轮箱作为最重要的零部件无疑要在℃办法℃上分一杯羹。

2  风电齿轮箱的关键技术

      2. 1 风电齿轮箱的优化设计

      目前国内兆瓦级以上风电齿轮箱多依赖国外厂商供应, 国内研制出的风电齿轮箱多是对国外产品的单一仿制, 由于国内外的风况、气候不同, 风电场使用保养水平、原材料以及制造和安装水平都不一样, 大部分进口或国产齿轮箱都运行不足3 年而停机大修, 原因有很多, 其中设计落后是最重要的一方面。

      风电齿轮箱的优化设计在国内研究的还是比较多的, 沈阳工业大学风能技术研究所以齿轮箱质量最轻为目标建立了风电齿轮箱优化的数学模型, 福州大学以齿轮箱体积最小为目标函数建立了相应的数学模型[ 7] 7- 8。重庆大学秦大同教授等也针对风力发电机齿轮传动系统以齿轮箱体积最小为目标函数进行了参数优化设计[ 8] 。

      然而以上研究单一追求质量或体积的最小化就会忽视风电齿轮箱各级强度不平衡, 同时他们都将简化的疲劳强度计算作为约束条件, 对实际结构、热处理等问题考虑也不够充分, 难以达到整体最优。另外, 在设计的过程中还要考虑安全、经济因素。所以, 可以可靠性、经济性以及齿轮箱各级齿轮疲劳强度接近相等为优化目标, 建立多目标函数进行优化设计, 并同时考虑实际结构, 热处理等其他相关问题。

      另外, 国内齿轮箱失效的主要形式是早期点蚀。由于风力作用于齿轮箱是变工况的, 在齿轮频繁受到风速变化冲击时, 齿轮的微动磨损超过了一般设计的预期( 某些厂家设计时根本没有考虑齿轮微动磨损) ,往往造成使用2~ 3 年就出现齿轮早期点蚀, 这是国风电齿轮箱的最大毛病。因此, 设计过程中一定要考虑齿轮的早期微动点蚀。

      再者, 不同地区气候不同, 风电齿轮箱的工况也不同, 不可照搬一种模式, 在实际的设计过程中应该具体问题具体分析, 根据齿轮箱的工作环境进行设计。

      目前国内尚没有针对风电齿轮箱的专用设计软件, 因此, 针对我国风电设备的发展现状, 综合考虑以上因素, 编制适合各种风电齿轮箱的专用软件, 是进一步指导生产实践, 促进我国风电产业的发展要务。

      2. 2  风电齿轮箱的润滑

      齿轮箱的润滑系统对齿轮箱的正常工作具有十分重要的意义, 大型风力发电齿轮箱必须配备可靠的强制润滑系统, 对齿轮啮合区、轴承等进行喷油润滑。在齿轮箱失效的原因中, 润滑不足占去了一大半。润滑油温度关系到部件疲劳和整个系统的寿命。一般来说齿轮箱正常工作时的最高油温不应超过80 ℃ , 不同轴承间的温差不应超过15 ℃ 。当油温高于65 ℃ 时, 冷却系统开始工作; 当油温低于10 ℃ 启动时,应首先将润滑油加热到预定温度后再开机[ 9] 。

     在夏季, 由于风电机组长时间处于满发状态, 加上高空阳光直射等, 油品的运行温度上升超过设定值; 而在东北严寒地区冬季使用时, 最低温度经常达到-30 ℃ 以下, 润滑管路中润滑油流动不畅, 齿轮、轴承润滑不充分, 造成齿轮箱高温停机, 齿面、轴承磨损, 另外温度低也会使齿轮箱油粘度增加, 油泵启动时负载较重, 油泵电机过载[ 10] 9。

      齿轮箱润滑油都有工作的最佳温度范围, 建议给齿轮箱润滑系统上设计一个润滑油热管理系统: 当温度超过一定值时冷却系统开始工作, 当温度低于一定值时加热系统开始工作, 始终把温度控制在最佳范围内。

      另外, 提高润滑油的质量也是润滑系统必须考虑的重要方面, 润滑剂产品必须具有极好的低温流动性和高温稳定性, 要加强对高性能润滑油的研究。

      2. 3  轴承寿命计算

      统计数据表明, 风电齿轮箱故障仍约有50%的故障与轴承的选型、制造、润滑或使用有关[ 7] 23。目前,由于技术条件落后等原因, 国内兆瓦级以上机组的核心部件如电机、齿轮箱、叶片、电控设备和偏航系统等,很多都依靠进口, 而应用于这些大型风电机组中的齿轮箱轴承、偏航轴承、变桨轴承及主轴轴承更是完全依靠进口。因此, 较为精确的轴承寿命计算方法对风电齿轮箱的设计显得尤为重要。

     由于对轴承要求的高可靠性, 通常轴承的使用寿命应不小于13 万小时。而由于影响轴承疲劳寿命的因素太多, 轴承疲劳寿命理论还仍需不断完善, 国内外轴承寿命理论并没有一个统一的, 为所有行业所接受的计算方法。目前, 国外各大轴承生产厂商己纷纷根据自己的经验和研究成果提出各自新的轴承修正寿命计算方法。我国轴承寿命的试验研究工作起步较晚,规模较小, 必须迎头赶上。

      轴承的运行温度、润滑油的黏度和清洁度及转速等因素对轴承寿命有很大影响, 运行状态变差( 温度上升、转速降低、污染物增多) 时, 轴承寿命可能大幅度降低。

       对影响风电齿轮箱轴承寿命的各种因素进行深入分析, 研究出较为精确的轴承寿命计算方法是国内轴承行业乃至风电行业的重中之重。

      2. 4  风电齿轮箱的监测

      风电齿轮箱作为风电系统的重要组成部分, 其振动状态直接影响风力机的运行性能。因而研究风电齿轮箱的振动状态, 优化测点布置并对其进行状态监测,对保证机组的稳定运行具有重要意义。

      齿轮箱状态监测的研究最早始于20 世纪60 年代[ 11] 2, 而关于风电齿轮箱的状态监测, SKF 公司的状态监测产品做得很好, 产品种类有便携式仪器、在线系统、传感器等, 并且公司还可以根据客户的需要为客户量身定做状态监测产品。

      目前国内齿轮箱状态监测但在风力发电领域的应用还处于探索阶段。大连理工大学柴俊卿、王德伦以大连重工起重集团生产的兆瓦级风电增速器为研究对象, 通过对系统进行动力学分析以及现场振动试验来确定测点布置[ 11] 。

      但是他们只对箱体进行了模态分析, 不能完全准确的反映整个齿轮箱系统得固有特性以及振动特性,需要完整整个齿轮系统来分析其固有特性。另外, 风电增速器特别是兆瓦级的风电增速器状态监测目前在国内还处于空白, 我国的风电产业相对落后, 还没有相关的振动标准, 因此需要进行大量的实验数据, 根据实际的振动情况来制定振动警报值, 才能实现真正意义上的在线振动监测。

     2. 5  风电齿轮箱的制造工艺

       在一定的设计和使用条件下, 齿轮的寿命是由原材料和工艺过程决定的。目前, 国内兆瓦级风电齿轮箱主要依赖进口, 我国虽已有兆瓦级以上机组样机开始试运行, 但在设计制造方面主要是对国外的仿制。而我国的风电齿轮箱的使用工况与国外不尽相同, 国内齿轮原材料的质量水平和加工制造水平也不如国外, 造成仿制进口的国产齿轮箱在结构、原材料和加工工艺上不适应中国的实际情况, 所以光靠测绘和模仿不能解决可靠性问题, 应从结构设计的完善和制造工艺水平的提高上着手。

      从德国ZF 公司、意大利FLAT 公司引进产品的齿轮原材料与工艺标准比较, 国内外齿轮材料的主要区别在于原材料纯净度和和淬透性带宽的控制, 国外不认可国内主打用钢CrMnTi 系钢种。

      在齿轮制造工艺上主要的区别在于: ( 1) 国外强力抛丸工艺的普遍应用( 2) 对硬化深度的不同认识, 如国内用随炉试样表面至HV500 处距离表征, 而ZF 公司用试样或实物表面至HV610 处距离表征[ 10] 25。

      用材料科学的观点分析这些问题, 齿轮的承载能力是由外部条件如加载方式( 风力特点) 和内部条件如齿轮的材料处理和工艺过程( 制造水平) 决定的, 因此,国产化齿轮箱必须适应我国的实际使用条件, 齿轮的设计、计算过程中要依据我国的实际制造、管理水平进行, 要对国标或其他计算方法进行修正, 其中包括齿轮箱的结构与材料设计, 冷热工艺过程[ 10] 22。

      另外, 风电齿轮应充分注意增速传动与减速传动的区别, 变位系数的选择应有利于降低滑差, 应根据载荷情况作必要的齿形和齿向修正, 内齿圈轮缘厚度应不小于3 倍的模数, 外齿轮均采用渗碳淬火+ 磨齿工艺, 材料热处理等级不低于MQ, 齿轮精度不低于5 级;与传统行星传动不同, 内齿圈的强度往往成为风电齿轮箱的薄弱环节。国外一般采用斜齿内齿轮+ 渗碳淬火+ 磨齿工艺。但由于国内大型内斜齿制齿加工困难, 内齿磨齿成本较高, 国内通常采用直齿+ 氮化工艺, 与国外产品在设备可靠性、重量等方面存在一定差距。国内在不具备斜齿加工的条件下, 也应尽量采用渗碳磨齿工艺。即使在保证内齿圈强度的条件下, 采用氮化工艺时内齿圈的精度也不应低于7 级[ 12] 。

3  结论

      ( 1) 国内风电齿轮箱的发展前景广阔, 但起步晚,技术落后, 机遇与挑战并存。对于企业来说, 龙头企业要在技术和质量上加大力度, 不可一味追求高产能、低成本, 让国内风电齿轮箱行业陷入低端恶性竞争。

      (2) 风电齿轮箱的关键技术应注重高可靠性和长寿命, 加强兆瓦级大型风电齿轮箱及其配套轴承的设计和制造技术的系统深入研究, 丰富现场运行经验和基础数据。制造工艺方面应加强材料、热处理及加工的研究。润滑系统上可考虑设计一个润滑油温热管理系统, 将润滑油温度控制在最佳温度范围内, 另外, 要进一步开发出优质润滑油品。

      ( 3) 一台风电齿轮箱动辄上百万, 如此昂贵的设备如果按照面向再制造的设计理念进行设计, 把可拆卸性、可运输性、易于修复和升级性、易于装配性以及环境指标都考虑在内, 在使用寿命结束以后对其进行再制造, 将会节省大量的成本, 不但符合可持续发展要求, 更降低了风电场建设的入门门槛, 推动风电事业的飞速发展。