風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及風(fēng)電齒輪箱研究進(jìn)展

李亮

摘 要：隨著風(fēng)電技術(shù)的逐漸成熟，世界風(fēng)電裝機(jī)容量快速發(fā)展。本文在此基礎(chǔ)上概述了國內(nèi)外風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。并詳細(xì)的敘述了國內(nèi)外風(fēng)電齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展。最后，根據(jù)風(fēng)電齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)研究的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了幾個(gè)需要進(jìn)一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；齒輪箱；齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀

一、風(fēng)電產(chǎn)業(yè)概況

（一）國外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

在世界風(fēng)力發(fā)電飛速發(fā)展的歷程中，19世紀(jì)末期，丹麥?zhǔn)紫妊兄屏孙L(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并建立了世界上第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電站。一個(gè)世紀(jì)以來，世界各國開始不斷地研制類型各異的發(fā)電機(jī)組。作為世界經(jīng)濟(jì)非常發(fā)達(dá)的美國，雖然風(fēng)電技術(shù)發(fā)展道路比較曲折，但其發(fā)展速度還是比較迅速，在2000年，已經(jīng)具有超過2000萬臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組，總的裝機(jī)容量達(dá)到了2500MW。歐洲風(fēng)力發(fā)電在世紀(jì)之交可為獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，突飛猛進(jìn)。到2010年，歐洲可再生能源的發(fā)電量翻一番，即從1998年占?xì)W洲電能需求量的7%提高到14%。維斯塔斯、GE、歌麥颯、Enercon和西門子等傳統(tǒng)品牌在世界累計(jì)及市場份額中占67%。目前這些公司在國際風(fēng)電行業(yè)中處于非常明顯的優(yōu)勢和主導(dǎo)地位。

（二）國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會(huì)報(bào)告，圖1為近年來我國的風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r。2006年，我國風(fēng)電裝機(jī)容量增速超過100%，裝機(jī)容量全球排名第二，新增裝機(jī)容量全球排名第一，新增裝機(jī)容量和風(fēng)機(jī)產(chǎn)量均占到全球總數(shù)的1/3，我國已成為全球風(fēng)力發(fā)電的大市場。

2012年中國新增安裝風(fēng)電機(jī)組7872臺(tái)，裝機(jī)容量12960MW，同比下降26.5%，這是自2011年以來連續(xù)第二年風(fēng)電新增裝機(jī)增速下滑。此前國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量保持多年高速增長。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展極大的促進(jìn)了風(fēng)電裝備制造業(yè)的發(fā)展。但是我國僅處于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其風(fēng)電設(shè)備制造的初級(jí)階段，由于缺乏對基礎(chǔ)技術(shù)研究的原始積累和人才等各方面的的原因，中國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)自主研發(fā)能力比較不足。與此同時(shí)，受國際風(fēng)電發(fā)展大型化趨勢的影響，我國大型風(fēng)電企業(yè)也開始進(jìn)入風(fēng)電裝備大型化的競爭行列之中。我國華銳、金風(fēng)等企業(yè)已經(jīng)開始研制單機(jī)容量為5MW的風(fēng)電機(jī)組，我國開始全面邁進(jìn)MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的研制領(lǐng)域。

（三）風(fēng)電發(fā)展前景

目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流發(fā)展趨勢從大陸走向海洋，并實(shí)現(xiàn)單機(jī)容量的兆瓦級(jí)別。陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)以不同的形式存在數(shù)百年，相比之下，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)閑的尤為年輕，盡管大型的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)達(dá)到7MW級(jí)，但很顯然制造商還會(huì)開發(fā)和安裝更大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱發(fā)展現(xiàn)狀

（一）風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱主要結(jié)構(gòu)形式現(xiàn)狀

風(fēng)電齒輪箱的額定輸入轉(zhuǎn)速隨著單機(jī)容量的增大而逐漸降低。兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電機(jī)組的額定輸入功率一般不超過20r/min，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為1500r/min～1800r/min。因此，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的增速比一般在75～100范圍內(nèi)。風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，小容量的風(fēng)電齒輪箱多采用平行軸斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型；500KW～1000KW的風(fēng)電齒輪箱常見的結(jié)構(gòu)有一級(jí)行星齒輪、兩級(jí)平行軸齒輪和兩級(jí)行星齒輪、一級(jí)平行軸齒輪，兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)多采用一級(jí)行星齒輪、兩級(jí)平行軸齒輪結(jié)構(gòu)。

（二）風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱國外發(fā)展動(dòng)態(tài)

國外兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱是隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的開發(fā)而發(fā)展起來的，Renk、Flender等風(fēng)電齒輪箱制造公司早期產(chǎn)品開發(fā)中主要采用三維造型設(shè)計(jì)、有限元分析、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的先進(jìn)的技術(shù)，并通過模擬和仿真實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行驗(yàn)證，然后在進(jìn)行校正。除此之外，國外還通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測試對風(fēng)電齒輪箱的運(yùn)行性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)和保障。Schlecht等利用多體動(dòng)力學(xué)的遞推組建模方法建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的樹狀結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，并對其進(jìn)行了分析。Kiracofe將單級(jí)行星傳動(dòng)系統(tǒng)的建模方法推廣到多級(jí)復(fù)合齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，在全局固定坐標(biāo)系下建立了系統(tǒng)的平移-扭轉(zhuǎn)耦合動(dòng)力學(xué)模型，并對其固有特性進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。

（三）風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱國內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)

我國的風(fēng)力發(fā)電大約經(jīng)歷了幾十年，開展研究的單位主要有鄭州機(jī)械研究所、南京高精齒輪集團(tuán)有限公司、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司等單位。到目前為止，我國國內(nèi)已經(jīng)基本掌握了兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電齒輪箱的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)，還有極少數(shù)單位已經(jīng)掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兆瓦級(jí)以上的大型風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。但是，要想全面的掌握大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的設(shè)計(jì)制造等技術(shù)，還需要不斷地消化、吸收國外的先進(jìn)制造技術(shù)，吸取精華，進(jìn)而來提高我國的風(fēng)電齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的深入研究和創(chuàng)新。

（四）風(fēng)電齒輪箱常見故障及目前存在的問題

我國的大型風(fēng)電裝置制造行業(yè)起步較晚，技術(shù)力量相對薄弱。圖2和圖3，由圖可看出在風(fēng)電機(jī)組各系統(tǒng)的失效比例中，齒輪箱的失效比例為9.8%，而齒輪箱失效造成的停機(jī)時(shí)間占總停機(jī)時(shí)間的19.4%。

目前，風(fēng)電齒輪箱的主要故障為輪齒的疲勞損傷、輪齒的折斷、齒面疲勞、軸承損傷等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作時(shí)，其齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)承受一系列內(nèi)部及外部因素造成的動(dòng)態(tài)載荷。從而加速了齒輪箱的破壞。齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵機(jī)械部件，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮其動(dòng)態(tài)特性。

三、小結(jié)

風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分，有必要對其進(jìn)行詳細(xì)的建模和分析，才能夠有效的掌握風(fēng)電齒輪箱的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而增加其壽命。

研究與風(fēng)電齒輪箱傳動(dòng)系動(dòng)力學(xué)相關(guān)的問題，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的仿真結(jié)果，研究非線性振動(dòng)控制、故障診斷，低振動(dòng)、低噪聲等優(yōu)化方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]周世華.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析[D].東北大學(xué)，2013.

[2]李俊峰，施鵬飛.中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2010[J].海南：海南出版社，2010.