兆瓦级风电轮箱设计研究

摘 要：风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱，特别是兆瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术。因此，急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实现风机国产化目标。本文主要对风电齿轮箱设计技术及其现状进行了分析，并以南高齿研制的FD5500Z风电齿轮箱为例进行了兆瓦级风电轮箱设计的探究。

关键词：兆瓦级；风电轮箱；设计；现状； FD5500Z风电齿轮箱

众所周知，地球资源特别是不可再生资源，并非取之不尽、用之不竭的。全球能源日渐枯竭的21 世纪，经济的发展越来越受制于能源的开发利用。风力发电是清洁可再生能源，蕴藏量大，具有巨大的实际开发利用价值。中国水电资源有370GW，风能资源有250GW。根据国家规划，到2020 年我国风电装机容量可达2亿千瓦，风电机组也逐渐向兆瓦级大型化方向发展。风电属于间歇性能源，风力发电机组运行是否稳定可靠，直接影响到电网的安全运行。目前，国内兆瓦级风电齿轮箱主要依靠进口或者进口技术，我国虽有大量兆瓦级以上的风机在运行，但在设计制造方面主要是最国外技术的模仿。而我国的风力发电机组的使用工况与国外不尽相同，国内的齿轮箱原材料的质量水平和加工水平与国外还有相当的差距，造成仿制进口的国产齿轮箱在结构、原材料的加工工艺上不适用中国的实际情况，所以只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。

一、风电齿轮箱设计技术及其现状

我国风电行业目前对齿轮箱的设计开发的深入研究尚处于起步阶段，相关的运行调试经验和基础数据还比较匮乏，这些因素都制约了我国风电事业的快速发展，但随着时间的推移，这些问题将会得到很大程度的改善。与其他工业齿轮箱相比， 由于风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭小机舱内，其自身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维护费用等都有重要影响。因此，减小外形尺寸和减轻重量显得尤为重要。同时，由于维修不便、维修成本高，通常要求齿轮箱的设计寿命为20 年，对可靠性的要求也极其苛刻。由于尺寸和重量与可靠性往往是一对不可调和的矛盾，因此风电齿轮箱的设计制造往往陷入两难的境地。总体设计阶段应在满足可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小体积、最小重量为目标进行传动系统设计方案的比较和优化；结构设计应以满足传递功率和空间限制为前提，尽量考虑结构简单、运行可靠、维修方便等因素。

箱体、行星架、输入轴等结构件的加工精度对齿轮传动的啮合质量和轴承寿命等都有十分重要的影响，装配质量的好坏也决定了风电齿轮箱寿命的长短和可靠性的高低。我国在结构件的加工和装配精度等方面从重要性认识到装备水平都与国外先进水平有一定的差距。高品质、高可靠性风电齿轮箱的获得，除了先进的设计技术和必要的制造装备外，离不开制造过程每一个环节的严格质量控制。

国外兆瓦级风电齿轮箱是随着风电机组的开发而发展起来的，RENK，FLENDER 等风电齿轮箱制造公司采用先进的设计技术与试验测试相结合的方法，大大提高了产品的经济性和可靠性。我国的风电齿轮箱行业自2007 开始进入快速发展的轨道，以南京高速齿轮箱有限公司为代表的齿轮箱厂或是增强自身的研发能力，或是扩大自身的产能，在风电齿轮箱领域已初具规模和竞争力。尽管如此，我国风电齿轮箱仍是风电设备国产化中的薄弱环节。虽然多数厂家通过各种渠道与国外先进的设计公司进行合作，但在设计的水平、经验的积累和人才的储备方面仍需不断的努力。

二、南高齿研制的FD5500Z风电齿轮箱设计分析

风电齿轮箱行业未来将向着逐渐消化从国外引进的先进技术，不断建立国内风电行业的自身研发能力的方向发展。但随之而来的是，如何在前人的基础上少走弯路，如何在众多的齿轮箱技术路线中选取适合未来发展方向的布局将成为首要问题，该问题将直接决定着企业产品的生命力和竞争力。

FD5500Z风电齿轮箱将配套海上风电机组。和普通型风机相比，海装风机由于所处环境条件更恶劣，维护成本更高，对齿轮箱要求也更高。南高齿研制的FD5500Z风电齿轮箱，在设计时考虑风机的实际工况，根据载荷谱，采用ISO 6336、DIN 3990标准精确计算齿轮强度，确保安全可靠；行星架、箱体等主要零部件采用有限元分析，在确保箱体的强度和刚度下优化结构；齿轮采用修形技术，降低载荷不均性，减小振动和噪音；传动结构根据机舱空间布置及用户要求，合理选用行星级和平行级，在满足传动要求情况下，尽量减小齿轮箱的轴向距离，减轻齿轮箱整体重量。

该齿轮箱配有盘车系统，便于大功率风机在安装及拆卸时盘动叶片。系统中增加备用泵，提高了系统安全系数，避免因为系统泵的损坏导致长时间停机造成的损失。南高齿5MW风电齿轮箱的成功研制，表明公司在发展大兆瓦级风电齿轮箱的道路上又迈出了坚实的一步。作为全球最大的风电传动设备制造商，南高齿始终致力于为全球客户提供性能突出、质量可靠的风电传动产品，同时坚定不移的走风电产品大型化、新型化的发展策略。公司3MW风电齿轮箱于2010年初实现满负荷发电，并于2011年初开始批量化供应市场，同年底成功研制3.6MW离岸型风力发电机增速齿轮箱。

三、结束语

综上所述，随着全球可再生能源市场的迅速发展和人类对环境保护意识的增强，人们开始把目光集中到新能源的开发上来。风力发电逐渐成为能源工业新的增长点。风力发电齿轮箱作为风力发电机组中传递动力的重要部件之一，其传动系统的结构与性能，直接影响到整个风力发电机组的正常运转。齿轮箱的传动系统的结构决定了齿轮箱的整体体积。由于风力发电齿轮箱传动系统在运行的过程中动力源是无时无刻在变化的自然风，这必然使传动系统产生振动。为了减小风电齿轮箱的体积和减小传动系统的振动、降低噪音，需要对风力发电齿轮箱的传动系统的结构和模态进行分析，以优化结构设计。此外，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。相信若干年内，我国的风电齿轮箱的设计制造水平会有较大提高，在兆瓦以上风电设备国产化方面会有所作为。

参考文献

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[3] 刘忠明，段守敏，王长路. 风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望[J]. 机械传动. 2006（06）