风电机组传动系统——北京国际风能大会展中报道

Toni Weiss：我想简要的谈一下齿轮行业当然我也会给大家一些这个行业的背景信息。在欧洲已经历史悠久，但是在中国比较崭新，由于对于风机的需求量和使用量巨大，最近几年中国发展得非常快，所以我会介绍一下客户的需求，客户的需求是追求高可靠性和大功率。然后我会简单的介绍一下技术，华建天恒引进的世界级的新技术，当然，我也会谈一下这个HTAS这个高级标准，而且给大家介绍一下产品的应用。

首先介绍一下行业背景，那么这里有很多的数据的支持，这里的数字表现了在风机的一些故障和来自齿轮的故障是10%左右。发电机的故障是28%左右，还有变频器的故障是在17%左右。那么如果一个齿轮箱有坏了的话，可能是处于各种各样的原因。因此我们要保证一个非常高的可靠性，我们要保证足够的投资，确保这些齿轮箱的可靠性足够强。那么这样的话就可以避免在严酷的工作环境下出现了一些问题。在这个风机的早期时候多数都是多变，大载荷和严酷的工作环境。在出现了这一兆瓦的齿轮箱的时候，就是1998年、1999年的时候出现了很多的故障。

这些图是大家可以看到的齿轮箱出现的故障的情况，所以齿轮箱必须有更好的可靠性。还有在这个海洋以及军事行业方面也是非常重要的。最典型的失效是出现了磨损或者是遮断。最大的问题是轴承故障。特别是在输出的时候。很多的时候还有供油的问题，比如说像润滑油的问题，还有像泄露的问题。也造成了齿轮箱和风机的故障。那么要设计这个高可靠性的齿轮箱的话，这是客户的一个需求。客户需要具有可持续性的支持，需要有一些专业的研发来积累足够的经验。最后我们需要很高的效率，同时要保证持续发展的大功率的传动箱。现在Aerogear是一个国际领先的技术。这个技术和标准的齿轮箱不一样。在这里除了有标准的行星式的齿轮箱之外我们还采用了另外一种齿轮箱，就是红色的这个部分，红色这个部分和蓝色的部分相结合，最前面还连接了一个黄色的部分，这是输出的阶段。这个输出的阶段可以是标准的齿轮箱，那么这里的主要区别是行星式的齿轮是固定在轴上的，有一个固定的轴。齿轮作为定力，是纵轴的，可以进行好的监控。也可以用于五兆瓦的海上风机，这是在德国的一个例子。这是到目前为止第一款运行的，目前为止已经运行了八年了，实际上是很长一段时间了。而且已经证明了是非常成功的，不仅经过了验证，过一段时间之后打开以后里面还都是很好的。

那么，我们还有一个独特的技术引进的模式。提供一个许可的方式，通过HNT公司，通过华建天恒来引进这个技术满足特殊的需求。特殊的风机，而且这是一个全套的设计，包括生产、组装，检查和测试。检测和测试，而且他也涉及不同的技术支持，比如说标准和规范，供应链和设备采购，厂房设计和工艺布局等等。它现在在前期导入MM82，MM92，DF2000和GH3W的传动箱。

大家听到我们在谈这个HTAS这个标准，产品的设计，也就是说我们有比较高的安全的要求，确保投入到市场的齿轮箱是高质量的，我们在设计的过程中是非常严格的，如果设计的时候出现了故障，降低5%的应力。那么最后会造成严重的产品寿命的损伤，可能是造成10%的产品寿命的损失。那么这也是有必要，我们要提供这种可靠的，而且坚固的齿轮箱。

另外要减少零部件的数量，这也是齿轮箱系统当中一个非常重要的一点。我们要能够生产这种低应力的高安全系数的齿轮箱。另外大家在风电行业也非常感兴趣的一点是低噪音和高效率。高效率本身也是有很多因素共同成就的。那么我们要保证这个结构性的噪音不会传递出去。另外，还有一个理念是可以完全的拆分，如果需要的时候，几百个齿轮我们要能够拆卸这些齿轮，有的时候可能不是完全必要的，但是如果维护需要的话，拆卸也应该是可能的。还有我们要有应用世界独有的渗碳淬火工艺打造高强的齿圈，还有要满足今天的要求和标准的话，我们应该有一个独特的测试系统，为了提供所有的这些高可靠性的设计特性，一个公司必须要达到这个德国的质量的标准。那么要在设计的时候，你要获得所有的这些技术的数据，你要加载一些，你要有高安全的系数和低应力设计的理念。那么，这是一个典型的流程。怎么样来计算这种损失当量的载荷。那么你也应该确保他的安全性。在这里大家看到的是系统，如果把左边和右边的标准普通的齿轮来比较的话，你可以看到齿轮和轴承的数量少，所以故障的风险性更低，齿轮的数量是不一样的，因为Aerogear的轴承应力更低，桑一它的可靠性就极大的提升了及特别是在一些非常严格的作业条件下比如说这种行星的齿轮有的时候就不转了。所以明显Aerogear表现得更好，而且更安全。

那么，由于应力低，行星的齿轮没有交并载荷，你可以看到车轮的方法是一样的，但是旋转的情况，行星的齿轮宣传只是朝着一个方向旋转。而Aerogear可以多个方向，这是Aerogear的一个明显的优势。如果我们比较一下效率的话，Aerogear的效率在传输这个电力的时候，明显节耗，正像我刚才提到的，可以在理论上减少这个功率的损耗，像图表的左边所显示的。你也可以采用这种行星式的齿轮，改变它的轴承系统，在右边你可以看到，可以测试这个理念。

还有另外一个设计特性是世界上独有的渗碳淬火的工艺，高强齿圈。你可以看到这个齿轮的改变，在这里你还可以看到右边这个质量非常好，而左边将近两万小时的运行。在运行了三年之后，这个齿轮还是表现出非常强劲性能，另外一个测试的设计特征是我们独有的测试题实验。这里有各种各样的泵，你可以去测量这些油压和其他的一些比如说输入的速度去测试这些齿轮。但是我们在测试这个齿轮是一回事，所以有必要的。但是在现实生活中的齿轮的体验还是更重要的。

我觉得这意味着你们需要有对不同的，在检测的时候需要有一定的标准，要采用一定的标准。我们华建天恒也提供了标准，你可以百分之百的记录、生产和组装的过程。做一些故障的分析。你还需要很多的这些运行的机械，磨切的机械，你可以看到我们最新更新的这些齿轮提供给中国的齿轮。还有你需要一个质量的指导控制原则，这应该设定一个行业的最低标准，每个厂家都应该遵守的标准。你还需要充分的监督，你外包的这些零部件的质量，这是非常重要的。那么，你应该让你的供应商了解到他们应该生产和你们的产品质量一样的产品。而且你当然也要自己做一些样本。你还要控制所有的泄露确保不犯错，而且非常仔细的来建立关键点的控制。要确保高标准。我们还用汽车生产控制流程和军工流程，并且整合所有的标准和流程来实现一个高可靠性的大功率增速箱。我们还做了一些测量。有一个系统提供这个轮毂，还有加热，所以这是世界上独有的渗透淬火工艺的高强齿圈，能够得到国际先进的标准，这套系统上的变动量都小于0.5。最后我们测试的系统关键指标都高于同行的，达到了国际领先的标准，这是我们华建天恒获得GL的授证认证仪式，这是我们很短时间内获得了这个认证，很多年轻人和我们一起在来发展这个技术。

另外还有一张图片也是关于齿轮箱的检测，温度是35度，不开启冷却风扇，百分之百载荷连续运转六个小时之后，高速轴的轴承最高温度温度是76度，是比较低的，所以表现是很好的。

宣安光：下面我们请SET五可持续能源技术公司的Markus Waldner。请他介绍一下齿轮传动的原理，但是和刚才不一样，刚才是用变速器加到系统里面来调整一下速度，包括速度成立。这是用电机，电器的方法有可取之处。

Markus Waldner：如果谈到系统的话，很重要的一点是能够在整个系统当中发现问题，而且能够找到这个优化的解决方案。我们对于所有的系统的零件之间都是相互联系的。这一点非常的重要，所以在优化的过程中，我们就需要理解他们之间的关系，所以这样的话我的发言一开始并不是来谈我们的传动链的机械的挑战，而是首先谈电器系统，或者是说电网。

电网有两个需求，第一个是你电网所期待的一个是电压要恒定。第二个是频率要恒定。这就是所谓的叫做静态运行条件，为了能够得到恒定的电压，那么你就必须要向电网提供反映式的电，要保持这个频率稳定，就需要提供这个正电。另外就是我们有动态的运营条件。如果出现FRT的时候，这一点就变得非常重要。因为你必须要快速的对FRT做出回应，可能在毫秒的时间里来防止保证电压和频率可以得到稳定。

我们思考一下，也看一下这两种常见的系统。我们看一下这两者的要求，首先是电压方面，刚才提到了你需要逆向电流。这个电流是来自于你的电网转换器的，那么为了增强电流量，你必须要装备特殊的设备。另外就是说需要对它进行控制，为了达到这个要求的话，你必须要加一些其他的零件。

另外，也增强了你的成本，增加了你的成本。那么，如果是说在电网当中如果出现了错误的话，你仍然要保持这个电网的联通。那么怎么办?解决方案就是说要用以下的方式。另外一个方面有转换系统，这里如果说在电网当中出现错误的话，还要保持他仍然连接。那么也就是说要解决这个问题的话就是说要把这个出现问题的转换器暂时停止工作。如果出现了说有高能量从PMG到PC总线的话要有阻抗体。另外一点非常重要的是要确保这个电压质量，也就是说意味着这个电压应该保持恒定，这个偏差应该很小，在第一种发电机当中的偏差可以达到11%，第二种是大概小于8%，所有的这些都说明如果要是实现这个电网的要求的话，那么，很重要的是要能够保持一个稳定的电网。要产生或者是说要保持这个电网的稳定是非常困难的。所以我们有一个新的发电理念。这个理念可以自动的完成达到所有的这些目标。所以我们所使用的是一个叫做与这个电网之间连接的同步发电机。以及这个电器的异步系统，插速系统。这是一个成熟的技术，这个技术已经有一百年的历史了，而且非常高效率的。而他的插速实际上是来自于风速。以及转子。所以我们也用变速齿轮箱这个齿轮箱可以有一个小发动机控制。这个小发动机可以作为转子来使用。这是我们的2兆瓦的传动系统。这里我们看到在左边是插速系统，这个系统是怎么工作的呢?我们在之前的发言中看到，不同的系统插速齿轮箱是什么样的。那么左边你就看到了这个图，它的目标是确保能够以恒定的速度来运转及可以用中间的三个齿轮来控制。你可以看当输入增加的时候，我们可以和这三个速度相啮合。你还可以看到如果输入的速度便满，那么这个三个速度也会发生变化。输入的速度和风相关的。而太阳板也是和驱动系统相联系的。

这实际上是一个非常典型的同步系统。我们怎么来来控制这个系统呢，实际上很简单。我们知道这个风机的特点。我们从风机会有一个扭矩。这个扭矩会产生一个能量，而这个能量会在这个发动机本身分布。我们还可以有一个扭曲的，用这个扭矩我们可以调整输入的功率。这就意味着你只要控制这就可以控制这个正向功率。很容易控制这个你信电流。然后对有激励系统，用这个系统可以控制这个逆向功率。这里是系统的反应，你可以看到这里所提供的逆向反向电流。这是内在的特点，它是为了设计他的发动机，这对于电网来说非常重要。这是电流，目前的话电流的限制只是在转换器上降低成本。但是对逆向电流的话，一个全转换的系统的话会受到成本的限制，但是整个的电网需要更多的电流。另外一个方面这里是电压质量，再一个全转换的系统当中可以达到8%，而在这个同步系统当中是0.6%，这个扭曲指非常重要。

很高的这样一个扭曲值的话，会带来电网的很大的变化，也会产生很大的成本，另外，这是我们的具体的模拟，我们是做这个多元模拟，我们有输入的数据是来自于机械设计，电器设计和软件开发。然后我们对我们的系统进行了建模。我们就得到了这个频率的模态。然后做出了我们自己的试机床。我们可以分析一下我们的建模是不是符合我们的系统。然后我们在进行检测和测试。我们还可以预测负载的分布。我们另外还做了分析，根据GL的标准，我们也通过去，刚才我们已经谈过了它的效率了。这个效率比全转换的系统都要更高。大概高69%。有一些区域可以增加每年的产量的3%，希望我们衡量效率，但是能量的输出需要计算。所以明年我们会在我的家乡附近建起这样的系统，可能在中国也会建立起这样一个系统，在2014年。

宣安光：我们再次感谢Markus Waldner先生。用电来进行调试的方法，应该说从原理上是可行的，但是清华大学和东南大学几个教授对关于用电来进行调试他们说早在二三十年前就提出过，所以对这个项目始终抱有一些看法，效果还可以的，特别是这次介绍是在原有的基础上做了进一步的改进。所以可以直接在电机上附加一个插入齿轮装置可以实现这个调试，获得比较好的效果。

下面要向大家介绍的是天津威能极锋利驱动有限公司的卢永要，应用技术部经理，给我们介绍风电齿轮箱如何应对成本的挑战。我们知道威能极公司也开发电机和电器，技术很全面，而且在风电方面，机械传动方面是国际领先的。

卢永要：首先给大家介绍一下威能极，这实际上是风电齿轮箱的领袖者。我们的使命是保持威能极在全球风机驱动链供应商市场领导地位，与客户之间建立长期合作伙伴关系有助于这一目标的实现。我们的市场定位是刚刚提到了我们希望做到全球风机驱动力的领导者，我们一直保持住这个领导的地位。2012年底我们在全球范围内交货超过七万台齿轮箱，全球每三台风机齿轮箱中就装有威能极的零部件。我们的客户群像GE，维斯塔斯等等。我们国内主要客户有东方电器，联合动力等等。我们的全球足迹基本上覆盖了全球四大主要的风电市场。我们的总部在德国北部，那是我们的生产研发基地。我们在美国有芝加哥的工厂、印度也有齿轮箱工厂，在天津有威能极风电有限公司。大家可以看到威能极的发展历史。大家从下往上看，威能极在1981年开始专门研发风机用齿轮箱，十年以后，1991年现在大家谈火热的海上风电，那么海上风电的元年是1991年，风场在丹麦里面装了十一台威能极的450千瓦齿轮箱。2001年随着风电市场的蓬勃发展，威能极从他的母公司中独立开来形成了有限公司，同年成立了威能极美国公司，2003年的时候我们成功研发了五兆瓦齿轮箱，大家知道我们现在谈的大功率还是停留在五兆瓦还是六兆瓦，当然十兆瓦和十二兆瓦大家目前在谈，但是目前是概念设计阶段。威能极在十年之前已经成功研发出五兆瓦的风电齿轮箱。2005年我们在印度的市场起来了，我们成立了印度的公司。中国的风电市场是2005年开始，天津有限公司成立，2007年当时全球最大的测试台在德国投入使用。2009年美国进一步蓬勃发展。我们在美国进行扩建，到了2010年，我们又新研发出了一个新的齿轮箱，2011年我们成功研发出新的混合驱动系统，2012年底我们全球交货超过七万台风电齿轮箱，2013年全球最大的海上风电场，在英国伦敦投入了715台齿轮箱的使用。

我们分成四小部分，此论箱的精益生产，这个概念是由美国麻省理工学院的学者在1985年提出的，他的背景是实际上当时这些学者研究了一些当时日本的丰田汽车公司的生产方式，发现日本丰田的生产效率很高。因为上世纪50年代，日本汽车工业是普遍受到小评价，多品种市场的困惑，精益生产在这种情况下产生，丰田公司的董事长对实践和理论做出主要的贡献，当经济箫条时全球其他的汽车工业公司竞争不过他们，于是精益生产引起了全世界的广泛的关注。目的是提高生产率。彻底杜绝浪费。准时化的生产是精益生产的核心，在需要的时间将需要的产品和零部件按照需要的部件送到需要的地点，准时化要求在需要的时候送到必要的时候，杜绝生产过程的浪费。当然精益生产也涉及到许多的工具，包括杜绝生产中的七种当代，等待的浪费，搬运的浪费，库存的浪费，制造过多的浪费。PPT上面是齿轮箱装配的生产线，从左往右看，左边是开始是我们零部件的仓库，我们开始从仓库中释放出零部件，进行零部件清洗，清洗完成以后开始进行各部件的分装，箱体以及平行齿轮的组装。最后把这些分装的东西进行一个组装，组装完以后这些齿轮箱要上测试台，对齿轮箱的性能进行全面的检测，然后进行喷漆和后装。直接经营生产是生产效率的提高，当然也可以降低齿轮箱的生产成本。我们威能极在这里进行了扩展，我们在齿轮箱的设计中引入了精益的概念。大家知道风电齿轮箱，要根据风机的具体要求进行量体裁衣式的设计，风电的齿轮箱往往需要很长的时间，尤其是像我们的这些外资企业，当然大家更知道时间就是金钱。所以对于咱们风电行业来说，实际上任何时间都是瞬息万变，你提高半年或者是两到三个月设计出来的齿轮箱，市场价格定位有很大的不同，因此为了迎接这种挑战，威能极创造性引入了精益设计这个理念。大家可以看到为了达到缩短设定周期这个目的，我们各个部门如销售、项目、设计、采购、装配大家互相沟通，所有的信息有条不紊的进行传递，杜绝了一切时间上的浪费。我们从销售开始，最后到装配测试。我们就可以把我们的客户要求成功的转化成产品的设计要求，然后使产品的性能要求，最后是产品的装配要求。我们进行项目经理负责制，所有的文件可以进行清晰完整的传递。项目经理负责所有的项目组成员，包括刚才提到了销售，采购，设计，装备测试，质量甚至是售后服务，定期进行开会和沟通。大家互相了解项目的进展情况，共同解决项目运行过程中的步骤和问题，这样的话我们新产品的研发周期就从原来的18-24个月缩短到目前的10-12个月。从而大大降低了我们齿轮箱的研发时间成本。