浅谈风电齿轮箱

1 前言

纵观社会的发展，科学技术作为第一推动力，当科学技术发展到足够的阶段时，将带来人类社会突飞猛进的发展。这一事实，在二十世纪表现的越来越明显，这一推动力的作用越来越突出。

从能源、电力产业看，二十世纪九十年代，世界能源、电力市场发展最迅速的已不再是石油、煤、天然气，太阳能发电、风力发电等可再生能源异军突起。

全世界风力发电容量在1990年的200万千瓦，2009年一年内全球新增风力发电装机容量就已达到3750万千瓦，而截止到2011年3月7日，我国的风电装机总量有4182.7万千瓦，首次超越美国成为世界上第一风电大国。因此，就新能源、电力方面而言，二十一世纪将是可再生能源的世纪，能源、电力的开发利用将面临历史的变革。为实现可持续发展，适应世界发展趋势，能源产业尤其是电力产业的发展必然选择风能等可再生能源和新能源。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2万亿千瓦，其中可利用的风能为200亿千瓦。中国可开发利用的风能资源有10亿千瓦，其中陆地2.5亿千瓦，现在仅开发了不到0.2%;近海地区有7.5亿千瓦，风能资源十分丰富。陆上风能资源丰富的地区主要分布在“三北”(东北、西北、华北)地区以及东南沿海地区。三北地区可开发利用的风力资源有2亿千瓦，占全国陆地可开发利用风能的79%。由此可见中国风力资源是十分丰富的，远远超过可开发的水电和火电资源量。

近年来随着风电机组单机容量的不断增大，以及风电机组的投行时间的逐渐累积，由齿轮箱故障或损坏引起的机组停运事件时有发生，由此带来的直接和间接损失也越来越大，因此对分离发电机组的维护保养十分重要。维护人员投入相关工作的工作量也有上升趋势，这就促使越来越多的风电场开始加强齿轮箱的日常监测和定期保养工作。

风力发电场在国内作为一种新兴的发电企业形式因其具有自身的发展和生产性质特点，要求员工必须有较高的专业知识、技术业务水平和必要的技能技巧，因此做好风力发电机组的运行与维护，此论文的书写对本人现在以及今后工作具有重要意义。

2 风电及齿轮箱的发展趋势2.1 风力发电发展的主要趋势

机组单机容量增大风电机组单机容量的增大有利于提高风能利用率，降低风场的占地面积，降低风电场运行维护成本，从而提高风电的市场竞争力。目前，国际上主流的风电机组已达到(2-3)MW，由德国公司研制的最大的5MW风电机组已投入运行，其旋翼区直径达到126米。可以预见，(3-5)MW的风电机组在市场中的比例将日益提高。2008年2月在布鲁塞尔举行的风能会议和风能展上，有与会者甚至提出了2020年前开发出20MW风电机组的概念。

海上风电迅速兴起海上风能资源丰富，且受环境影响小，海上风电场将成为一个迅速发展的市场。目前丹麦、德国、英国、瑞典和荷兰等国家海上风电发展较快。欧洲风能协会预测，2020年，欧洲海上风电总装机容量将达到70000MW。虽然海上风电前景广阔，但目前还有技术等方面的因素制约着它的发展。

一方面，海上风电机组均为陆上风电机组改造而成，而复杂的海上自然条件使得风电机组的故障率居高不下，如世界最大的海上风电场丹麦霍恩礁风电场，80台海上风电机组故障率超过70%。另一方面，电网将难以承受大规模海上风电场所提供的巨大电能。因此，海上风电的大发展仍需要解决机组及上网配套设施等方面的问题。

变速恒频技术快速推广目前市场上恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构的异步发电机，双速运行。在高风速段，发电机运行在较高转速上;在低风速段，发电机运行在较低转速上。其优点是控制简单，可靠性高;缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此机组经常处于风能利用系数较低的状态，风能无法得到充分利用。

随着风电技术的进步，风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并结合变桨距技术的应用开发出了变桨变速风电机组。与恒速运行的风电机组相比，变速运行的风电机组具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。因此，变速运行的风电机组也是未来发展的趋势之一。德国公司是目前全球生产变速风电机组最多的公司。

全功率变流技术兴起近年来，欧洲的公司都开发和应用了全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围达到了

0～150%的额定转速，提高了风能的利用范围，改善了风场上网电能的质量。德国公司还将原来对每个风电机组功率因数的分散控制加以集中，由并网变电站来统一调控，实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿。全功率变流技术将在今后大型风电场建设时得到推广应用。

直驱和半直驱风电机组直驱式风电机组采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去故障率较高的齿轮箱，在低风速时效率高，且具有低噪声、高寿命、运行维护成本低等优点。近年来直驱式风电机组的装机份额增长较块，但由于技术和成本等方面的原因，在未来较长时间内带增速齿轮箱的风电机组仍将在市场中占主导地位。半直驱是介于齿轮箱驱动和直接驱动之间的一种驱动方式，它采用一级齿轮箱增速，结构紧凑，具有相对较高的转速和较小的转矩。与传统的齿轮箱驱动相比，半直驱增加了系统的可靠性;而与大直径的直驱相比，半直驱通过更高效和紧凑的机舱排列减小了系统的体积和重量。

2.2 风电齿轮箱的发展趋势

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。

风机增速齿轮箱是风力发电整机的配套产品，是风力发电机组中一个重要的机械传动部件，它的重要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速进行发电，它的研究和开发是风电技术的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向发展。

风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩、海岛等野外风口处，经常承受无规律的变相变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，并且常年经受酷暑严寒和极端温差的作用，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械产品高得多的要求。

风电行业中发展最快，最有影响的国家主要有美国、德国等欧美发达国家，在风电行业中处于统治地位。欧美发达国家早已开发出单机容量达兆瓦级的风力发电机，并且技术相对成熟，具有比较完善的设计理论和丰富的设计经验，而且商业化程度比较高，因此在国际风力发电领域中处于明显的优势和主导地位。

尽管国际上齿轮箱设计技术已经比较成熟，但统计数据表明，齿轮箱出现故障仍然是故障的最主要原因，约占风机故障总数的20%左右，由于我国商业化大型风力发电产业起步较晚，技术上较欧美等风能技术发达国家存在报大差距。我国在九五期间开始走引进生产技术的路子，通过引进和吸收国外成熟的技术，成功研发出了兆瓦级以下风力发电机。

2.3 齿轮箱相对于风电的意义

风力发电是清洁可再生能源，蕴存量巨大，具有实际开发利用价值。大量风能开发不可能靠某个部门或行业的财政补贴就能解决，商业化不仅是市场的要求，也是风力发电发展的自身需要。所以，风力发电商业化是必由之路，可行之路。风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。

通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。

开发新能源是国家能源建设实施可持续发展战略的需要，是促进能源结构调整、减少环境污染、推进技术进步的重要手段。风力发电是新能源技术中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

由于我国风电产业起步较晚，缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高，总体来说主要以引进国外先进技术为主。目前国内引进的技术，有的是国外淘汰的技术，有的图纸虽然先进，但受限于国内配套厂家的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能仍有一定差距。

所以，在引进国外风机技术的同时，开发自主知识产权的兆瓦级增速齿轮箱，是加速我国风电产业的一项重要任务。

增速齿轮的设计和制造技术是整个风力发电机组的关键技术，关系到整个风力发电机组的命运。因此，要加强齿轮的研究，对齿轮进行结构设计，提高齿轮的啮合质量，降低噪声，保证齿轮机械效率，提高齿轮的运行可靠性。

增速齿轮箱以渐开线齿轮为主，人们对标准的渐开线齿轮有了一套比较成熟的设计、强度计算和加工方法。兆瓦级增速齿轮对渐开线齿轮传动提出了新的要求，在尺寸、重量最小的情况下，可靠地传递高速、重载的运动，这就对齿轮分析的计算精度提出了很高要求，高精度齿轮分析是轮齿承载能力、振动、噪声及修形等研究的基础。因此，建立准确的分析模型，准确求解受载轮齿的载荷分布对修形规律的研究具有重要意义。

3 齿轮箱的运行与维护3.1 齿轮箱

风轮的转速较低，在多数风力发电机组中，达不到发电机发电要求，必须通过齿轮箱齿轮副的作用来实现增速，故也将也将齿轮箱称之为增速箱。

3.1.1 齿轮箱的构成

常用齿轮副：直齿和斜齿圆柱齿轮和行星齿轮。实际应用的风力发电机主齿中，最常见的是由行星齿轮系和平行轴轮系混合构成的。

3.1.2 安装要求

齿轮箱的主动轴与叶片轮毂的联接必须可靠紧固。输出轴若直接与电机联接时，应采用合适的联轴器，最好的弹性联轴器，并串接起来保护作用的安全装置。齿轮箱轴线上和与之相连接的部件的轴线应保证同心，其误差不得大于所选用联轴器的齿轮箱的允许值，齿轮箱体上也不允许承受附加的扭转力。齿轮箱安装后用人工搬动应灵活，无卡滞现象。打开观察窗盖检查箱体内部机件应无锈蚀现象。用涂色法检验，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。

3.1.3 运输和存储

存储一般我们是在干燥通风的环境当中，地面保持水平，齿轮箱要安放平稳，齿轮箱保持一个静止状态。另外又要做好防锈处理，还有不能露天存放，有一些风场因为存储条件不好，经常把齿轮箱放到露天的，这很容易出问题。还有天气状况，根据天气状况，我们要每6-12个月重新涂抹一下防锈剂，环境条件应该保持在空气湿度低于70%，温度一般在18到45度之间。存储中，齿轮箱上的孔需要加盖油脂。特别是在运输，运输当中我们这个也要重视，就是有一些物流公司我们在运输的时候特别之前要检查一下它的资质，是不是用过齿轮箱，还有包装，固定非常重要，因为齿轮箱的跌落也是我们经常遇到的一个情况，造成齿轮箱不必要的损失。

3.1.4 齿轮箱的维护

一般来说，润滑油在齿轮箱里面是一个最重要的，我们在维护和保养方面必须要引起足够重视的这么一个，就是对齿轮箱维护保养影响比较大的因素。新机运行250小时，需要做第一次的油样分析，半年以后再做一次，三年以后，根据油样分析的结果决定是否要更换润滑油。

更换油的时候，首先要更换同型号，同品牌，如果同型号，同品牌做不到，我们必须做互溶性的试验。滤芯需要12个月更换一次，日常维护一般来说1-3个月，比如检查齿轮箱的箱体外观，螺栓，包括管路等。更换油滤，必须要观察油滤上是不是有铁屑，如果堵塞，油滤必须要更换，说明这个润滑油里面是有问题了，就是要详细检查各个齿轮的部位。

另外，检查磁棒，齿轮箱里面我们一般在外部设一个磁棒伸到齿轮箱的内部，如果磁棒干净，我们肉眼观察齿轮箱里面没有问题，如果上面吸附了很多的金属粉末，或者铁屑，说明某一个部位磨损严重。磁堵，齿轮箱的各个部委都会设置一些磁堵，如果干净，或者没有问题。

空气滤芯，也是很重要的一个部件，我们首先检查它是否干净，如果它有堵塞，或者非常赃，需要马上更换。还有长时间的停机和齿轮箱长时间的存放，我们必须要每3个月手动盘车数圈，增加润滑，并防止静止压痕。还有机械泵长时间存放的时候也必须做好润滑。内窥镜检查是我们对齿轮箱内部进行检查的一个有效手段。一般我们通过内窥镜可以看到各个部位轴承的状况，包括齿面的状况，包括肉眼从观察口看不到的这些地方。

3.1.5 齿轮箱常见故障

主要的故障分为九类，第一类我们可以看到是齿轮的损伤，第二类是轴承损伤，第三类是钢体的开裂，第四个是锈蚀，第五是渗漏油，第六、螺栓断裂、第七、机械泵损坏，第八、异响和振动，第九、油温和油压的异常。