200NM/kg-大扭矩密度齿轮箱技术突破：大功率双馈/半直驱风机的未来

今天的主题有点专业，估计只有从事风机研发的专业人士可能熟悉，当然，我也是从外部谈点皮毛，但这对未来陆上5-7MW风机的技术发展和成本降低具有一定的参考（今天的技术问题如果有不对的地方，欢迎大家留言交流）。

（来源：微信公众号“球哥看风” ID：colorballwind2020）

如果说中国的大功率风机近两年的技术进步很快，我相信行业专家肯定很认可，但是，如果说我们的技术与国际同行技术差距了10多年，大家肯定不相信。

13年前：6MW以上容量风机已经问世

作者对行业的风机进行了系统的网络挖掘，终于找到了一篇关于大功率风机（双馈和半直驱机型）的风机的历史，在2008年，歌美飒，三菱，ENERCON等风机主机厂都已经开发出了5-7MW的陆上大容量风机，其中三菱的海上风机已经大批量使用（半直驱），而此时的中国风机，还在1.5MW时代，直到2年后华锐风电的3MW风机才在上海外海矗立。

青铜还是王者：行业巨头从来都是实力说话

上述的几家老牌世界巨头风机，除了ENERCON执着于直驱外，其他都基本上是双馈风机，或者半直驱。谈到双馈风机，大家都会想到齿轮箱（增速机），而半直驱实际上另外一个名称叫做中速双馈，也就是齿轮箱的传动比在30-50之间，而传统双馈风机的专业名称实际上可以被称作高速双馈，传动比在120-150之间，只不过半直驱一般会采用永磁直驱的电机作为发电机。

双馈风机区别于直驱风机的一个重要特点：有无齿轮箱。

而世界风电齿轮箱的始祖当属FLANDER/WINERGY，早期为FLANDER，后来成立WINERGY后就慢慢称之为威能极（中文英译名），我们可以从WINERGY的历史就会发现，但中国的风电还在萌芽状态，WINERGY已经开始了5/6MW的的齿轮箱的高阶阶段。

• 1981 开始开发用于风力发电机的齿轮箱

• 1984 开始为美国风力发电项目批量提供约5000台齿轮箱

• 1991 —提供第一台兆瓦级齿轮箱

• 2001 成立Winergy传动系统公司，美国，并且在Elgin投入生产

• 2003 -6MW试验台试运行—为REpower 5M发电机提供5MW齿轮箱

• 2004 -7.5MW试验台试运行

• 2006 -在中国成立Winergy传动系统有限公司并且在天津投入生产，在天津装配厂第二台3.5MW试验台的试运行

• 2007 -在Voerde主制造厂MW级装配线包括一个最大功率为14MW的兆瓦级齿轮箱试验台的试运行

• 从其历史介绍，在2007年，WINERGY就开始了10MW以上风机的 研发（14MW试验台），整整提前中国14年，如果说他是齿轮箱的王者，我想一点都不为过。

齿轮箱的卡脖子技术：功率/重量比存在瓶颈

从2MW到4MW，到6MW，风机功率上升的倍数是2倍和3倍，理论上来说，同样的功率，齿轮箱的规格，重量会大幅上升，而且关键核心部件-轴承，齿轮，齿圈的加工难度会增加，这对双馈风机（包括中速双馈的半直驱）而言，都是一个门槛。齿轮箱的功率越大，其输出扭矩就越大，说的直白一点，就是风能传递到发电机的扭矩也越来越大，如何在增大扭矩的前提下，不增加太大齿轮箱的尺寸规格和重量，就成为了大功率风机，尤其是双馈和半直驱风机的一个难点。因为发电机相对而言要简单得多。

这里要提到一个专业单位名词：NM/kg，就是每千克质量可承载的扭矩。通俗一点就是说，一个十吨的齿轮箱原来可以承受假设10万NM的扭矩，现在NM/kg的数量提升，可以承受13万NM的扭矩，意味着同样质量的齿轮箱，可以输出比原来高出20%以上的功率。类似比喻，一个汽车发动机，同样质量，同样重量，输出的扭矩有的是200NM，有的是300NM，而扭矩的数字就决定了发动机的功率输出，熟悉汽车的人士我想都能理解。

WINERGY /ZF:或已走在高扭矩密度齿轮箱技术的前列

作者简单访问了WINERGY和ZF齿轮箱的网站，都不约而同的答复网页宣传一个技术：

扭矩密度突破达到 200 Nm/kg

WINERGY就在最近还专门组织了一次半直驱技术的论坛，旨在推广其半直驱的混合技术，中速双馈齿轮箱和永磁直驱的发电机组合发电机系统。

我们的 High Densityx 创新式齿轮箱设计将功率密度、可靠性和高效率结合到了一个新的水平。该设计将转矩密度提高了 25% 以上，达到 200 Nm/kg，同时依靠我们成熟的齿轮箱结构设计，为市场树立了新的标准。

上述截图显示，通过扭矩质量比，既可以判断出其齿轮箱的质量，更重要的是WINERGY提出中速齿轮箱配套其永磁直驱发电机的半直驱发电机系统，同时提供了分片式的直驱发电机系统，大幅降低制造和运输成本，不得不说王者就是王者。

同时也提到 了一个中国风电业界流行的字眼：模块化和平台化。很显然，WINERGY这这一块显然走在中国企业的前面，这两个专业化操作确实是中国风电降本的最重要和核心的发展路径。

2015年12月，ZF获得德国政府批准，收购了位于德国威滕和中国北京的两家工厂以及美国苏黎世湖服务公司，为此1200名员工正式加入采埃孚(ZF)集团。采埃孚(ZF)风能技术业务部总部设于比利时隆梅尔，威滕工厂也是风能技术的生产基地。而北京工厂则专门负责风力涡轮机变速箱的生产。采埃孚集团(ZF)是全球领先的传动与底盘技术以及主动和被动安全技术供应商，在汽车变速箱领域无人敢说第一，总部位于德国Friedrichshafen。2017年位于世界500强第263位。采埃孚在全球风电齿轮圈内不得不服，陆上3.xMW风电齿轮箱累计装机份额超过该系列产品全球市场的50%，海上6.xMW风电齿轮箱份额超过60%。

应该说ZF在传动这个圈子里，技术研发很有思想和眼界，开发出了全球首款平台化风电齿轮箱设计平台SHIFT。此平台的成功开发，彰显了其深厚的技术积淀，并且再一次印证了采埃孚风电在开发下一代风机齿轮箱领域的全球领先地位。

• 1979年进入风电行业以来，在全球范围内已经累计安装了超过65,000台风电齿轮箱，累计装机容量达120GW，覆盖了全球约25%的齿轮驱动风电机组总装机量。

• 交付了全球第一台海上9.5MW风电齿轮箱，以及拥有全球海上8MW风电齿轮箱的最大装机量。

• 风电领域第一个建立起了齿轮箱模块化设计与生产平台，其模块化设计与制造和智能化概念等技术创新引领着风电齿轮箱技术的发展。

同样在其网站主页，大张旗鼓宣传：扭矩密度突破200NM/kg，与WINERGY同台竞技。

在平台化方面，ZF更是高调宣传！

共有4个平台3K、4K、6K和7K，通过数据显示就是我们说的3MW，4MW，6MW和7MW平台，下列截图显示，这对大功率风机的发展将会带来多大的积极推动效应，一方面国内齿轮箱企业奋起直追，一方面可以大幅降低他们的竞争价格。

4个平台参数

高扭矩密度齿轮箱:双馈/半直驱风机大型化的重要技术支撑

按当前齿轮箱的功率扭矩密度150NM/kg计算，功率增加20-30%以上（同时扭矩密度达到200NM/kg），齿轮箱可几乎实现重量不变，这对风机的容量大型化的风机技术产生巨大的影响，过去5MW的风机现在可以实现产品规格（尺寸）不做太大变化，重量不增加太多（同比容量增加比例的一半甚至更低）的情况下，直接上升到6.5MW左右，这对减少风电场的减少用地，风机的成本降低具有非常积极的意义。

当然，齿轮箱的扭矩密度提升，只是解决了大型化风机的一个技术难题，对应风机功率增加还有很多实际问题，但都不是致命的要素，就目前的技术而言，都是可以忽略不计。今天我这里不是要对ZF和WINERGY进行宣传，我也了解了 一下了国内齿轮箱的相关企业，也在做相关工作，但距离他们还有一定的距离，也许也已经做到了，但不为外界了解（有些企业很低调）。

3060给风电的压力很大，一个就是降本，今天作者谈到的齿轮箱技术目的就是给降本提供了 一条很重要的思路，思路决定出路，相信行业大咖企业们也非常熟悉和了解这些。