摘要 :近年來(lái), 隨著風(fēng)電技術(shù)的逐漸成熟和風(fēng)電成本的下降, 世界風(fēng)電裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)。概述了國(guó)內(nèi)外風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展概況和風(fēng)電發(fā)展的主要趨勢(shì), 介紹了風(fēng)電齒輪箱的技術(shù)現(xiàn)狀, 指出了風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造方面存在的主要問(wèn)題。
關(guān)鍵詞: 風(fēng)力發(fā) 齒輪箱 發(fā)展現(xiàn)狀
引言
隨著能源短缺和生態(tài)環(huán)境的日益惡化, 新能源發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。風(fēng)能是一種清潔的可再生能源, 隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟和風(fēng)電成本的逐漸降低, 風(fēng)電裝備產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展且前景廣闊。為了進(jìn)一步改善風(fēng)電機(jī)組的性能、提高單機(jī)容量, 世界各國(guó)都對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)工作, 一些國(guó)家的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。我國(guó)風(fēng)電技術(shù)研究起步較晚, 近年來(lái)取得了顯著的成效, 但總體設(shè)計(jì)制造水平與國(guó)際先進(jìn)水平還有很大差距。
1 風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)概況
1. 1 全球風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展
風(fēng)力發(fā)電長(zhǎng)期受制于成本和技術(shù)等問(wèn)題而發(fā)展緩慢, 但是技術(shù)的不斷進(jìn)步使風(fēng)電成本大幅度下降, 加上能源、環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻使各國(guó)紛紛出臺(tái)鼓勵(lì)政策和稅收優(yōu)惠, 因此出現(xiàn)了從上個(gè)世紀(jì)末延續(xù)至今的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大發(fā)展。圖1 為近10 年全球風(fēng)電裝機(jī)容量及增長(zhǎng)率圖。從圖中可以看出, 從1998 年以來(lái)近10 年的風(fēng)電裝機(jī)容量年增長(zhǎng)率都在20% 以上, 年平均增長(zhǎng)率達(dá)到了28. 6%。2008 年2 月在比利時(shí)首都布魯塞爾召開(kāi)全球風(fēng)能大會(huì)期間, 全球風(fēng)能理事會(huì)( GWEC)確認(rèn), 2007 年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量約20 000MW,年增長(zhǎng)27. 0% ; 截至2007 年底, 全球風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到94 123MW。歐洲仍然是全球風(fēng)電最主要的市場(chǎng), 2007 年新增風(fēng)電裝機(jī)容量8 662MW, 累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到57 135MW, 約占全球的61% 。但歐洲新增裝機(jī)容量所占的比率從2004 年的75% 下降到了2007 年的43% , 這主要是由于美洲和亞洲風(fēng)電業(yè)的高速發(fā)展。在美洲, 僅美國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量就達(dá)5 200MW, 累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了16 800MW。2007 年之所以有超過(guò)1/4 的全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量來(lái)自亞洲, 一方面是印度風(fēng)電裝機(jī)容量穩(wěn)定增長(zhǎng), 另一方面就是我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。印度2007 年新增裝機(jī)容量1 800MW,累積裝機(jī)容量達(dá)到8 000MW [ 2], 累積裝機(jī)容量仍高于我國(guó)。
我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從零起步, 但發(fā)展迅速, 特別是近3年的裝機(jī)容量增長(zhǎng)率世界第一。圖2 為近10 年來(lái)我國(guó)風(fēng)電累積裝機(jī)容量及增長(zhǎng)率圖。2007 年我國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量3 307MW, 增長(zhǎng)率達(dá)到了127% [ 3] 。截至2007 年底, 我國(guó)( 不計(jì)臺(tái)灣省) 風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)到5 906MW, 取代丹麥成為全球第5 名, 占2007 年底全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的6. 3% 。中國(guó)可再生能源行業(yè)理事會(huì)( CREIA) 預(yù)計(jì), 到2015 年, 我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到50 000MW。近年來(lái), 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電取得突破性進(jìn)展[ 4] , 風(fēng)電場(chǎng)已達(dá)到158 個(gè)。內(nèi)蒙古自治區(qū)的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1 563MW, 是全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量最多的省份。2007 年11 月8 日, 我國(guó)第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)在渤海油田順利投產(chǎn), 拉開(kāi)了我國(guó)有效利用海上風(fēng)能的序幕。
歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)( EWEA) 確定的目標(biāo)是到2030 年風(fēng)力發(fā)電要能滿足歐洲電力需求的23%。德國(guó)是風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家, 其電力的6% 來(lái)自風(fēng)電; 西班牙電力的8% 來(lái)自風(fēng)電; 丹麥的風(fēng)電裝機(jī)容量為3100MW, 可以滿足其電力需求的20%, 是世界上風(fēng)電份額最大的國(guó)家。預(yù)計(jì)到2020 年, 風(fēng)電占全球總電量的比例將達(dá)11. 9% 。
過(guò)去10 年間, 煤電年增長(zhǎng)2. 5%, 天然氣發(fā)電年增長(zhǎng)2. 5% , 核電年增長(zhǎng)1. 8% , 油發(fā)電年增長(zhǎng)1. 7%, 而風(fēng)電平均年增長(zhǎng)高達(dá)28. 6% 。世界風(fēng)電將在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)保持高速發(fā)展, 風(fēng)力發(fā)電仍然有非常廣闊的發(fā)展空間。
1. 2 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)概況
風(fēng)力發(fā)電的快速增長(zhǎng)帶動(dòng)了風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展, 2007 年度全球風(fēng)電設(shè)備市場(chǎng)總價(jià)值達(dá)到360 億美元。目前, 世界上先進(jìn)的風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)主要集中在少數(shù)幾個(gè)國(guó)家, 如丹麥、德國(guó)、西班牙和美國(guó)等, 著名的公司有Vestas( 丹麥) 、GE Wind( 美國(guó)) 、Gamesa( 西班牙) 、Enercon ( 德國(guó))、Suzlon( 印度) 等。圖3 為2007 年世界風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)份額圖。2007 年, 丹麥的Vestas 公司占全球市場(chǎng)份額的22. 8%, 前3 位公司占有了市場(chǎng)份額的一半多。值得一提的是, 我國(guó)的金風(fēng)科技股份有限公司也占據(jù)了2007 年世界風(fēng)電市場(chǎng)的4. 2% 。
風(fēng)電的快速增長(zhǎng)同樣刺激了我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展, 并迅速崛起了像金風(fēng)科技股份有限公司、華銳風(fēng)電科技有限公司、湖南湘電風(fēng)能有限公司、浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)力發(fā)電工程有限公司等風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)。這些企業(yè)通過(guò)對(duì)國(guó)外風(fēng)電技術(shù)的吸收再創(chuàng)新, 形成了較大的生產(chǎn)規(guī)模。目前, 國(guó)內(nèi)從事風(fēng)電設(shè)備制造的企業(yè)達(dá)50余家, 而且配件制造企業(yè)隊(duì)伍也在迅速擴(kuò)大。2007 年我國(guó)新增裝機(jī)容量中, 內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品占55. 9%, 其中金風(fēng)科技的份額最大, 占新增總裝機(jī)容量的25. 1%,占內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品的44. 9% ; 合資企業(yè)產(chǎn)品占新增裝機(jī)容量的1. 6%; 外資企業(yè)產(chǎn)品占42. 5%, 其中西班牙Gamesa 的份額最大, 占新增裝機(jī)容量的39. 9% [ 2] 。
國(guó)際上, 兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為主流機(jī)型。如美國(guó): 主流機(jī)型1. 5MW, 丹麥: 主流機(jī)型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006 年, 我國(guó)風(fēng)電機(jī)組1MW 以下的機(jī)組占總裝機(jī)容量的70%, 1MW~ 2MW 之間的風(fēng)電機(jī)型只占26%, 2MW 以上機(jī)型占4% 。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委規(guī)劃, 我國(guó)未來(lái)的風(fēng)電新增裝機(jī)將以1. 5MW、2MW 機(jī)型為主, 1MW 以下機(jī)型所占比重將逐漸降低。
1. 3 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢(shì)[ 5- 6]
( 1) 機(jī)組單機(jī)容量增大
風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增大有利于提高風(fēng)能利用率, 降低風(fēng)場(chǎng)的占地面積, 降低風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)成本,從而提高風(fēng)電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前, 國(guó)際上主流的風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到( 2~ 3) MW, 由德國(guó)Repower 公司研制的最大的5MW 風(fēng)電機(jī)組已投入運(yùn)行, 其旋翼區(qū)直徑達(dá)到126 米。可以預(yù)見(jiàn), ( 3~ 5) MW 的風(fēng)電機(jī)組在市場(chǎng)中的比例將日益提高。2008 年2 月在布魯塞爾舉行的風(fēng)能會(huì)議和風(fēng)能展上, 有與會(huì)者甚至提出了2020 年前開(kāi)發(fā)出20MW 風(fēng)電機(jī)組的概念。
( 2) 海上風(fēng)電迅速興起
海上風(fēng)能資源豐富, 且受環(huán)境影響小, 海上風(fēng)電場(chǎng)將成為一個(gè)迅速發(fā)展的市場(chǎng)。目前丹麥、德國(guó)、英國(guó)、瑞典和荷蘭等國(guó)家海上風(fēng)電發(fā)展較快。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì) (EWEA) 預(yù)測(cè), 2020 年, 歐洲海上風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到70 000MW。雖然海上風(fēng)電前景廣闊, 但目前還有技術(shù)等方面的因素制約著它的發(fā)展。一方面, 海上風(fēng)電機(jī)組均為陸上風(fēng)電機(jī)組改造而成, 而復(fù)雜的海上自然條件使得風(fēng)電機(jī)組的故障率居高不下, 如世界最大的海上風(fēng)電場(chǎng)丹麥Vestas 霍恩礁風(fēng)電場(chǎng), 80 臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組故障率超過(guò)70% 。另一方面, 電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)所提供的巨大電能。因此, 海上風(fēng)電的大發(fā)展仍需要解決機(jī)組及上網(wǎng)配套設(shè)施等方面的問(wèn)題。
( 3) 變速恒頻技術(shù)快速推廣
目前市場(chǎng)上恒速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組一般采用雙繞組結(jié)構(gòu)的異步發(fā)電機(jī), 雙速運(yùn)行。在高風(fēng)速段, 發(fā)電機(jī)運(yùn)行在較高轉(zhuǎn)速上; 在低風(fēng)速段, 發(fā)電機(jī)運(yùn)行在較低轉(zhuǎn)速上。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單, 可靠性高; 缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)速基本恒定, 而風(fēng)速經(jīng)常變化, 因此機(jī)組經(jīng)常處于風(fēng)能利用系數(shù)較低的狀態(tài), 風(fēng)能無(wú)法得到充分利用。隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步, 風(fēng)電機(jī)組開(kāi)發(fā)制造廠商開(kāi)始使用變速恒頻技術(shù), 并結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機(jī)組。與恒速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組相比, 變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組具有發(fā)電量大、對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)性好、生產(chǎn)成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此, 變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。德國(guó)Enercon 公司是目前全球生產(chǎn)變速風(fēng)電機(jī)組最多的公司。
( 4) 全功率變流技術(shù)興起
近年來(lái), 歐洲的Enercon、Winwind 等公司都開(kāi)發(fā)和應(yīng)用了全功率變流的并網(wǎng)技術(shù), 使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍達(dá)到了0~ 150% 的額定轉(zhuǎn)速, 提高了風(fēng)能的利用范圍, 改善了風(fēng)場(chǎng)上網(wǎng)電能的質(zhì)量。Enercon 公司還將原來(lái)對(duì)每個(gè)風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)的分散控制加以集中, 由并網(wǎng)變電站來(lái)統(tǒng)一調(diào)控, 實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補(bǔ)償。全功率變流技術(shù)將在今后大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)時(shí)得到推廣應(yīng)用。
( 5) 直驅(qū)和半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組
直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式, 免去故障率較高的齒輪箱, 在低風(fēng)速時(shí)效率高, 且具有低噪聲、高壽命、運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)份額增長(zhǎng)較塊, 但由于技術(shù)和成本等方面的原因, 在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)帶增速齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組仍將在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。半直驅(qū)是介于齒輪箱驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)之間的一種驅(qū)動(dòng)方式, 它采用一級(jí)齒輪箱增速, 結(jié)構(gòu)緊湊, 具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅(qū)動(dòng)相比, 半直驅(qū)增加了系統(tǒng)的可靠性; 而與大直徑的直驅(qū)相比, 半直驅(qū)通過(guò)更高效和緊湊的機(jī)艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。
2 風(fēng)電齒輪箱發(fā)展概況
齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中技術(shù)含量最高的部件之一。國(guó)際上生產(chǎn)風(fēng)電齒輪箱的公司主要有Renk、Flender、Hansen Transmission 等; 我國(guó)批量生產(chǎn)風(fēng)電齒輪箱的企業(yè)主要有南京高精齒輪集團(tuán)有限公司、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司、華銳風(fēng)電科技有限公司、中國(guó)二重集團(tuán)( 德陽(yáng)) 重型裝備股份有限公司等。目前我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)中安裝的風(fēng)電機(jī)組多數(shù)為進(jìn)口機(jī)組, 齒輪箱是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率最高的部件之一[ 7] , 有的風(fēng)場(chǎng)齒輪箱損壞率高達(dá)40% ~ 50% , 個(gè)別品牌機(jī)組齒輪箱更換率接近100%。雖然齒輪箱故障是世界性的問(wèn)題, 但我國(guó)風(fēng)電齒輪箱的故障率更高。我國(guó)地形地貌、氣候特征與歐洲地區(qū)不同, 這使得一些風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并不完全適應(yīng)我國(guó)的情況。因此, 對(duì)風(fēng)電齒輪箱技術(shù)進(jìn)行深入研究, 開(kāi)發(fā)適合我國(guó)具體情況的風(fēng)電齒輪箱并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化對(duì)提高風(fēng)電裝備的可靠性、降低風(fēng)電成本有著重要的意義。
2. 1 風(fēng)電齒輪箱主要結(jié)構(gòu)形式
由于風(fēng)電機(jī)組葉片葉尖線速度不能過(guò)高, 因此, 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)以上風(fēng)電機(jī)組的額定輸入轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)20r/ min, 發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般為1500 r/ min 或1800r/ min, 因此大型風(fēng)電齒輪箱的增速比一般在75~100 范圍內(nèi)。風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。小容量風(fēng)電齒輪箱多采用平行軸斜齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu), 500kW~ 1000kW 風(fēng)電齒輪箱常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有2 級(jí)平行軸+ 1 級(jí)行星和1 級(jí)平行軸+ 2 級(jí)行星傳動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)形式, 兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電齒輪箱多采用2 級(jí)平行軸+ 1 級(jí)行星傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)[ 8] 。由于行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜, 而且大型內(nèi)齒圈加工難度較大, 成本較高, 即使采用2 級(jí)行星傳動(dòng)的結(jié)構(gòu), 也以NW 型傳動(dòng)最為常見(jiàn)[ 9]。
2. 2 風(fēng)電齒輪箱技術(shù)現(xiàn)狀
國(guó)外兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱是隨風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)而發(fā)展起來(lái)的, Renk、Flender 等風(fēng)電齒輪箱制造公司在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用三維造型設(shè)計(jì)、有限元分析、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù), 并通過(guò)模擬和試驗(yàn)測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。此外, 國(guó)外通過(guò)理論分析及試驗(yàn)測(cè)試對(duì)風(fēng)齒輪箱的運(yùn)行性能進(jìn)行了系統(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)。美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)( AWEA) 和齒輪協(xié)會(huì)(AGMA) 于2003 年10 月制定了新的風(fēng)電齒輪箱標(biāo)準(zhǔn) "Standard for Design and Specification of Gearboxfor wind Turbines", 于2004 年1 月上升為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 即ANSI/ AGMA/ AWEA6006 - A03。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)、制造、使用等作了詳盡規(guī)定[ 10] 。
我國(guó)風(fēng)電發(fā)展經(jīng)歷了約20 年時(shí)間, 開(kāi)展研究的單位主要有南京高精齒輪集團(tuán)有限公司、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司、鄭州機(jī)械研究所等單位。目前, 國(guó)內(nèi)已基本掌握了兆瓦以下風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)制造技術(shù), 但只有極少數(shù)單位掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兆瓦以上大型風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù), 還有一些廠家是引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和許可證生產(chǎn)。總體來(lái)看, 在運(yùn)行可靠性等方面, 國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪箱與國(guó)外一流產(chǎn)品相比還有較大差距。因此, 要全面掌握大型風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù),還需要在消化、吸收國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究和創(chuàng)新。
2. 3 風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造方面存在的主要問(wèn)題
( 1) 基礎(chǔ)載荷數(shù)據(jù)及載荷處理方法方面的問(wèn)題風(fēng)電齒輪箱工作環(huán)境惡劣, 所承受的載荷情況非常復(fù)雜, 因此符合實(shí)際的載荷數(shù)據(jù)及其處理方法是風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。我國(guó)不但缺少?gòu)?fù)雜載荷數(shù)據(jù), 而且處理方法也不夠成熟, 對(duì)風(fēng)電機(jī)組在工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的制動(dòng)載荷、極限載荷等載荷情況的處理還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。此外, 在變載荷處理過(guò)程中運(yùn)用的線性積累損傷理論也并不能真實(shí)反映實(shí)際破壞情況。因此, 設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)有問(wèn)題, 也就無(wú)法得到合理的設(shè)計(jì)結(jié)果[ 11] 。
( 2) 齒倫早期點(diǎn)蝕問(wèn)題
在頻繁受到風(fēng)載變化沖擊的情況下, 齒輪的微動(dòng)磨損超過(guò)一般設(shè)計(jì)的預(yù)期, 從而造成齒輪早期點(diǎn)蝕。防止齒輪早期點(diǎn)蝕的關(guān)鍵在于輪齒修形。在確定修形參數(shù)時(shí), 需要獲得準(zhǔn)確的載荷來(lái)計(jì)算齒輪偏載, 再根據(jù)偏載情況進(jìn)行修形, 而且需要考慮載荷波動(dòng), 要盡可能保證齒輪在各種工況載荷及其組合的作用下都具有良好的接觸區(qū)。
( 3) 軸承早期損壞
目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電齒輪箱幾乎全部采用進(jìn)口軸承, 主要的國(guó)外廠商有瑞典SKF、德國(guó)FAG 等公司。國(guó)內(nèi)兆瓦以上設(shè)備所用的軸承仍處于研發(fā)階段, 以洛軸、瓦軸等為代表的一些企業(yè), 紛紛加大研發(fā)力度。其中, 洛軸是國(guó)內(nèi)最早研制、生產(chǎn)風(fēng)電軸承的企業(yè), 在國(guó)內(nèi)首家成功開(kāi)發(fā)出1. 5MW 風(fēng)電軸承。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明, 早期風(fēng)電齒輪箱故障大多是由軸承引起的。隨著技術(shù)的成熟,目前軸承引起的故障明顯降低, 但仍有約50% 的故障由軸承損壞造成。軸承損壞的主要原因是系統(tǒng)的受力變形導(dǎo)致軸承內(nèi)外圈不再平行, 滾子局部接觸應(yīng)力過(guò)大。因此, 精確的軸承壽命計(jì)算方法對(duì)風(fēng)電齒輪箱軸承的設(shè)計(jì)、選擇非常重要。
( 4) 大型斜齒內(nèi)齒圈制造
目前, 國(guó)外風(fēng)電齒輪箱大多采用滲碳淬火磨齒的斜齒內(nèi)齒圈, 以提高齒輪的強(qiáng)度、傳動(dòng)平穩(wěn)性和可靠性, 減小尺寸和重量。國(guó)內(nèi)因制造技術(shù)和制造設(shè)備方面的限制, 內(nèi)齒圈通常采用直齒+ 氮化工藝或直齒+滲碳淬火+ 磨齒工藝, 致使齒輪箱的傳動(dòng)平穩(wěn)性、可靠性等指標(biāo)均低于國(guó)外產(chǎn)品的相應(yīng)指標(biāo)。
( 5) 密封問(wèn)題
風(fēng)電齒輪箱密封不良會(huì)導(dǎo)致漏油甚至外部灰塵等進(jìn)入箱體內(nèi)污染潤(rùn)滑油, 從而影響風(fēng)電齒輪箱的正常工作和可靠性。解決密封問(wèn)題仍是國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪箱的一個(gè)難點(diǎn)。
3 小結(jié)
( 1) 近10 年來(lái), 全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量以28. 6%的年增長(zhǎng)率飛速發(fā)展, 且有著廣闊的發(fā)展前景。我國(guó)大陸風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)率連續(xù)3 年世界第一, 2007 年總裝機(jī)容量達(dá)到5906 MW, 排全球第5 位。
( 2) 2007 年我國(guó)新增裝機(jī)容量中, 內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品占55. 9% , 合資企業(yè)產(chǎn)品占1. 6% , 外資企業(yè)產(chǎn)品占42. 5% 。在新增裝機(jī)容量逐年快速增長(zhǎng)的情況下, 內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品所占比例不斷增大, 外資企業(yè)產(chǎn)品所占比例不斷縮小, 說(shuō)明國(guó)產(chǎn)機(jī)組的年裝機(jī)量增速更快。
(3) 風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)組單機(jī)容量逐步增大、海上風(fēng)力發(fā)電將興起, 變速恒頻技術(shù)和全功率變流技術(shù)推廣應(yīng)用以及直驅(qū)和半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的市場(chǎng)占有率將逐步提高。
(4) 國(guó)外風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟, 國(guó)內(nèi)仍處于消化吸收和研發(fā)階段。
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