漫谈风电机组大型化中的齿轮箱
文/崔新维（北京三力新能科技有限公司）
1. 引言
齿轮箱是风电机组中成本仅次于叶片的第二大部件，其重要程度不言而喻。但是，在叶片、主轴承、齿轮箱、发电机和变流器几大部件中，齿轮箱又是被诟病最多的大部件。由于齿轮箱在风电机组中的功能，又是唯一可以或缺的，删除齿轮箱之后的直接驱动技术已成为另一类主流技术路线。近年来中速传动技术的兴起，人们对齿轮箱又热衷起来。齿轮箱在经历了被采用-删除-又被采用之后，未来又会怎样？有必要漫谈一番。
2. 技术路线演变中的齿轮箱
2.1 从高速齿轮箱到无齿轮箱
风电机组中引入齿轮箱，是为了匹配低转速叶轮与高转速发电机的特性。从早期的定轴轮系到后期的行星轮系与定轴轮系组合，再到多级行星轮系；额定功率从百千瓦到十多兆瓦；传动比也从不足100到逼近200。
但是，齿轮箱也曾是风电机组中的最大困扰。曾有过最大失效率、曾拖垮过整机企业、曾一直被试图彻底抛弃。以至于人们不得不另辟蹊径，在风电机组中删除齿轮箱，研发出无齿轮箱的直接驱动技术和产品。就在直接驱动机型以其特有的优势逐渐被认为将会取代高速双馈机型时，成本和效率的劣势也慢慢显现出来，尤其是在机组大型化中。
2.2 从高速齿轮箱和无齿轮箱到中速齿轮箱直接驱动技术的劣势，让人们将目光投向了既带齿轮箱转速又不高的中速传动技术。于是，在整机企业中，过去走高速双馈和直接驱动技术路线的都有转向中速传动技术的。在海上风电机组大型化中，中速传动技术似乎已成为当前的潮流和未来的趋势，热度更大。不仅如此，还有人包装了不少的概念充实到中速传动技术中，正像有人描述的那样——中速传动的春天到了，一派百花齐放的景象。在这种背景下，风电齿轮箱的风头不亚于当年直驱热时的永磁发电机，成为新的关注热点。
3. 大型化中的齿轮箱
早期的齿轮箱之所以经常出故障，除了所在风电机组的运行条件外，齿轮箱本身固有特性也起着重要作用。
齿轮箱是功率传动的机械部件，具体分为传递运动（增速或减速传动）和动力（扭矩），动力传递的力度和运动传递的频次叠加起来，使得接触疲劳成为基本失效形式发生在齿轮（轮齿面）和轴承（滚道与滚动体）两大齿轮箱零部件。因此齿轮箱的失效的基本原因就两个：作用载荷的偏大和承载能力的较弱。风电齿轮箱常见的齿面和滚动体点蚀、齿轮断齿、滚动轴承失效等无不与此相关，而齿轮箱的技术进步也基本是朝着降低载荷和提高承载能力两个方向进行的。
风电机组的大型化要求齿轮箱也大型化，风电齿轮箱的大型化面临的新挑战是将面对如下的问题：
- 传递功率的增加——齿轮箱传递的功率始终高于机组的额定功率，而且随着机组容量的增大，这种高于的程度越来越大。虽然传递这样等级功率的齿轮箱能够做出来，但毕竟越来越重的机头对于整机系统尤其是海上机组系统带来更多的新难题。
- 转速下降扭矩增加——通常情况下，大型化机组的叶轮转速更低，在功率提升的前提下，扭矩更大，对齿轮箱的承载能力提出更高的要求。这就导致齿轮箱将以更高的阶次增加重量。
- 设计寿命延长——面向海上风电的机组设计寿命至少是25年，这对于靠依次啮合的齿轮轮齿和依次滚动接触的轴承来说，都要求更高的承载能力。
- 支承能力要求增高——在风电机组中的齿轮箱在传递扭矩的同时，外壳需要支反力矩支撑，支撑能力的要求越来越高。
- 可靠性要求更高——海上风电机组的可靠性要求高，齿轮箱的可靠性要求就更高，而影响可靠性的作用载荷和承载能力并未得到有效解决。
综上所述，中速传动技术的春天是否来临，不是取决于各式各样的中速传动机型，而是取决于齿轮箱。齿轮箱将是未来风电机组大型化的关键因素，甚至可以说，齿轮箱不成则中速传动技术不成。
众所周知，风电机组大型化的过程中，越来越多的风电大部件成为瓶颈，叶片、主轴承、齿轮箱哪一件成短板，都将拖机组大型化及海上风电的后腿。这样的话，在常规技术之路上走下去，能走多远？再进一步发问，齿轮箱是不是风电机组大型化的必选项吗？
实际上，从海上风电兴起的同时，国内外的同行们不仅在常规技术路线上行走，更是一直在致力于研发新型的风电装备，来满足未来海上风电的需求。如果回归风电装备的本质特征，只要一种装备能最大限度捕获风能并最经济地转化为电能，就是最有前途的新型风电装备。一个自然的命题来了：有没有一种技术，使得叶片、主轴承和齿轮箱不再成为制约因素而实现上述基本目标。
肯定有人在尝试解此命题。
4. 结束语
风电机组中的齿轮箱有着独特的作用——只是一个桥梁，传递运动和动力。带齿轮箱时它很重要，删除它也可以。
风电机组的大型化对诸如叶片、主轴承和齿轮箱之类的大部件提出了新的更高的要求。齿轮箱在扮演越来越重要角色的同时，也将会逐渐成为大型化风电机组的短板之一。
按照世间事物的发展规律，齿轮箱在风电机组中经历过有-无-再有的过程之后，会不会在大型化机组中面临新的被选择。
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