文/崔新维（北京三力新能科技有限公司）

1. 引言

风电机组是大型旋转机械装备，主轴承不仅是其中的必要部件，而且还是承受较大的载荷的关键部件。随着机组的大型化，主轴承也越来越大。从国内风电产业的发展历程看，主轴承的大型化似乎比叶片大型化更难实现，以至于被列为当前急需攻关的技术产品。本文仍是站在整机的角度漫谈一番主轴承。

2. 风电机组的主轴承

风电机组中的主轴承有两个功能：确保叶轮及主轴的转动，实现表征着机械能的运动和动力的传递；承受来自叶轮的除扭矩之外的其它无用载荷，并将其传递到塔架及基础。在水平轴风电机组中，功率流是沿着来风方向向后传递，载荷流是垂直向下传递。正是由于上述功能定义，在风电机组的机舱拓扑结构中，主轴承（含轴承座）的最佳位置应该在位于塔架顶端的偏航回转支承上方附近，以便于无用载荷以最短的路径，通过偏航回转支承和塔架传递到基础。

由于其功能和处于中心位置的布局，可以认为主轴承是风电机组最重要的机械零部件；由于它的重要性，对主轴承有很高的技术要求；由于技术要求高，主轴承的制造难度也大。所以目前主轴承的供应还是国外品牌为主。

笔者曾经参观过某品牌轴承的荷兰研发中心，仔细观察了解了从材料到热处理、从摩擦到润滑、从装配到测试的全部研发环节。不禁感叹，它之所以能在长时间存续和大范围应用，是有它的道理的。

在风电机组中，除了叶轮主轴外，齿轮箱（有齿轮箱时）和发电机（有或无齿轮箱）这两个大部件也需要轴承。因此，主轴承通常有三种设计方案。

1）方案一——单独设置主轴系

这种方案中的齿轮箱和发电机由生产厂商各自研发制造，同时设置有独立的主轴系（含主轴承、轴承座、润滑和定位密封附件）。主轴系中通常有前后两个主轴承，也有采用单一的双列圆锥滚子轴承的（它是从两个背靠背布置的圆锥滚子主轴承演变来的，简称“双列锥轴承”）。主轴系、齿轮箱和发电机三者之间通过联轴器联接起来，实现运动和动力传递。这是一种标准的配置方式，功能明确、各司其责。

2）方案二——主轴承集成在齿轮箱中

这种方案将双列锥轴承或一个主轴承集成到齿轮箱中，用齿轮箱的输入级行星架轴承承担全部或其中一个主轴承的功能。前者采用单个双列圆锥滚子轴承配置，后者即所谓的三点支撑。这种方案将本该由主轴承和轴承座承受无用载荷通过齿轮箱传递到底座，或者说齿轮箱承担了额外的载荷，而且还是不明确的载荷，齿轮箱的运行可靠性可想而知。最有影响的事件是，十多年前某国外机型在轻量化设计中，采用上述双列锥轴承方案，使得该机组投运不久便全部召回，制造商损失重大。

3）方案三——主轴承兼作发电机轴承

这种方案是直接驱动机型采用的，即叶轮与发电机共用轴承。由于目前的直驱机型均采用叶轮与发电机同侧布置，无论是内转子式还是外转子式，来自叶轮的载荷与来自发电机载荷耦合在主轴承上，而轴承座通常需悬置在底座上，使得轴承座到塔架的载荷传递需要复杂的底座结构，并且导致偏航回转支承受载特性劣化。

3. 机组大型化中的主轴承

机组的大型化，更大的额定功率和更长的叶片，导致更大的机组载荷。主轴承作为重要承载部件，需要对其提出更高的要求。

首先大机组的主轴承需要定制。大型风电机组中的主轴承是需要整机商向轴承商订购的，而轴承商并没有事先预备好相应规格和类型的主轴承，需要定制开发。主轴承不像叶片，可以由整机商设计、叶片厂代工生产，主轴承只能由专业的轴承制造商提供。如果不同整机商的同容量机型选择不同的主轴承，必将加大主轴承乃至机组的成本。正是由于主轴承的重要性，一款主轴承的研发耗时远长于叶片，因此主轴承将会成为大型化机组的新瓶颈。

其次对主轴承提出了更高的承载能力和更高的可靠度要求。虽然加大了轴承的尺度，但轴承的承载机理是相同的，微观到轴承滚道，接触疲劳极限并不会因为尺度加大而增大，除非优化了材料和热处理。某个局部位置滚动体和滚道之间的瞬间接触特性可能恶于较小轴承，以至于降低了大轴承的可靠性。为了保证可靠性，又需要付出更高的成本代价，况且大机组还需要更高的可靠性。更长的叶片导致主轴承的接触应力幅加大，影响主轴承的疲劳寿命。

主轴承的大型化伴随内外圈直径、轴承宽度滚动体直径和长度（滚子类轴承）等尺度的增加。更大的尺度对原材料、机加能力、加工精度、热处理能力、检测能力都提出了更高的要求，这些能力的提高无疑会增加主轴承的成本；保持更长圆周滚道和更多滚子数量的均匀性难度提高，使主轴承的可靠度不易保证。

除了轴承本体，主轴承还面临总体装配、游隙调整和保持、润滑和密封、冷却和散热等新的难题。由于轴承配合的特殊要求，分别与主轴承内圈和外圈配合的主轴和轴承座的加工难度也相应增加；大机组采用的圆锥滚子轴承在装配和运维时要求控制和调整游隙，需要配置专门的游隙调整装置；大型化的主轴承使得滚动体的滚动线速度增加，滚动摩擦加剧，加大了发热量，对于润滑和冷却提出新的更高的要求。

大型化的海上风电机组还有特殊的运行要求。设计寿命提高到25年，要求主轴承更高的疲劳寿命；海洋环境的高腐蚀性对主轴承的防腐要求也更高；海上环境较低的可达性，主轴承的运维策略需要更加优化。

4. 结束语

风电机组的大型化的初衷是为了降低风电的度电成本，但是如果主轴承之类的大部件成本增加或可靠性降低，将会事与愿违。解决的策略可有三条：

• 通过技术攻关和研发，提高大型主轴承的技术成熟程度，降低机组和主轴承的运行风险和应用成本；
• 简化主轴承大型化的开发内容和过程，虽然降低了一些成本，但增加了运行风险和成本，综合代价更大；
• 其它新型整机技术方案实现大型化，但避免配套大型主轴承。这对于我国的机组大型化不失为一条可行的途径。

大型化主轴承尤其是海上风电机组用的主轴承，在技术先进性、使用经济性、产品可靠性、运行稳定性等多元追求中，如何实现综合最优，是风电从业者面临的新问题，需要慎重对待。一旦大型主轴承失效，将是难以承受的结果。

注：图片源于网络，如有侵权请联系删除。

文/崔新维（北京三力新能科技有限公司）

叶片之于风力发电机组就像发动机之于汽车，是实现从风能到机械能转换的主要部件，而且其成本一直占整机的四分之一以上，关键核心作用不言而喻。最早的叶片技术来自于航空领域，人们把叶片当作旋转的机翼来研究的。伴随着风电产业的兴起和发展，风电叶片技术才逐渐演变成一个专门的领域。在机组大型化过程中，叶片也随之大型化，叶片大型化带来了一系列问题值得谈论一番。

1. 风电机组中的叶片

从风电机组的基本功能看，叶片和发电机是两个最基本部件，叶片捕获风能，发电机发出电能。发电机是一个传统部件，产业基础良好。而叶片则是伴随着始于1970年代的现代并网型风电机组的商业化，衍生出的一个新型部件。它的学科基础是空气动力学、复合材料和工程力学，产业基础是彼时的航空工业和小型风电机组产业。

但是，叶片的研发和量产不是一件容易的事，以至于一家丹麦的叶片厂曾经供应了全世界三分之一的叶片。随着风电产业的发展，出于市场竞争的需求，主机厂商都意识到叶片的重要性而逐渐转向叶片自给。以至于当今海上风电机组的三大整机商（Siemens、Vestas和GE）都是自己研发叶片。

国内的叶片产业是伴随着1990年代后期引进整机生产技术逐步兴起的。发展到现在，叶片的供应有三种模式：

• 整机商自带叶片厂——出产的整机配套自产的叶片，类似于国外整机商的做法，不同的是有关叶片的基础研究差距较大。
• 独立叶片厂商——叶片厂为不同的整机商供应叶片，类似于国外早期的做法。
• 代工生产叶片——由整机商提供叶片设计，按订单代工生产后给整机商供货，有些独立叶片厂商也加入这个行列。

2. 机组大型化的叶片

要实现机组大型化，叶片大型化需要先行，尤其是叶片基础研究。欧洲现在开发的10MW~20MW风电机组采用了超过100米的叶片，而早在十年前就围绕100米以上超长叶片的气动、高转速、气弹、轻量化、结构、载荷控制等专题开展不止一轮的专项研究和测试。这种关键技术研究先行支撑后续产品研发的做法，是任何一个可持续发展行业的通行且有效的做法，无论国内国外。

国内海上风电和大基地风电的兴起，推动了机组的大型化，又带动了叶片大型化。在此过程中，下列问题可能是必须要谨慎面对的。

2.1叶尖线速度是否提高

从整机的角度看，提高叶尖线速度，可以适当提高叶轮的转速，降低输出扭矩，有利于传动系的降载；对叶轮来说，叶片的离心力会增大，既增加了叶片的动刚度，也会增加叶根弯矩。更重要的是，叶尖部分的气动特性可能会发生突变，同时会带来新的噪音问题。

2.2如何承受过大的载荷

长叶片的柔性会加大，气动推力导致挥舞弯矩增加，气动扭矩导致摆动弯矩加大，而且都是严重非线性增加，较大的弯曲变形又带来了结构动态特性、气弹特性、载荷特性和净空等新的问题。而所有这些弯矩又是叶根结构、变桨支承和轮毂乃至变桨驱动必须承受的。另外，由于仿真工具的局限性，这类载荷仅通过常规软件仿真计算是不现实的。

2.3叶片的总体结构如何优化

常规的叶片结构是叶片外形主要满足气动要求，内部结构主要承受弯矩载荷。出于增加弯曲刚度的需要，人们采用了在外壳中添加部分高弹性模量材料（如碳纤维）、内部结构布局优化设计、采用人造轻质钢化材料等措施。但似乎都无法摆脱叶片加长带来的平方-立方效应（也可能是平方-2.5次方效应）。既要承受非线性增加的载荷，又要增加刚度不至于变形过大，还要轻量化避免成本的大幅提高，如何平衡这些矛盾的诉求。

2.4气动弹性如何控制

超长叶片的过大变形带来的气弹稳定性，是叶片大型化无法回避的问题。气弹问题和叶片的气动外形、总体结构、运行状态与控制以及外部风资源都密切相关，可以认为是多种因素的耦合效应。国外三家整机商的两家推出的236米叶轮直径的15MW海上风电机组，在设计阶段要分析气弹稳定性，样机测试中要检测气弹特性。现有的室内叶片检测系统由于诱因不足，是无法测试叶片气弹特性的。

2.5设计寿命能延长多少

海上机组多出五年的设计寿命，既是由于海上风资源相对平稳，零部件疲劳损伤的外因弱化，也是出于降低海上风电度电成本的考虑。但是，对于叶片来说，捕获前方来风所受的挥舞弯矩和驱动叶轮的摆动弯矩只会增加不会减小，叶片外壳上的弯曲应力幅也会增加。如何在应力幅增加的前提下还能提高叶片的疲劳寿命，也是叶片大型化的一个难题。

2.6运行维护有哪些难点

叶片加长，其体积和表面积都增加。叶片前后缘、上下翼面、外部壳体、合缝部位、内部支撑结构，包括叶根联接部位都会增加失效的概率。海上运行环境和陆地沙漠环境都是加剧失效的恶化因素。

综上所述，随着叶片大型化，由于其特殊的外形、结构、受载和状态，呈现出严重的非线性特性，而且还存在着复杂的耦合关系。所以，叶片不像齿轮箱，简单放大还可以过得去，开发一款超长的叶片需要开展的前期工作有很多。否则将会面临不可预估的风险，而叶片出现失效要比齿轮箱失效的损失大得多。

面对上述问题，要么迎难而上，逐一破解；要么合理绕过，另辟蹊径。

 3. 结束语

在多个风电强国中，叶片的研发一直占有绝对优势的地位。叶片强则风电可能强，叶片不强则风电肯定不强。叶片是风电机组中最重要的部件，叶片大型化也是风电机组大型化中最关键的环节。

伴随机组大型化的叶片大型化，有许多非线性复杂问题耦合起来需要面对和解决，这一点要比齿轮箱复杂。

注：图片源于网络，如有侵权请联系删除。

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。

注：图片源于网络，如有侵权请联系删除。