【文章內(nèi)容簡介】 單機(jī)容量的增大有利于提高風(fēng)能利用率，降低風(fēng)場的占地面積， 降低風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)成本，從而提高風(fēng)電的市場競爭力。目前， 國際上主流的風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到 ( 2~ 3)MW， 由德國 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?？梢灶A(yù)見， ( 3~ 5)MW 的風(fēng)電機(jī)組在市場中的比例將日益提高。 2021 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)電場將成為一個(gè)迅速發(fā)展的市場。目前丹麥、 德國、 英國、瑞典和荷蘭等國家海上風(fēng)電發(fā)展較快。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì) (EWEA)預(yù)測， 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)電場丹麥 Vestas 霍恩礁風(fēng)電場， 80 臺海上風(fēng)電機(jī)組故障率超過 70%。另一方面， 電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風(fēng)電場所提供的巨大電能。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)施等方面的問題。 ( 3) 變速恒頻技術(shù)快速推廣目前市場上恒速運(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)組開發(fā)制造廠商開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)組也是未來發(fā)展的趨勢之一。德國 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，歐洲的 Enercon、 Winwind 等公司都開發(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（論文） 高了風(fēng)能的利用范圍，改善了風(fēng)場上網(wǎng)電能的質(zhì)量。 Enercon 公司還將原來對每個(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)。近年來直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)份額增長較塊， 但由于技術(shù)和成本等方面的原因， 在未來較長時(shí)間內(nèi)帶增速齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組仍將在市場中占主導(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，它采用一級齒輪箱增速， 結(jié)構(gòu)緊湊， 具有相對較高的轉(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)通過更高效和緊湊的機(jī)艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。 圖 風(fēng)力 發(fā)電機(jī)機(jī)艙的 結(jié)構(gòu)示意圖 （ 1）導(dǎo)流罩 （ 2）葉輪總成 （ 3）主軸總成 （ 4）照明系統(tǒng) （ 5）潤滑散熱系統(tǒng) （ 6）齒輪箱 （ 7）高速剎車 （ 8）聯(lián)軸器 （ 9）發(fā)電機(jī) （ 10）提升機(jī) （ 11）風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)速儀，引雷器 （ 12）機(jī)艙底座（ 13）機(jī)艙罩 （ 14）供電電纜 （ 15）偏航軸承（ 16）偏航減速器 （ 1） (2) (3) (4) (5) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (6) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 齒輪箱的設(shè)計(jì) 2． 2． 2 風(fēng)電 齒輪箱的發(fā)展 趨勢 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組中最重要的 部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行 業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注 。 風(fēng)機(jī)增速齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電整機(jī)的配套產(chǎn)品，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一個(gè)重要的機(jī)械傳動(dòng)部件，它的重要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，使其得到 相應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)電，它的研究和開發(fā)是風(fēng)電技術(shù)的核心，并正向高效、 高可靠性及大功率方向發(fā)展 。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風(fēng)口處，經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的作用，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機(jī)械產(chǎn)品高得多的要求。 風(fēng)電行業(yè)中發(fā)展最快，最有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達(dá)國家 ，在風(fēng)電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達(dá)國家早已開發(fā)出單機(jī)容量達(dá)兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并且技術(shù)相對成熟，具有比較完善的設(shè)計(jì)理論和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且商業(yè)化程度比較高，因此在國際風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中處于明顯的優(yōu)勢和主導(dǎo)地位。 國外兆瓦級風(fēng)電齒輪箱是隨 jxL 電機(jī)組的開發(fā)而發(fā)展起來的， Renk、 Flender 等風(fēng)電齒輪箱制造公司在產(chǎn)品開發(fā)過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)，并通過模擬和試驗(yàn)測試對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。此外，國外通過理論分析及試驗(yàn)測試對風(fēng)電齒輪箱的運(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)。 盡管國際上齒輪箱設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的最主要原因，約占風(fēng)機(jī)故障總數(shù)的 20％左右 ， 由于我國商業(yè)化大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)上較歐美等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國家存在報(bào)大差距。我國在九五期間開始走引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的路子，通過引進(jìn)和吸收國外成熟的技術(shù)，成功研發(fā)出了兆瓦級以下風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 課題意義 風(fēng)力發(fā)電是清潔可再生能源，蘊(yùn)存量巨大，具有實(shí)際開發(fā)利用價(jià)值。中國水電資源 370 GW，風(fēng)能資源有 250 GW。廣東省水電資源 GW，沿海風(fēng)能可開發(fā)量 (H=40 m) GW。也就是說，風(fēng)能與水能總量旗鼓相當(dāng)。大量風(fēng)能開發(fā)不可能靠某個(gè)部門或行業(yè)的財(cái)（論文） 政補(bǔ)貼就能解決，商業(yè)化不僅是市場的要求，也是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以，風(fēng)力發(fā)電商業(yè)化是必由之路，可行之路。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪 箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動(dòng)力的部件，在運(yùn)行期間同時(shí)承受動(dòng)、靜載荷。其動(dòng)載荷部分取決 于風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)的特性和傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機(jī)的外部工作條件 。 開發(fā)新能源是國家能源建設(shè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。風(fēng)力發(fā)電是新能源技術(shù)中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。 (1)由于我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏基礎(chǔ)研究積累和人才，我國在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)能力上還有待提高，總體來說主要以引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)為主。目前國內(nèi)引進(jìn)的技術(shù)，有的是國外淘汰的技術(shù)，有的圖紙雖然先進(jìn)，但受限于國內(nèi)配套廠家的技術(shù)、工藝、材料等原因， 導(dǎo)致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能仍有一定差距。所以，在引進(jìn)國外風(fēng)機(jī)技術(shù)的同時(shí)，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級增速齒輪箱，是加速我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。 (2)增速齒輪的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的命運(yùn)。因此，要加強(qiáng)齒輪的研究，對齒輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高齒輪的嚙合質(zhì)量，降低噪聲，保證齒輪機(jī)械效率，提高齒輪的運(yùn)行可靠性。 (3)增速齒輪箱以漸開線齒輪為主，人們對標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動(dòng)提出了新的要求，在尺寸、重量最 小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運(yùn)動(dòng)，這就對齒輪分析的計(jì)算精度提出了很高要求，高精度