摘要 風電產業的飛速發展促成了風電裝備制造業的繁榮, 風電齒輪箱作為風力機組中最重要的部件, 倍受國內外風電相關行業和研究機構的關注。介紹了國內風電齒輪箱的發展現狀, 對風電齒輪箱的市場前景做了分析, 在技術上從齒輪箱的設計、軸承、潤滑系統、狀態監測以及制造工藝等方面分析了國內風電齒輪箱存在的問題并提出建議。
關鍵詞 風電 風電齒輪箱 齒輪箱 發展現狀
引言
環境污染, 能源短缺, 油價上漲, 當今社會對清潔可再生能源的強烈訴求促使風能產業遇到了前所未有的發展機遇。據估計, 世界風能資源高達每年53 萬億kW·h, 是2020 年世界預期電力需求的兩倍[ 1] 。同時與之相關的風電制造業也呈現出了蓬勃的發展前景。目前國際上采用的風力發電機組的主流結構型式是齒輪箱驅動, 風電設備的龐大需求缺口更使得作為關鍵零部件的風電齒輪箱的生產前景廣闊。
風力發電機組一般安裝在荒郊、野外、山口、海邊等風能較大且周圍無遮擋物之處, 發電機、齒輪箱等安裝在機組塔架之上狹小的機艙內, 距地面幾十米高。常年受酷暑嚴寒和極端溫差的影響, 工作環境惡劣。據世界風力發電網數據, 風電系統的失效率12%來自齒輪箱的失效。大約是工業齒輪箱平均失效機率的兩倍。齒輪箱的失效是導致故障時間、維修和產量減少的主要原因, 一般其損失要占風電設備總價的15%~ 20%。
故障期一般出現在發電的高峰期, 因為環境惡劣,交通不便, 齒輪箱一旦出現故障, 修復十分困難, 將嚴重影響到風場的經濟效益, 因此, 對齒輪箱的可靠性和工作壽命提出了很高的要求, 風電齒輪箱市場幾乎是得技術者得天下。然而國內風電齒輪箱的研究起步較晚, 盡管已經做了一些工作, 其中還存在很多問題, 本文介紹了國內風電齒輪箱的發展現狀, 對風電齒輪箱的市場前景做了分析, 在技術上從齒輪箱的設計、軸承、潤滑系統、狀態監測、制造工藝5 個方面分析了國內風電齒輪箱存在的問題并提出建議。
1 風電齒輪箱發展現狀及市場前景
1. 1 行業發展及研究現狀
2006 年南京高精齒輪有限公司牽手GE 開發風電齒輪箱, 2008 年2 月27 日至2008 年2 月28 日, GE 1. 5MW 風電齒輪箱聯合研發團隊配合GE 全球總工程師、風能總工程師、中國傳動總工程師完成了最后一次設計( 試驗后) 評審, 與會者一致認為該型號齒輪箱設計水平達到世界一流, 試驗結果超過歐洲同類機型表現,雙方共同宣布GE 1. 5MW 齒輪箱研發取得圓滿成功。在此項目基礎上, 組建研發小組進行XLE 1. 5MW 機型的研制, 將在2009 年一季度完成研發。另外, 公司目前正重點研發2. 5MW、3MW 的風力發電傳動產品[ 3] 。
重慶齒輪箱有限責任公司從1996 年就致力于風電齒輪箱的研發、生產, 公司已初步研發出了( 1 000- 2500) kW 的風力發電機組增速齒輪箱產品, 并成功地實現了600kW、750kW、800kW、1 000kW、1 500kW、2000kW 風力發電增速齒輪箱的批量生產。
2006 年6 月重慶齒輪箱有限責任公司研制成功國內第一臺1. 5MW 風電齒輪箱。2007 年6 月初, 該廠研制生產的國內最大的兆瓦級風電齒輪箱FL2000 順利通過了各項技術指標測試和型式試驗, 成功交付用戶使用[ 4]
另外, 2008 年5 月, 由杭齒集團杭州前進風電齒輪箱有限公司研制開發的首臺1. 5MW 風電齒輪箱, 通過沈陽遠大機電裝備有限公司的驗收, 該臺風電齒輪箱在轉速、扭矩、升溫、振動等各項技術指標均達到了國家相關標準, 即將交付客戶使用[ 5] 。
鄭州機械研究所也在從事風電齒輪箱的研究, 2005 年7 月到2007 年6 月, 進行了兆瓦級風力發電機組高可靠性傳動裝置的研究。
2008 年初, 河南省發展和改革委員會、河南省科技廳和河南省財政廳共同舉辦了2008 年河南省扶持企業自主創新項目招投標活動, 鄭州機械研究所申報的℃ 兆瓦以上風電機組增速齒輪箱研發及產業化℃項目一舉中標, 獲得省科研經費200 萬元。該項目針對大型風電齒輪箱的關鍵設計制造技術進行系統深入的研究, 擬開發3. 0MW 以下系列風電增速箱, 并完成相應的中試和產業化研究、生產基地建設等工作[ 6] 。
風電齒輪箱的優化設計是我國學者研究較多的問題。沈陽工業大學風能技術研究所的李樹吉, 陳雷等對三級平行軸的斜齒圓柱齒輪增速箱進行了研究, 以齒輪箱質量最輕為目標建立了風電齒輪箱優化的數學模型, 用SUNMT 內點法進行了優化。福州大學的劉賢煥, 葉仲和等對兆瓦以上的風電齒輪箱提出了由1 個ZK ℃ H( B) 型差動行星輪系與1 個ZK ℃ H(A) 型準行星輪系組合而成的封閉式行星輪系傳動方案, 并以齒輪箱體積最小為目標函數建立了相應的數學模型, 利用MATLAB 優化工具對模型進行了求解。
另外, 重慶大學設有機械傳動國家重點實驗室, 在研究齒輪箱傳動方面有優勢, 招收風力發電技術及裝備方向研究生, 并與重慶齒輪箱有限責任公司合作緊密[ 7] 7- 8。
1. 2 風電齒輪箱市場前景
風電齒輪箱的市場可發展空間遼闊, 以發改委的可再生能源中長期規劃, 保守預估至2020 年止風電齒輪箱商機逾200 億元。
( 1) 齒輪箱驅動式風電機組仍是市場主流目前市場上有兩種類型的風力發電設備, 一種叫雙饋發電, 是通過多重齒輪箱, 將每分鐘轉速不過20多轉的葉片轉速提升到每分鐘1200 轉進行發電; 另一種叫直驅發電, 采用永磁體發電機, 葉片直接驅動發電機發電。目前, 前一種技術成熟, 是市場主流, 現時一些較新型2MW 至5MW 的機組中, 仍然使用多級齒輪箱傳動技術, 并繼續成為風電產業主流。
( 2) 風電機組零部件供不應求
風力發電機組的主要零部件包括葉片、齒輪箱、電機、導航系統、電控系統等。目前以及以后的相當長一段時間內, 市場上對于整機的需求保持旺盛姿態, 然而總體上來說, 相對于我國整機制造, 零部件制造比較落后, 不能滿足整機制造的巨大需求, 因此, 零部件制造發展潛力巨大。
目前國內的風電齒輪箱供應已初具規模, 但兆瓦級以上風電齒輪箱則多仰賴國外廠商供應。國外主流風電機組已達到兆瓦級, 丹麥為( 2. 0~ 3)MW, 美國為1. 5MW, 已有最高5MW 機組于2006 年初投入試運行。
兆瓦級風電機組已成為國際市場的主流, 發達國家為了保持技術優勢而形成技術壁壘, 我國雖已有兆瓦級以上機組樣機開始試運行, 但設計制造技術仍不成熟[ 7] 6。所以風電齒輪箱市場發展潛力巨大。
另外, 由國外購進的風電設備設計壽命為15~ 20年, 保修期一般為2 年。目前, 這些機組的部件在保修期內就有被更換的, 包括風輪葉片、發電機、增速齒輪以及控制系統等都有。可以預見, 過了保修期再要更換這些部件, 從國外購買就需要花費外匯。而且, 國外的風電機組的容量、規格更新很快, 有的型號、規格的產品到時候可能已不再生產了, 無法購進、維修。因此, 對上述容量、規格機組的重要部件生產制造是國內生產廠商的巨大商機。
另外, 由國外購進的風電設備設計壽命為15~ 20年, 保修期一般為2 年。目前, 這些機組的部件在保修期內就有被更換的, 包括風輪葉片、發電機、增速齒輪以及控制系統等都有。可以預見, 過了保修期再要更換這些部件, 從國外購買就需要花費外匯。而且, 國外的風電機組的容量、規格更新很快, 有的型號、規格的產品到時候可能已不再生產了, 無法購進、維修。因此, 對上述容量、規格機組的重要部件生產制造是國內生產廠商的巨大商機。
( 3) 政策的鼓勵
2008 年8 月19 日, 財政部公布了℃風力發電設備產業化專項資金管理暫行辦法℃, 規定對符合支持條件企業的首50 臺兆瓦級風電機組, 按600 元/ 千瓦的標準予以補助。辦法規定, 600 元/ 千瓦的補助標準中,整機制造和關鍵零部件制造企業各占50%, 并重點向關鍵零部件中的薄弱環節傾斜, 補助資金主要用于新產品研發。
℃辦法℃明確, 產業化資金支持對象為中國境內從事風力發電設備( 包括整機和葉片、齒輪箱、發電機、變流器及軸承等零部件) 生產制造的中資及中資控股企業。資金主要是對企業新開發并實現產業化的首50臺兆瓦級風電機組整機及配套零部件給予補助。℃辦法℃的出臺無疑是國內風電零部件制造業的利好消息, 而風電齒輪箱作為最重要的零部件無疑要在℃辦法℃上分一杯羹。
2 風電齒輪箱的關鍵技術
2. 1 風電齒輪箱的優化設計
目前國內兆瓦級以上風電齒輪箱多依賴國外廠商供應, 國內研制出的風電齒輪箱多是對國外產品的單一仿制, 由于國內外的風況、氣候不同, 風電場使用保養水平、原材料以及制造和安裝水平都不一樣, 大部分進口或國產齒輪箱都運行不足3 年而停機大修, 原因有很多, 其中設計落后是最重要的一方面。
風電齒輪箱的優化設計在國內研究的還是比較多的, 沈陽工業大學風能技術研究所以齒輪箱質量最輕為目標建立了風電齒輪箱優化的數學模型, 福州大學以齒輪箱體積最小為目標函數建立了相應的數學模型[ 7] 7- 8。重慶大學秦大同教授等也針對風力發電機齒輪傳動系統以齒輪箱體積最小為目標函數進行了參數優化設計[ 8] 。
然而以上研究單一追求質量或體積的最小化就會忽視風電齒輪箱各級強度不平衡, 同時他們都將簡化的疲勞強度計算作為約束條件, 對實際結構、熱處理等問題考慮也不夠充分, 難以達到整體最優。另外, 在設計的過程中還要考慮安全、經濟因素。所以, 可以可靠性、經濟性以及齒輪箱各級齒輪疲勞強度接近相等為優化目標, 建立多目標函數進行優化設計, 并同時考慮實際結構, 熱處理等其他相關問題。
另外, 國內齒輪箱失效的主要形式是早期點蝕。由于風力作用于齒輪箱是變工況的, 在齒輪頻繁受到風速變化沖擊時, 齒輪的微動磨損超過了一般設計的預期( 某些廠家設計時根本沒有考慮齒輪微動磨損) ,往往造成使用2~ 3 年就出現齒輪早期點蝕, 這是國風電齒輪箱的最大毛病。因此, 設計過程中一定要考慮齒輪的早期微動點蝕。
再者, 不同地區氣候不同, 風電齒輪箱的工況也不同, 不可照搬一種模式, 在實際的設計過程中應該具體問題具體分析, 根據齒輪箱的工作環境進行設計。
目前國內尚沒有針對風電齒輪箱的專用設計軟件, 因此, 針對我國風電設備的發展現狀, 綜合考慮以上因素, 編制適合各種風電齒輪箱的專用軟件, 是進一步指導生產實踐, 促進我國風電產業的發展要務。
2. 2 風電齒輪箱的潤滑
齒輪箱的潤滑系統對齒輪箱的正常工作具有十分重要的意義, 大型風力發電齒輪箱必須配備可靠的強制潤滑系統, 對齒輪嚙合區、軸承等進行噴油潤滑。在齒輪箱失效的原因中, 潤滑不足占去了一大半。潤滑油溫度關系到部件疲勞和整個系統的壽命。一般來說齒輪箱正常工作時的最高油溫不應超過80 ℃ , 不同軸承間的溫差不應超過15 ℃ 。當油溫高于65 ℃ 時, 冷卻系統開始工作; 當油溫低于10 ℃ 啟動時,應首先將潤滑油加熱到預定溫度后再開機[ 9] 。
在夏季, 由于風電機組長時間處于滿發狀態, 加上高空陽光直射等, 油品的運行溫度上升超過設定值; 而在東北嚴寒地區冬季使用時, 最低溫度經常達到-30 ℃ 以下, 潤滑管路中潤滑油流動不暢, 齒輪、軸承潤滑不充分, 造成齒輪箱高溫停機, 齒面、軸承磨損, 另外溫度低也會使齒輪箱油粘度增加, 油泵啟動時負載較重, 油泵電機過載[ 10] 9。
齒輪箱潤滑油都有工作的最佳溫度范圍, 建議給齒輪箱潤滑系統上設計一個潤滑油熱管理系統: 當溫度超過一定值時冷卻系統開始工作, 當溫度低于一定值時加熱系統開始工作, 始終把溫度控制在最佳范圍內。
另外, 提高潤滑油的質量也是潤滑系統必須考慮的重要方面, 潤滑劑產品必須具有極好的低溫流動性和高溫穩定性, 要加強對高性能潤滑油的研究。
2. 3 軸承壽命計算
統計數據表明, 風電齒輪箱故障仍約有50%的故障與軸承的選型、制造、潤滑或使用有關[ 7] 23。目前,由于技術條件落后等原因, 國內兆瓦級以上機組的核心部件如電機、齒輪箱、葉片、電控設備和偏航系統等,很多都依靠進口, 而應用于這些大型風電機組中的齒輪箱軸承、偏航軸承、變槳軸承及主軸軸承更是完全依靠進口。因此, 較為精確的軸承壽命計算方法對風電齒輪箱的設計顯得尤為重要。
由于對軸承要求的高可靠性, 通常軸承的使用壽命應不小于13 萬小時。而由于影響軸承疲勞壽命的因素太多, 軸承疲勞壽命理論還仍需不斷完善, 國內外軸承壽命理論并沒有一個統一的, 為所有行業所接受的計算方法。目前, 國外各大軸承生產廠商己紛紛根據自己的經驗和研究成果提出各自新的軸承修正壽命計算方法。我國軸承壽命的試驗研究工作起步較晚,規模較小, 必須迎頭趕上。
軸承的運行溫度、潤滑油的黏度和清潔度及轉速等因素對軸承壽命有很大影響, 運行狀態變差( 溫度上升、轉速降低、污染物增多) 時, 軸承壽命可能大幅度降低。
對影響風電齒輪箱軸承壽命的各種因素進行深入分析, 研究出較為精確的軸承壽命計算方法是國內軸承行業乃至風電行業的重中之重。
2. 4 風電齒輪箱的監測
風電齒輪箱作為風電系統的重要組成部分, 其振動狀態直接影響風力機的運行性能。因而研究風電齒輪箱的振動狀態, 優化測點布置并對其進行狀態監測,對保證機組的穩定運行具有重要意義。
齒輪箱狀態監測的研究最早始于20 世紀60 年代[ 11] 2, 而關于風電齒輪箱的狀態監測, SKF 公司的狀態監測產品做得很好, 產品種類有便攜式儀器、在線系統、傳感器等, 并且公司還可以根據客戶的需要為客戶量身定做狀態監測產品。
目前國內齒輪箱狀態監測但在風力發電領域的應用還處于探索階段。大連理工大學柴俊卿、王德倫以大連重工起重集團生產的兆瓦級風電增速器為研究對象, 通過對系統進行動力學分析以及現場振動試驗來確定測點布置[ 11] 。
但是他們只對箱體進行了模態分析, 不能完全準確的反映整個齒輪箱系統得固有特性以及振動特性,需要完整整個齒輪系統來分析其固有特性。另外, 風電增速器特別是兆瓦級的風電增速器狀態監測目前在國內還處于空白, 我國的風電產業相對落后, 還沒有相關的振動標準, 因此需要進行大量的實驗數據, 根據實際的振動情況來制定振動警報值, 才能實現真正意義上的在線振動監測。
2. 5 風電齒輪箱的制造工藝
在一定的設計和使用條件下, 齒輪的壽命是由原材料和工藝過程決定的。目前, 國內兆瓦級風電齒輪箱主要依賴進口, 我國雖已有兆瓦級以上機組樣機開始試運行, 但在設計制造方面主要是對國外的仿制。而我國的風電齒輪箱的使用工況與國外不盡相同, 國內齒輪原材料的質量水平和加工制造水平也不如國外, 造成仿制進口的國產齒輪箱在結構、原材料和加工工藝上不適應中國的實際情況, 所以光靠測繪和模仿不能解決可靠性問題, 應從結構設計的完善和制造工藝水平的提高上著手。
從德國ZF 公司、意大利FLAT 公司引進產品的齒輪原材料與工藝標準比較, 國內外齒輪材料的主要區別在于原材料純凈度和和淬透性帶寬的控制, 國外不認可國內主打用鋼CrMnTi 系鋼種。
在齒輪制造工藝上主要的區別在于: ( 1) 國外強力拋丸工藝的普遍應用( 2) 對硬化深度的不同認識, 如國內用隨爐試樣表面至HV500 處距離表征, 而ZF 公司用試樣或實物表面至HV610 處距離表征[ 10] 25。
用材料科學的觀點分析這些問題, 齒輪的承載能力是由外部條件如加載方式( 風力特點) 和內部條件如齒輪的材料處理和工藝過程( 制造水平) 決定的, 因此,國產化齒輪箱必須適應我國的實際使用條件, 齒輪的設計、計算過程中要依據我國的實際制造、管理水平進行, 要對國標或其他計算方法進行修正, 其中包括齒輪箱的結構與材料設計, 冷熱工藝過程[ 10] 22。
另外, 風電齒輪應充分注意增速傳動與減速傳動的區別, 變位系數的選擇應有利于降低滑差, 應根據載荷情況作必要的齒形和齒向修正, 內齒圈輪緣厚度應不小于3 倍的模數, 外齒輪均采用滲碳淬火+ 磨齒工藝, 材料熱處理等級不低于MQ, 齒輪精度不低于5 級;與傳統行星傳動不同, 內齒圈的強度往往成為風電齒輪箱的薄弱環節。國外一般采用斜齒內齒輪+ 滲碳淬火+ 磨齒工藝。但由于國內大型內斜齒制齒加工困難, 內齒磨齒成本較高, 國內通常采用直齒+ 氮化工藝, 與國外產品在設備可靠性、重量等方面存在一定差距。國內在不具備斜齒加工的條件下, 也應盡量采用滲碳磨齒工藝。即使在保證內齒圈強度的條件下, 采用氮化工藝時內齒圈的精度也不應低于7 級[ 12] 。
3 結論
( 1) 國內風電齒輪箱的發展前景廣闊, 但起步晚,技術落后, 機遇與挑戰并存。對于企業來說, 龍頭企業要在技術和質量上加大力度, 不可一味追求高產能、低成本, 讓國內風電齒輪箱行業陷入低端惡性競爭。
(2) 風電齒輪箱的關鍵技術應注重高可靠性和長壽命, 加強兆瓦級大型風電齒輪箱及其配套軸承的設計和制造技術的系統深入研究, 豐富現場運行經驗和基礎數據。制造工藝方面應加強材料、熱處理及加工的研究。潤滑系統上可考慮設計一個潤滑油溫熱管理系統, 將潤滑油溫度控制在最佳溫度范圍內, 另外, 要進一步開發出優質潤滑油品。
( 3) 一臺風電齒輪箱動輒上百萬, 如此昂貴的設備如果按照面向再制造的設計理念進行設計, 把可拆卸性、可運輸性、易于修復和升級性、易于裝配性以及環境指標都考慮在內, 在使用壽命結束以后對其進行再制造, 將會節省大量的成本, 不但符合可持續發展要求, 更降低了風電場建設的入門門檻, 推動風電事業的飛速發展。
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