风力发电齿轮箱运维现状以及发展趋势

于成龙

摘要：风电齿轮箱的可靠运行融合了行业标准、先进的传感技术、智能运维、运维人员的技术管理，实现提前预测、提前准备、提前调整，最终保证齿轮箱可靠运行达到的目标。鉴于此，本文主要分析风力发电齿轮箱运维现状以及发展趋势。

关键词：风力发电;齿轮箱;运维

中图分类号：TK83 文献标识码：A

1、引言

风能是一种宝贵的可再生能源，对我国的环境保护和工业发展具有重要意义。双馈风扇发电机可以将风能转化为电能，但没有齿轮箱来提高叶片的速度和效率，集风速度会变慢。通过机械能和电力的转换，风力发电机可以在一定程度上有效地利用绿色能源，如有效补充现有电力，有助于解决电力短缺问题。风电场往往建在人口密度低、风力发电前景和利用价值广阔的地区，从西北到东南、西南和东北，尤其是在韩国风资源丰富的沿海地区。地理位置偏远，升级这些地区的风电场将有助于解决传输问题。

2、风力发电齿轮箱的技术特点

在风力发电的过程中，受风转速的影响和限制，主齿轮箱输入的额定功率转速通常被限制在20r/min，而发电机额定转速通常为1000～1800r/min，导致主齿轮箱的增速比通常约为50～100。

为了确保风力发电机组主齿轮箱结构的紧凑性，经常会采用行星齿轮传动或者行星与平行轴承组合传动的方式。在风力发电过程中，为了进一步优化风力发电机组的设计工艺，简化其主齿轮箱的设计，达到降低传动比的目的，通常会使用结构较为紧凑且重量较轻的半直驱动式设计工艺。风力发电主齿轮箱一般采用2个行星齿轮进行传动，在第一级传动系统中利用5个行星齿轮进行行星传动，以增加功率的分流能力。

通常会在主齿轮箱的顶部设计一条管道注入润滑油，增加轴承和齿轮转动的润滑性，实现对轴承和齿轮的喷淋润滑。在主齿轮箱的底部会设置 2 根回油管，将顶部注入的润滑油进行回收，形成循环系统。这样的主齿轮箱设计工艺结构较为复雜，对制造和装配的设计精度要求较高，且发电机组装机容量越高，则各部位结构就越复杂，因此对生产、制造等各个方面提出了更高的要求。

3、风力发电齿轮箱运维现状

3.1、运维的规范以及标准不健全

由于风电行业的特殊性，市场上主要的齿轮箱规格很多，不同厂家的技术水平和生产能力不同，齿轮箱运行维护要求不匹配。市场上没有工业或齿轮箱操作和维护。这是一个国家标准。规范不良意味着维修标准、检验标准和维修验收标准不匹配，最终影响齿轮箱的运行质量。

3.2、运维人员的技能水平较低

主要涉及两个方面。一是风电场运维人员大多来自非机械行业，对齿轮箱等机械设备一窍不通，只能按照主机厂的说明进行基本维护。其次，由于风电行业的特殊性，夏季高温，冬季寒冷，需要高空作业，相对于其他行业，人力流动性较大，发展尚需时日天赋。

3.3、监测设备缺乏

目前变速箱的监测设备主要是监测润滑油温度、轴承温度和进油压力的传感器。有些车型配备了监测变速箱振动的传感器和监测变速箱润滑油性能的传感器，但其普及范围相对较窄。由于风扇的特殊性，无法随时随地检查齿轮箱的状况，只有在齿轮箱发生重大故障后才能发现问题。

3.4、早期齿轮箱技术、质量可靠性低

在支持绿色清洁能源的国家大环境下，风电发展迅速，但风力发电机和齿轮箱的技术和制造质量并不能完全跟上行业发展的步伐，存在一定的脱节。齿轮箱甚至没有经过严格的样机测试，就已经开始量产，存在诸多隐患，导致部分厂家的齿轮箱在运行多年后出现故障，给风电厂造成巨大损失。

4、发展趋势

4.1、传动形式更加多样

当前，直接驱动技术已经引起了人们的关注，并且已经在风力发电领域得到发展，单机容量已达到 2 兆瓦，为未来的风力涡轮机发展留有空间。但是，从长远来看，通过对技术成熟度、成本、运输和易扩展性等方面进行考量，风力发电齿轮箱式设备仍然占主导地位。直接驱动单元和双丝杠驱动进给单元也处于研发阶段。大型风电增速齿轮箱的速比约为 100，一般情况下，需要三级齿轮对其进行传动。现有的成熟结构主要包括一级 NGW行星齿轮 + 二级平行轴齿轮箱，NW行星齿轮 + 一级平行轴齿轮箱等，并且随着科学技术的不断发展，风力发电齿轮箱的传动形式也会更加多样化。

4.2、更多新技术的产生

风力齿轮传动装置主要包括主齿轮箱、偏航齿轮传动装置和变桨齿轮传动装置。通常情况下，风力发电装置主要安装在山区、荒野、海滩、岛屿等通风的区域，环境条件较为恶劣，风力方向不规则变化、负载波动大、高温、极寒等条件都对风力发电设备带来了严峻的挑战。但是随着问题的不断暴露，技术人员也在通过各种技术手段进行干预，这也促进了新技术的不断产生。在信息时代的大背景下，互联网技术、大数据技术、人工智能技术也都应用到了风力发电齿轮箱的设计和制造中，尤其是计算机辅助设计和计算机模拟仿真技术对推动齿轮箱的发展和进步起到了积极的作用。

5、结束语

根据能源发展要求，我国二氧化碳排放力争 2030 年前达到峰值，2060 年前实现碳中和。为了实现这一要求就必须寻找新能源代替传统能源，风能作为一种新型的清洁无污染能源，风能以其可再生、储量丰富等特点被广泛的应用于发电领域。中国风力发电新增装机占全球新增的 75%。因此，保证风力发电机组高效安全运行是风力发电的技术关键，对齿轮箱进行故障预警及诊断是保证风力发电机安全运行的重中之重。由此可见，本文的研究也就显得十分的有意义。

参考文献

[1]刘跃飞，黄细霞，宋虎，刘娟.风力发电系统的风机齿轮箱故障预测研究[J].计算机仿真，2019，36（03）：124-127+146.

[2]吴伟强.风力发电齿轮箱运维现状以及发展趋势[J].海峡科技与产业，2018（09）：33-34.

[3]王林，李会鹏，王平，田贵云.风力发电齿轮箱安全运行的远程监控[J].无损检测，2013，35（11）：35-38+50.

[4]赵飞. 风力发电齿轮箱非线性耦合动态特性研究[D].大连理工大学，2010.

[5]吴文大. 风力发电齿轮箱国产化的材料、工艺和结构研究[D].浙江大学，2005.