第1章 風電齒輪箱的產業背景

1.1 風力發電

風電齒輪箱是風力發電機組中的核心部件，包括增速齒輪箱（也稱主齒輪箱，直驅機組沒有主齒輪箱）、偏航減速器和變槳減速器。由主齒輪箱構成的傳動系統用來連接風輪與發電機，其作用是將風輪產生的機械轉矩傳遞給發電機，同時實現風輪到發電機轉速的變換。風電齒輪箱的出現、產業發展和技術進步離不開風力發電機組的發展需求。

1.1.1 風力發電的原理

廣義地說，風力發電是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發電機。太陽光照射在地球表面上，使地表溫度升高，地表的空氣受熱膨脹變輕而往上升。熱空氣上升后，低溫的冷空氣橫向流入，這種空氣的流動就產生了風。上升的空氣因逐漸冷卻變重而下降，由于地表溫度較高又會加熱空氣使之上升，這種對流也會形成風，如圖1-1所示。由此可見，風的能量是來自太陽的。太陽輻射出來的光和熱是地球上風形成的源泉。最簡單的風力發電機組可由葉輪和發電機兩部分構成。空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉換成機械能，從而推動葉輪旋轉，如果將葉輪的轉軸與發電機的轉軸相連，就會帶動發電機發電。風力發電機是將風能轉換為機械能的動力機械，又稱風車。風力發電利用的是自然能源。

1.1.2 風力發電的特點

（1）可再生的潔凈能源 風力發電是一種可再生的潔凈能源，不消耗化石資源，也不污染環境，這是火力發電所無法比擬的優點。

（2）建設周期短、可靠性高 1個10兆瓦級的風電場建設期不到1年。現代高科技應用于風力發電機組后使其發電可靠性大大提高，中、大型風力發電機組的可靠性從20世紀80年代的約50%提高到了目前的98%，機組壽命可達20年。

（3）造價低、占地面積小 隨著大中型風力發電機組實現國產化、產業化，在不久的將來風力發電的造價和電價都將低于火力發電。風力發電機組與監控、變電等建筑僅占火電廠1%的土地面積，其余場地仍可供農、牧、漁使用。

（4）運行維護簡單、發電方式多樣化 現代大中型風力發電機組的自動化水平很高，完全可以在無人值守的情況下正常工作，只需定期進行必要的維護，一般不存在火力發電的大修問題。風力發電既可并網運行，也可以和其他能源如柴油發電、太陽能發電、水力發電形成互補系統，還可以獨立運行。因此，為解決邊遠地區的用電問題提供了現實可行性。

1.1.3 風力發電機組發展簡史

從早期用于取水灌溉和磨面的風車，一直發展到現在用于發電的大型風力發電機，對風能的利用在人類歷史發展的過程中從未停止過。

早在4000年前的美索不達米亞地區（亞洲西南部底格里斯河和幼發拉底河兩河流域間），當地居民立起了人類歷史上第一臺風車；1000年以后，在東地中海沿岸和中國也出現了當地最早的風車；直到7世紀，歐洲才出現了當地最早的風車。早期的風車大約在17世紀達到發展的高潮，當時的風車絕大多數用于灌溉和磨面。早期風車如圖1-2所示。

當人們開始用汽輪機和水輪機發電的時候，就有人建議利用風能進行發電，把原有的風車改造成可用于發電的風力發電機。但是，把風車改造成風力發電機的道路是曲折的，其中包含了大量的技術問題和現實問題，既有驅動力和發電機問題，也有風力發電機的傳動、控制以及電能的儲存和傳輸等諸多問題。

1887年，蘇格蘭教授James Blyth為了給用于照明的蓄電池充電而建立了人類歷史上第一臺用于發電的風力發電機。該風力發電機屬于垂直軸型風力發電機，高10m，葉輪直徑8m，如圖1-3所示。

幾乎同時，美國俄亥俄州克利夫蘭市的Charles F.Brush利用當時在美國廣泛使用的風力水泵概念（Westermill，也被稱作“America wind rose”）建造了當時非常先進的風力發電機。該風力發電機高20m，風輪直徑17m，有144個由雪松木制作的葉片，通過兩級帶傳動帶動一個12kW的直流發電機，發電機產生的電能通過蓄電池儲存起來。其安全系統確保發電機在任何轉速下電壓不超過90V，控制系統控制發電機的輸出電壓保持在70V左右。Charles F.Brush不僅是風力發電技術的先驅，也是美國電氣工業的奠基人之一。Brush風力發電機解決了很多令人頭疼的問題，不僅實現了自動控制，而且運行了20年。但是，由于Brush本人對空氣動力學缺乏足夠的認識，加之當時的空氣動力學還沒有形成相當完備的理論體系，其設計的風力發電機雖有較好的轉矩輸出，但能量轉換效率較低。1891年，丹麥Askov大學教授Poul La Cour將氣動翼型理論引入風力發電機領域，建造了1臺4個葉片的直流風力發電機，該風力發電機擁有相對較高的能量轉換效率。Cour采用電解水獲得氫氣的方法來實現能量的轉化與儲存，氫氣提供給燃氣燈來照明。他還出版了世界第一本有關風電技術的學術期刊Tidsskrift for Vind Elektristitet。到1918年第一次世界大戰結束時，丹麥已建造了120臺Cour式風力發電機，總裝機容量達到3MW，發電量占到丹麥電力總消耗的3%。Cour式風力發電機的風輪直徑一般在20m以內，功率從20kW到35kW不等，最大風能利用系數20%以上。Brush和Cour風力發電機如圖1-4所示。

第一次世界大戰之后，氣動理論及相關技術發展到了一定的水平，所積累的大量經驗促進了風電技術的進一步發展和理論的成熟。1920年，德國人Albert Betz提出了風力發電機從風中獲得最大能量的物理學準則，1926年，他借鑒空氣動力學中的翼形理論對風力發電機葉片的外形進行優化設計，并由此得出了一種簡便的設計方法，即著名的Betz設計理論。今天，在進行了一些改進之后，這些基本原理和方法還在為我們所使用。在這之后的時間里，研究工作者在風力發電機的葉片、結構和控制準則等方面進行了不斷的研究和發展，進一步推動了風電技術的進步。

第二次世界大戰期間，歐洲各國風力發電機技術的發展一度放緩甚至中止。處于北歐的丹麥，由于能源相對匱乏，風電技術得到了相對持續的發展。丹麥人在大量實踐的基礎上逐漸形成了自己的特色，研發出了“丹麥型”風力發電機。1941年，丹麥的F.L.Smith公司建造了一些雙葉片和三葉片風力發電機。這些風力發電機配備的還是直流發電機。20世紀50年代，丹麥工程師J.Juul等開發出世界上第一臺交流風力發電機“Vester Egesborg”。1956年，J.Juul為SEAS公司設計建造了著名的Gedser風力發電機，如圖1-5所示。該風力發電機為三葉片上風風力發電機，裝有額定功率為200kW的異步交流發電機，采用電動偏航和定槳失速控制。為了避免過大的轉速和載荷，葉片尖端特別設計了氣動制動裝置。該風力發電機在沒有重大維護的條件下自動運行了11年。該款風力發電機的出現標志著“丹麥型”風力發電機理論的完全形成，其主要特征是異步并網發電機、失速型葉片和尖端氣動制動。1975年，美國NASA為了其風能研究項目需要重新測量Gedser風力發電機的相關運行數據，Gedser風力發電機又被重新整修，試運行幾年后被拆除。目前它的機艙和葉片陳列在丹麥Bjerringbro電力博物館。

在同一時期德國的風力發電技術以Ulrich W.Hütter的風力發電機為代表。1957年，Hütter建成了他的原型機。該風力發電機葉輪直徑34m，雙葉片，功率100kW，采用下風自動偏航設計。在以后的十多年時間里德國建造的許多風力發電機都采用了類似的設計理念，包括以后的GROWIEN風力發電機。該風力發電機首次采用了由玻璃纖維復合材料制造的葉片。由于這種材料良好的力學性能和抗疲勞性能，該類型葉片得到了迅速的推廣和使用，極大地促進了風力發電技術的發展。Hütter和GROWIEN風力發電機如圖1-6所示。

1941年，美國Smith公司建造了由工程師Putnam設計的大型風力發電機——Smith-Putnam風力發電機，如圖1-7所示。該風力發電機葉輪直徑53m，逆風偏航設計，配有額定功率為1.25MW的同步發電機。其兩個巨大的葉片由不銹鋼制成，通過連桿與主軸聯接。為了實現轉速調節和功率控制，該風力發電機裝備了液壓變槳距系統。該風力發電機是當時空氣動力學研究和機械工藝技術有效結合的產物，代表了當時的技術發展水平。該風力發電機在運行了4年后于1945年因一只葉片折斷而停止運行。

第二次世界大戰結束后初期，化石能源的價格曾一路走低，風力發電在經濟上毫無優勢可言，加上歐洲各個國家剛剛擺脫戰爭的陰影，使得風力發電技術的發展放緩。但在美國一些急需電力的邊遠地區，小型風力發電機卻得到了快速發展。Jacob兄弟開發了著名的Jacobs小型風力發電機，這種風力發電機直徑約4m，3個葉片，通過葉輪直接驅動直流發電機，如圖1-8所示。1920—1960年，美國生產了上萬臺功率為1.8～3kW的Jacobs風力發電機。

20世紀70年代連續出現的兩次能源危機使得化石原料的價格一路上漲，加上日益嚴重的環境問題，各個國家開始重新考慮對可再生能源的利用。在美國、丹麥、德國、英國和瑞典等國政府項目的推動下，許多葉輪直徑超過60m的大型風力發電機被建立起來用于相關技術的研究和實驗驗證。具有代表性的有德國的GROWIAN風力發電機（葉輪直徑100m，功率3MW），瑞典的WTS3風力發電機（葉輪直徑78m，功率3MW），瑞典的AEOLUSWTS7風力發電機（葉輪直徑75m，功率2MW），美國的BOEING Mod-2風力發電機（葉輪直徑91m，功率2.5MW），GEMod-1風力發電機（葉輪直徑61m，功率2MW）等，如圖1-9所示。由于缺乏相關的風力發電機建造和運行管理經驗以及相關的技術，這些風力發電機沒有一個能真正長期運行。但是，在這個過程中，大量的技術和經驗被積累下來，為以后的發展奠定了基礎。20世紀80年代中后期，歐洲和美洲都繼續著大型風力發電機的研發，而以歐洲取得的成就最大。

在大型風力發電機技術探索和發展的同時，成熟的小功率風力發電機（55kW）率先開始大規模應用。最有標志性的是20世紀80年代開始的美國加州風電潮，如圖1-10所示。在美國的政策支持下，大量的風力發電機被密密麻麻地布置在加州的山坡上，蔚為壯觀。然而，這次風潮并沒有持續多久的時間，1985年，美國的支持計劃終止后，大規模的風場建設便偃旗息鼓了。

大型風力發電機的商業化階段在20世紀80年代后才逐漸開始。大規模的商業應用首先出現在北歐（這與該地區的其他能源相對缺乏有關，以丹麥為代表），各種不同概念的風力發電機相繼出現，各種商業公司紛紛推出各自的產品，整個市場在群雄逐鹿的過程中成熟起來。伴隨著各種優勢資源的整合，許多著名的風電廠商在優勝劣汰的競爭中逐漸勝出，水平軸三葉片風力發電機組更是成了商業應用的絕對主流。

風力發電技術已經曲曲折折地發展了100多年。在這100多年里，充滿了各式各樣的嘗試、創新、成功與失敗。經過了百年的洗禮，風電技術的應用才逐漸成熟起來。如今德國、丹麥、美國等風電技術先進的國家無論是在風力發電機設計技術上還是在風力發電機運行上都積累了豐富的經驗。各種技術路線還在互相借鑒并不斷地改進和完善，各種新的概念和技術仍在不斷推出并應用于風電領域。陸上風資源已經開發完的德國等風電大國已經開始開發海上風場。我國也已經開始建設海上風場（見圖1-11）。