第1章 风电齿轮箱的产业背景

1.1 风力发电

风电齿轮箱是风力发电机组中的核心部件，包括增速齿轮箱（也称主齿轮箱，直驱机组没有主齿轮箱）、偏航减速器和变桨减速器。由主齿轮箱构成的传动系统用来连接风轮与发电机，其作用是将风轮产生的机械转矩传递给发电机，同时实现风轮到发电机转速的变换。风电齿轮箱的出现、产业发展和技术进步离不开风力发电机组的发展需求。

1.1.1 风力发电的原理

广义地说，风力发电是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。太阳光照射在地球表面上，使地表温度升高，地表的空气受热膨胀变轻而往上升。热空气上升后，低温的冷空气横向流入，这种空气的流动就产生了风。上升的空气因逐渐冷却变重而下降，由于地表温度较高又会加热空气使之上升，这种对流也会形成风，如图1-1所示。由此可见，风的能量是来自太阳的。太阳辐射出来的光和热是地球上风形成的源泉。最简单的风力发电机组可由叶轮和发电机两部分构成。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动叶轮旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发电。风力发电机是将风能转换为机械能的动力机械，又称风车。风力发电利用的是自然能源。

1.1.2 风力发电的特点

（1）可再生的洁净能源 风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源，也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。

（2）建设周期短、可靠性高 1个10兆瓦级的风电场建设期不到1年。现代高科技应用于风力发电机组后使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组的可靠性从20世纪80年代的约50%提高到了目前的98%，机组寿命可达20年。

（3）造价低、占地面积小 随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。风力发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地面积，其余场地仍可供农、牧、渔使用。

（4）运行维护简单、发电方式多样化 现代大中型风力发电机组的自动化水平很高，完全可以在无人值守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，一般不存在火力发电的大修问题。风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水力发电形成互补系统，还可以独立运行。因此，为解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。

1.1.3 风力发电机组发展简史

从早期用于取水灌溉和磨面的风车，一直发展到现在用于发电的大型风力发电机，对风能的利用在人类历史发展的过程中从未停止过。

早在4000年前的美索不达米亚地区（亚洲西南部底格里斯河和幼发拉底河两河流域间），当地居民立起了人类历史上第一台风车；1000年以后，在东地中海沿岸和中国也出现了当地最早的风车；直到7世纪，欧洲才出现了当地最早的风车。早期的风车大约在17世纪达到发展的高潮，当时的风车绝大多数用于灌溉和磨面。早期风车如图1-2所示。

当人们开始用汽轮机和水轮机发电的时候，就有人建议利用风能进行发电，把原有的风车改造成可用于发电的风力发电机。但是，把风车改造成风力发电机的道路是曲折的，其中包含了大量的技术问题和现实问题，既有驱动力和发电机问题，也有风力发电机的传动、控制以及电能的储存和传输等诸多问题。

1887年，苏格兰教授James Blyth为了给用于照明的蓄电池充电而建立了人类历史上第一台用于发电的风力发电机。该风力发电机属于垂直轴型风力发电机，高10m，叶轮直径8m，如图1-3所示。

几乎同时，美国俄亥俄州克利夫兰市的Charles F.Brush利用当时在美国广泛使用的风力水泵概念（Westermill，也被称作“America wind rose”）建造了当时非常先进的风力发电机。该风力发电机高20m，风轮直径17m，有144个由雪松木制作的叶片，通过两级带传动带动一个12kW的直流发电机，发电机产生的电能通过蓄电池储存起来。其安全系统确保发电机在任何转速下电压不超过90V，控制系统控制发电机的输出电压保持在70V左右。Charles F.Brush不仅是风力发电技术的先驱，也是美国电气工业的奠基人之一。Brush风力发电机解决了很多令人头疼的问题，不仅实现了自动控制，而且运行了20年。但是，由于Brush本人对空气动力学缺乏足够的认识，加之当时的空气动力学还没有形成相当完备的理论体系，其设计的风力发电机虽有较好的转矩输出，但能量转换效率较低。1891年，丹麦Askov大学教授Poul La Cour将气动翼型理论引入风力发电机领域，建造了1台4个叶片的直流风力发电机，该风力发电机拥有相对较高的能量转换效率。Cour采用电解水获得氢气的方法来实现能量的转化与储存，氢气提供给燃气灯来照明。他还出版了世界第一本有关风电技术的学术期刊Tidsskrift for Vind Elektristitet。到1918年第一次世界大战结束时，丹麦已建造了120台Cour式风力发电机，总装机容量达到3MW，发电量占到丹麦电力总消耗的3%。Cour式风力发电机的风轮直径一般在20m以内，功率从20kW到35kW不等，最大风能利用系数20%以上。Brush和Cour风力发电机如图1-4所示。

第一次世界大战之后，气动理论及相关技术发展到了一定的水平，所积累的大量经验促进了风电技术的进一步发展和理论的成熟。1920年，德国人Albert Betz提出了风力发电机从风中获得最大能量的物理学准则，1926年，他借鉴空气动力学中的翼形理论对风力发电机叶片的外形进行优化设计，并由此得出了一种简便的设计方法，即著名的Betz设计理论。今天，在进行了一些改进之后，这些基本原理和方法还在为我们所使用。在这之后的时间里，研究工作者在风力发电机的叶片、结构和控制准则等方面进行了不断的研究和发展，进一步推动了风电技术的进步。

第二次世界大战期间，欧洲各国风力发电机技术的发展一度放缓甚至中止。处于北欧的丹麦，由于能源相对匮乏，风电技术得到了相对持续的发展。丹麦人在大量实践的基础上逐渐形成了自己的特色，研发出了“丹麦型”风力发电机。1941年，丹麦的F.L.Smith公司建造了一些双叶片和三叶片风力发电机。这些风力发电机配备的还是直流发电机。20世纪50年代，丹麦工程师J.Juul等开发出世界上第一台交流风力发电机“Vester Egesborg”。1956年，J.Juul为SEAS公司设计建造了著名的Gedser风力发电机，如图1-5所示。该风力发电机为三叶片上风风力发电机，装有额定功率为200kW的异步交流发电机，采用电动偏航和定桨失速控制。为了避免过大的转速和载荷，叶片尖端特别设计了气动制动装置。该风力发电机在没有重大维护的条件下自动运行了11年。该款风力发电机的出现标志着“丹麦型”风力发电机理论的完全形成，其主要特征是异步并网发电机、失速型叶片和尖端气动制动。1975年，美国NASA为了其风能研究项目需要重新测量Gedser风力发电机的相关运行数据，Gedser风力发电机又被重新整修，试运行几年后被拆除。目前它的机舱和叶片陈列在丹麦Bjerringbro电力博物馆。

在同一时期德国的风力发电技术以Ulrich W.Hütter的风力发电机为代表。1957年，Hütter建成了他的原型机。该风力发电机叶轮直径34m，双叶片，功率100kW，采用下风自动偏航设计。在以后的十多年时间里德国建造的许多风力发电机都采用了类似的设计理念，包括以后的GROWIEN风力发电机。该风力发电机首次采用了由玻璃纤维复合材料制造的叶片。由于这种材料良好的力学性能和抗疲劳性能，该类型叶片得到了迅速的推广和使用，极大地促进了风力发电技术的发展。Hütter和GROWIEN风力发电机如图1-6所示。

1941年，美国Smith公司建造了由工程师Putnam设计的大型风力发电机——Smith-Putnam风力发电机，如图1-7所示。该风力发电机叶轮直径53m，逆风偏航设计，配有额定功率为1.25MW的同步发电机。其两个巨大的叶片由不锈钢制成，通过连杆与主轴联接。为了实现转速调节和功率控制，该风力发电机装备了液压变桨距系统。该风力发电机是当时空气动力学研究和机械工艺技术有效结合的产物，代表了当时的技术发展水平。该风力发电机在运行了4年后于1945年因一只叶片折断而停止运行。

第二次世界大战结束后初期，化石能源的价格曾一路走低，风力发电在经济上毫无优势可言，加上欧洲各个国家刚刚摆脱战争的阴影，使得风力发电技术的发展放缓。但在美国一些急需电力的边远地区，小型风力发电机却得到了快速发展。Jacob兄弟开发了著名的Jacobs小型风力发电机，这种风力发电机直径约4m，3个叶片，通过叶轮直接驱动直流发电机，如图1-8所示。1920—1960年，美国生产了上万台功率为1.8～3kW的Jacobs风力发电机。

20世纪70年代连续出现的两次能源危机使得化石原料的价格一路上涨，加上日益严重的环境问题，各个国家开始重新考虑对可再生能源的利用。在美国、丹麦、德国、英国和瑞典等国政府项目的推动下，许多叶轮直径超过60m的大型风力发电机被建立起来用于相关技术的研究和实验验证。具有代表性的有德国的GROWIAN风力发电机（叶轮直径100m，功率3MW），瑞典的WTS3风力发电机（叶轮直径78m，功率3MW），瑞典的AEOLUSWTS7风力发电机（叶轮直径75m，功率2MW），美国的BOEING Mod-2风力发电机（叶轮直径91m，功率2.5MW），GEMod-1风力发电机（叶轮直径61m，功率2MW）等，如图1-9所示。由于缺乏相关的风力发电机建造和运行管理经验以及相关的技术，这些风力发电机没有一个能真正长期运行。但是，在这个过程中，大量的技术和经验被积累下来，为以后的发展奠定了基础。20世纪80年代中后期，欧洲和美洲都继续着大型风力发电机的研发，而以欧洲取得的成就最大。

在大型风力发电机技术探索和发展的同时，成熟的小功率风力发电机（55kW）率先开始大规模应用。最有标志性的是20世纪80年代开始的美国加州风电潮，如图1-10所示。在美国的政策支持下，大量的风力发电机被密密麻麻地布置在加州的山坡上，蔚为壮观。然而，这次风潮并没有持续多久的时间，1985年，美国的支持计划终止后，大规模的风场建设便偃旗息鼓了。

大型风力发电机的商业化阶段在20世纪80年代后才逐渐开始。大规模的商业应用首先出现在北欧（这与该地区的其他能源相对缺乏有关，以丹麦为代表），各种不同概念的风力发电机相继出现，各种商业公司纷纷推出各自的产品，整个市场在群雄逐鹿的过程中成熟起来。伴随着各种优势资源的整合，许多著名的风电厂商在优胜劣汰的竞争中逐渐胜出，水平轴三叶片风力发电机组更是成了商业应用的绝对主流。

风力发电技术已经曲曲折折地发展了100多年。在这100多年里，充满了各式各样的尝试、创新、成功与失败。经过了百年的洗礼，风电技术的应用才逐渐成熟起来。如今德国、丹麦、美国等风电技术先进的国家无论是在风力发电机设计技术上还是在风力发电机运行上都积累了丰富的经验。各种技术路线还在互相借鉴并不断地改进和完善，各种新的概念和技术仍在不断推出并应用于风电领域。陆上风资源已经开发完的德国等风电大国已经开始开发海上风场。我国也已经开始建设海上风场（见图1-11）。