望江工业宋永乐：齿轮箱是机组迭代降本的关键一环

王芳

重庆望江工业有限公司（以下简称“望江工业”）风电产业总工程师，国家特聘专家，中国齿轮协会专家委员会委员，中国可再生能源学会风能专业委员会委员，研究员级高级工程师，重庆大学兼职教授，博士生导师。英国机械工程师院院士（FIMechE）和工业顾问（IndustrialAdvisor），英国工程院注册工程师（CEng）。

随着风电平价时代的来临，压力也传导至设备厂商。要提高齿轮箱的可靠性与技术水平，战略定位、技术创新、产业链合作，都要做出相应的调整。

保障市场需求，推动持续发展

《风能》：齿轮箱在风电中占据怎样重要的地位？从目前看，带齿轮箱和不带齿轮箱的机组发展状况如何？随着平价时代的来临，齿轮箱的地位会发生怎样的变化？

宋永乐：齿轮箱是风电机组中应用很广泛的一个重要机械部件，其主要功用是将叶轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。齿轮箱承受来自叶轮的作用力和齿轮传动时产生的反力，必须具有足够的承载能力去承受力和力矩的作用，保证传动质量。主流的风电机组大致可以分为带齿轮箱和不带齿轮箱两大类。大家平时在风电场看到的风电机组，叶轮转得很慢，如果用通常的风电机组发电，就需要通过齿轮箱来增速，从而满足发电机发电的转速要求。风电机组中，双馈机组、高速或中速永磁机组是带齿轮箱的风电机组：直驱机组是不带齿轮箱的机组，特点是发电机转速低，发电机需要多电磁极设计。

过去大家经常问到的一个问题：风电机组是直驱的好，还是双馈的好？或者直驱的和带齿轮箱的风电机组哪个更有优势？实际上全球业界也经常争论这个问题。从风电机组的发展历史看，在不同的时期二者各有优劣。早期的风电机组带齿轮箱，但是由于在早期的风电机组系统中工况及设计经验都不足，所以齿轮箱的故障率偏高，齿轮箱成了风电机组中最薄弱的一环。为了克服这个缺陷，有的风电机组厂商选择了直驱方案，直驱不用齿轮箱，叶轮直接驱动发电机，避开了齿轮箱的薄弱环节，但是要考虑发电机重量的增加，以及成本的增加。

从市场份额看，带齿轮箱的机组占主流，随着风电机组实际工况数据库的完善，整机设计技术及控制技术的提高和齿轮箱设计与制造技术的进步，齿轮箱的故障率逐年降低。根据英国GH公司的全球故障率统计，近年来，齿轮箱已摘掉风电机组中故障率最高的部件的帽子，被电气部件取代了。从中国的市场来看，齿轮箱制造技术进步很大，可靠性逐年提高。将来风电机组市场如何演变取决于齿轮箱的可靠性，取决于齿轮的制造水平。如果齿轮箱的可靠性提升快，未来带齿轮箱的机组的成本优势会凸显出来。尤其在中国风电市场的竞争中，价格是个很大的因素，将来平价上网后，成本问题将非常突出，而齿轮箱是降低风电机组成本非常关键的一环。随着国内大型齿轮箱设计制造技术的进步，齿轮箱可靠性会大大提高，预计将来在风电机组市场占据绝对份额的状况会继续保持或提高。

《风能》：您认为。国际和国内齿轮箱制造行业有哪些共同的发展趋势？而国内又呈现出哪些特殊性呢？

宋永乐：目前国际和国内风电齿轮箱行业的共同趋势主要是向大兆瓦、向海上风电发展，要求风电机组具有更高的可靠性、更高的功率密度、更低的成本。

国内情况比较特殊，面临的成本压力非常大。由于平价/竞价上网的国家政策导向，风电行业都在想方设法降低成本。从技术上看，过去整机厂商设计风电机组时，会特别考虑如何保护齿轮箱免受意外的载荷冲击，在布局时，让齿轮箱仅受到纯扭矩作用，这样齿轮箱所受的载荷明确，设计的挑战性小。但近年来，较多的整机厂商在成本压力下，在机组布局中也把压力传导到齿轮箱身上。举个例子，有较多的整机厂在设计传动链时提出把主轴的两个主轴承去掉一个，这样就从过去的4点支撑变为3点支撑，齿轮箱就不光要承受扭矩，还要承受过去主轴承受的弯矩，行星架和齿圈都要直接承受轮毂传过来的6个自由度的载荷，而不是过去只有扭矩一个自由度的载荷，这样的布局对齿轮箱的设计提出了更高的要求。

加强基础研究，推动技术创新

《风能》：在发展风电之时。望江工业在风电齿轮箱制造上有哪些已有优势和基础？在技术上有哪些突破？

宋永乐：望江工业是具有80多年军工底蕴的大型央企，是大型特种重型机械的制造基地，长期拥有大型装备研发、制造、系统集成和质量保障的雄厚实力。风电齿轮箱是公司的核心主业，并得到集团公司——中国兵器装备集团的鼎力支持，风电齿轮箱被确定为公司长远发展的战略性产业。公司拥有国家级特聘专家领衔的创新技术团队，设计团队在英国和挪威全面参与过齿轮箱项目设计与培训，拥有国际领先的大兆瓦级齿轮箱设计研发平台，完全掌握风电齿轮箱的先进设计方法和手段，已先后完全自主研发了1.5MW、2MW、2.5MW、3.0MW、3.6 MW、4 MW、5 MW及6.2MW风电齿轮箱，产品分布19个省（市）不同工况的风电场，其中2013年设计的5MW海上风电齿轮箱，是当时国内第一台自主设计并通过GL认证的5MW风电齿轮箱，运行性能优异，重量与国际同类齿轮箱相当，比国内同行齿轮箱轻10%以上，现已无故障安全运行超过6年，并已实现批量生产。

《风能》：为推动技术创新。公司采取了哪些有效机制？

宋永乐：为推动技术创新，公司积极鼓励技术团队开展技术研究、技术储备，同时也不断提高技术人员的实际水平。目前公司立项开展技术创新型基础研究，例如齿轮微点蚀防止的技术、磨削加工及检测技术的提高、齿轮热处理性能提升的工艺研究等;开展8-10MW齿轮箱研发，应用新型技术：建立博士后科研工作站，与重庆大学机械传动国家重点实验室联合成立风电研究中心，加强与高校联合开展科研项目，例如紧凑型齿轮箱研究、高性能齿轮制造研究等，加强新技术、新材料、新工艺、新设备“四新技术”的研究和应用。在人才引进机制方面，特聘行业内优秀的人才加盟：同时推出技术人才的激励机制，包括重大节点奖励及批产销售提成等。充分调动设计及制造團队的主动性和积极性。

适应平价压力，坚定核心业务

《风能》：随着平价时代的来临。低成本、高质量、轻量化的市场需求带来新的竞争。设备厂商面临哪些压力？

宋永乐：面临多方面的压力，一是设计方面，要面向成本和可靠性，传统的设计方法已经越来越难以满足市场竞争的需求，急需新的技术突破：二是制造方面，高功率密度要求零部件尺寸尽可能小、精度尽可能高，而国内原材料质量相对较国外低，制造工艺必须提升，特别是热处理工艺;三是资金压力，平价时代更要快速响应客户，需要快速的资金周转能力。

《风能》：在面对这些变化和趋势时。望江工业有哪些战略调整和应对举措？

宋永乐：面对这些变化和趋势，望江工业始终坚定将齿轮箱作为核心主业的长远发展战略定位。

在保有现在市场的前提下，望江工业充分发挥风电齿轮箱设计团队的技术优势，积极探索预研8～10MW创新型布局及新技术的运用，设计出新型大兆瓦海上风电齿轮箱，具有高可靠性，低成本，维护成本低的高端重载齿轮箱。同时公司不断投巨资进行制造与安装技术的研究，提高热处理工艺、磨削工艺，先进的安装工艺，为将来大兆瓦齿轮箱研制和批量生产打下坚实的工艺技术基础。产业链紧密合作，形成利益共同体

《风能》：风电具有高集成性的特点。您认为。应如何加强产业链的聚合力？

宋永乐：风电齿轮箱产品开发需要面向全生命周期，面向整机客户，适应最终用户，了解客户需求，提出针对性、系统性的解决方案。过去整机厂商的设计和部件厂商的设计基本分开，联系不够紧密。望江工业基于三维数字化研发平台的精益研发体系，加强与整机企业的协同研发，坚持将齿轮箱设计纳入整机系统考虑，强化风电机组传动链匹配性设计与优化。整机和关键部件供应商应紧密合作，齿轮箱是整个风电机组传动链中的关键一环，齿轮箱设计的好坏直接影响整个风电机组的质量：反过来，整机传动链的设计也影响齿轮箱的运行。举个例子，风电机组中，振动设计控制是很关键的一个环节，风电机组转动时，当叶片经过塔筒重叠时，扭矩会突变，叫做塔筒阴影效应，这就会有一个扭转振动激励，在齿轮箱设计时就要避开这种激励，同时齿轮箱转动过程中，也会产生齿轮误差引起的啮合激励，整机设计也要检查避开这些激励，否则风电机组振动就会很大。齿轮箱开发中，也需要与供应链厂商保持紧密协同，例如轴承，综合考虑可靠性、成本、交货期：开发的后期需要收集信息，建立完善的应用数据库，做好改进优化工作，使产品更加可靠，维护更容易，并做好齿轮箱运维后市场的开拓。

在实践过程中，有的风电机组整机厂已深刻认识到这一点，合作非常紧密，目标是一起提高整机的可靠性，同时降低成本，但我们也遇到过有的整机厂信息分享不充分，对提高其风电机组的整体技术非常不利。我们希望将来整机厂商和核心零部件供应商之间能紧密合作，致力于形成利益共同体，建立战略合作伙伴关系，优化供应商管理体系，这样对我国风电整机技术水平的提高会有很大的幫助。