市场化时代，如何挖掘风电传动链性能极致

当风电全部实现市场化，市场到底需要什么样的风电机组？不同的人会给出不同的答案，其中最多被提及的，是需要成本可控且可靠性更高的产品。

新能源全量入市新政“136号文”的出台，意味着风电不再拥有以往的固定电价，而是随市场价格波动。

“如何在电价高时稳定发电变得至关重要。随着单机功率越来越大，一台机组出现故障，会带来比以往更大的损失，尤其是在电价高时，无法发电损失将更大。”远景能源风机产品开发管理负责人、风机产品线副总经理杨亚文认为。

全面市场化还会在一定程度上导致电价下行。风电项目的投资成本，特别是其最重要的组成部分之一，风电机组制造成本，也需要得到有效控制。

作为将风能转化为电能的核心系统，由主轴系、齿轮箱、发电机等关键零部件构成的传动链，也被誉为风电机组的心脏。这三大部件需要相互高效配合进行能量转化，运作过程颇为复杂，对风电机组的可靠运行影响至深。因而，传动链技术水平的高低，直接决定了机组的性能优劣。它的每一次革新，也将深刻影响风电技术走向。

三种方案提升传动链集成度

按照第一性原理，传动链集成的意义是去掉不创造价值的零件，缩短两个部件之间的空间，降低系统重量、体积。

目前我国风电机组的传动链集成方式分为三种：一是低速集成，二是高速集成，三是全集成。

其中低速集成是指主轴系统和齿轮箱低速部分集成在一起。也就是说，要将由两个TRB（圆锥滚子轴承）+主轴+轴承座所组成的低速主轴系统与齿轮箱合二为一，将齿圈直接固定在主轴轴承座上，行星架直接固定在主轴上。

对于叶轮直径在200m以上的风电机组，采用低速集成方案的可靠性会更高，

这意味着10MW以上的风电机组都适合采用低速集成方案。

高速集成则是齿轮箱高速输出部分与发电机之间的集成化。当机组单机容量达到15MW及以上时，高速发电机的轴承、齿轮箱联轴器和轴承都将面临较大挑战。因此此类

高速集成方案，大多用于15MW以上的机型，具备较高的系统可靠性。

“至少未来五年，我们认为陆上12—15MW级别机组低速集成、高速不集成的双馈方案从可靠性、可交付性更具有综合竞争力。”杨亚文说。

全集成则是指传动链的低速与高速端都实现了集成。杨亚文认为，全集成传动链将成为未来海上大兆瓦风电技术发展的大趋势，尤其当未来深远海市场打开后，采用全集成传动链的中速永磁技术路线，将成为15MW以上的海上大容量机型的最优方案。

目前我国已有多家整机企业推出了全集成传动链风电机组。以远景能源为例，其“Model Z Pro海上大兆瓦风机平台”最新下线的EN-272/16.7MW机型，正是全集成传动链产品。

“2022年，远景成功开发出中国首个原生态低速集成式高速双馈大兆瓦传动链，已在远景陆上Model T平台机组稳定运行三年；2023年，高速集成传动链技术也已在远景Model Z海上机组得到充分验证。”

杨亚文说：“对于全集成传动链，远景采用了较为稳妥的方式，对高低速集成技术都摸索得比较成熟后，才推向市场。”

传动链的集成化发展，也改变了风电机组的装配方式。以前的关键零部件相互独立，制造方式犹如搭积木，生产厂商不一定需要具备技术深度的穿透能力和精细的装配能力。以低速集成为例，如今的情况是如果缺少了低速主轴，齿轮箱都已无法独立安装和测试，因为很多部件需要直接固定在低速主轴系统上，需要将低速主轴和齿轮箱都在齿轮箱工厂中进行装配和出厂测试，才能保证其在风场的可靠性。高速集成也是一样的道理，需要将齿轮箱与发电机放在同一个工厂中进行集成测试。这都要求企业具备更深度的关键零部件整合能力。

两个环节增强齿轮箱扭矩密度

“传动链的中间部分是齿轮箱，我们对传动链的优化以齿轮箱为中心。”杨亚文介绍，如果齿轮箱的体积更小，重量更轻，就会提高整个传动链甚至风机系统的竞争力。杨亚文

进一步解释，首先，低速主轴承担了齿轮箱、发动机的部分重量和载荷，因此当齿轮箱变小，主轴的载荷也会有所减少。其次，齿轮箱更小后，相应连接部件的接口也可以做小，更易应对运输过程中的限高限宽限重。

在追求齿轮箱轻量化的过程中，业内将扭矩密度作为核心衡量标准。扭矩密度等于扭矩除以重量，也就是指每1kg重量所能够传递的载荷。换言之，在载荷相同的情况下，齿轮箱扭矩密度越高，重量和体积就会更小。

齿轮箱扭矩密度近年来进步明显。5年前，当我国风电机组单机容量在2MW时，采用两级行星齿轮箱，扭矩密度在140N·m/kg左右。如今业内三级行星齿轮箱的扭矩密度普遍达到了250N·m/kg—260N·m/kg，个别厂家的产品参数会更高。据杨亚文判断，未来出现300N·m/kg扭矩密度的齿轮箱将是大概率事件。

对于如何进一步提升齿轮箱扭矩密度，杨亚文认为，首先是要提升材料性能与检测标准。他以远景能源自研自制齿轮箱的研发为例介绍：“我们超越现有标准，建立了一个比国际标准更严格的远景标准。比如齿轮箱齿轮和轴承失效往往起源于材料缺陷，为此远景在5年前就引入EVA材料缺陷评估方法，检测标准比欧洲最高标准还要高一倍为达到标准，远景的齿轮箱钢材均采用非标定制。”

除材料性能外，进一步提升齿轮箱扭矩密度，还需要对齿轮箱结构与制造精度进行优化。

“远景计算过扭矩密度，2—4MW齿轮箱可以使用两级行星轴+3到4个行星轮的结构，但到6MW时我们打破了传统方式，采用了两级行星轴+5个行星轮的结构，扭矩密度提升明显。后来我们又做了7—8个行星轮的设计，当前也在探索9-10个行星轮的技术。”杨亚文表示：“我们在研发新型齿轮箱的过程中，处处体现了‘大胆假设，小心验证’。”

在努力将齿轮箱的重量做到更小的过程中，远景能源的研发人员发现了一个问题，就是虽然滚动轴承也可以用在8个行星轮的齿轮箱中，但随着齿轮箱轴承越来越大，滚子重量也会持续增大，滚子打滑的风险会增加。而滑动轴承的应用可以解决这一问题。

系统级优化让这一切成为可能

为在进一步提升传动链紧凑性和齿轮箱扭矩密度的同时，令机组运行得更加可靠，整机企业必须具备系统级优化的能力。

以齿轮箱为例，由于它会传递载荷，而载荷来自风电机组的控制逻辑、叶片及外部载荷，如果研发人员可以根据外部载荷量身定制齿轮箱，就可以做出“不肥不瘦”，不冗余也没有短板的齿轮箱。

但这样的系统级优化非常复杂，不但需要了解齿轮箱的轴承、齿轮，又要清楚低速主轴、机舱地板设计，更要懂得机组载荷控制。

因此，在传动链系统的层面，“如果想把集成做得很有优势，具有强竞争力的话，就要从系统上考虑原材料等级、结构设计水平、制造与装配精度、清洁度、系统优化、设计系统的测试等，在每个维度都要做到极致，最终实现传动链系统最优。”杨亚文认为：

“如果不具备对整机系统和部件之间关联性的深刻认知，即使外购再优秀品牌的独立部件，也无法避免出现失效或冗余问题。”

在各方面专家的经验汇集形成技术方案乃至新产品时，系统级验证也是必不可少的环节。

例如，当齿轮箱做到了极致，就必须要从不同维度考虑可靠性问题。一是从材料方面做各种性能测试验证，每种材料都要去本体取样。二是不能只单独测齿轮箱，因为传动链是集成在一起的，所以主轴的极限弯矩、极限扭矩、疲劳载荷等都要测试，包括低电压穿越、脱电脱网、故障维修等各种工况都要在样机测试中考虑到。

“所以远景的测试远超行业测试标准，几乎等于把20年的载荷都整合到测试台，如果产品通过了如此严苛的测试，那我们认为它在风场运行20年也没问题。”杨亚文自信地表示。

事实证明，远景能源通过多年努力，在真正穿透从零件、部件到系统的传动链技术、测试与生产能力后，其产品可靠性和市场数据相当亮眼。

以齿轮箱为例，该公司于2018年11月推出了首台自研2MW齿轮箱，到2025年9月已实现了第10000台自研自制齿轮箱下线。其中有6500台齿轮箱并网发电，海上运行的超过了100台，国内市场最长运行时间超过6年6个月，国际市场运行时间最长超过了3年8个月。在这些已经投运的齿轮箱中，至今没有发生过一起因原材料非金属夹杂缺陷导致的故障，整体失效率远低于行业最低水平。

两个月前，远景能源第一万台自研自制齿轮箱下线仪式在江阴远景传动链工厂举行，远景能源高级副总裁、首席产品官、风机与装备产品平台总裁娄益民表示，

远景自研自制齿轮箱（EnG）从无到有，用7年时间逐步实现了从0到10000的历史性跳跃，既是远景深度制造的“数字里程碑”，也是中国制造的“信心丰碑”，为中国制造大步走向全球奠定了坚实基础。

更值得关注的是，远景在这个过程中还实现了年自制齿轮箱5000台/年的生产交付能力并且还会持续增加，这个产能已能够排到全球第二，意味着这家整机商又增加了“全球齿轮箱制造头部企业”的身份。（来源：《风能》杂志，文：赵靓）