风电行业经过一年多的调整期复苏迹象已经显现，风电整机厂商的订单正在上升，国家电网也表示，在“十二五”期间，并网问题会得到解决，中国风电市场回暖已成定局。根据中国的规划，到2020年，风电的装机容量是200GW，电能结构中风电占5%，这说明中国的风电市场还有巨大的发展空间，也是我国风电企业生存的根本。

随着近年风电场的大力开发，风电场已逐渐从陆上较好风区发展到偏远山区，同时国内外也陆续开发海上风电场，风电机组长期处于无人值守状态，风电机组设计寿命至少为20年，这对风电机组的质量和可靠性提出了很高的要求。在设计阶段通过采用寿命计算、部件冗余设计及运行监测等方法，在制造和装配阶段，采取提高部件和装配质量、进行部件和整机测试等手段，提高机组的质量和可靠性，保证机组在寿命期内的稳定运行。

风电机组的整体设计概述

风电机组的研发涉及叶片设计、载荷计算、传动系统、电气系统、控制系统和支撑结构的设计，专业涵盖空气动力学、数值分析、机械、液压、电气、控制、软件开发、建筑工程、海洋工程等，设计内容包括确定风电机组总体技术参数、叶片设计和载荷计算、传动链的设计、变桨和偏航系统设计、电气系统、控制系统、塔筒和基础设计等。其中叶轮直径、机组布置、传动链、载荷计算、关键部件的研发是设计的关键环节。

为提高发电效率和市场竞争能力，各厂家纷纷推出大叶轮直径的风电机组。在机组布置方面，不同的厂家采用的方案也不尽相同。Gamesa和Vestas风电机组的集成度较高，将变频器、变压器等均放在机舱内，优点体现在电缆布置及控制的实时响应速度方面。考虑到维护的便利性，很多厂家将变压器、变频器放在塔筒底部。

传动链分为直驱、高速和半直驱三种。对于6MW以下机组，高速传动仍是主流机型。高速双馈机组因其技术成熟、性价比高等优点，目前仍被广泛应用。直驱机组采用全功率变频技术，在并网方面具有一定的优势，但在成本及重量方面存在一定的局限性。近年来，在大型机组的设计中，将高速传动和直驱技术相融合的半直驱机组成为了新的发展方向，该方案降低了齿轮箱和发电机的研制难度，但二者如何连接，成为传动链研制的难点。

如何优化机组的设计载荷，是机组零部件设计的关键。大叶轮直径通过采用独立变桨技术，增加塔筒和叶片的阻尼，采取柔性塔筒设计等方式，均能有效降低机组载荷。另外在机组上安装雷达测风装置，实时跟踪和检测来流风速、湍流等参数，也能够有效降低大型机组的载荷。

风电机组功率等级的逐渐提高，增加了机组主要零部件如叶片、齿轮箱、发电机、轴承的研制难度。对于超大型风电机组，采用箱载荷分流技术，传动链多输出、发电机多绕组等设计方法，将成为部件的研究方向。

核心零件的制造

轮毂、机舱底座、主轴、轴承是风电机组主要的承载部件，轮毂通常为铸造件，机舱底座一般是铸造或焊接件，主轴为铸造和锻造件，轴承是锻件，其制造工艺较为复杂。

1. 轮毂

为增加叶片叶尖与塔筒间的净空，轮毂与叶片根部连接的叶片法兰面一般设计成斜面，其加工通常是以主轴法兰面为基准的，这增加了轮毂的加工难度。目前厂家的解决方案是调整机床的工作台，使其倾斜一定角度，这样就能实现一次装夹加工3个斜叶片法兰面，避免使用多自由度高精机床。使用钻模加工法兰面孔，以保证加工精度，提供加工效率。使用的设备有立车、CNC镗床、摇臂钻床等机床设备。

轮毂需经过超声波、射线透照、磁粉、渗液等无损检测，以确保轮毂的铸造质量，避免影响其性能和寿命的缺陷存在。

2. 机舱底座

机舱底座有焊接和铸造两种。焊接机舱底座采用钢板折弯、焊接制造，生产周期短，成本较低。铸造机舱底座一般为球墨铸铁材料，需要开发铸造模具，成本较高，但铸造质量好，并且球墨铸铁具有一定的抗机械冲击能力及减振、抗疲劳性能。焊接机舱底座见图2，铸造机舱底座见图3。

对于焊接机舱底座，其焊接工艺和质量要求极为严格，除焊接后要求进行无损探伤外，还要采用退火时效处理等方式，消除焊接应力，以提高机舱底座的疲劳寿命。大功率机组机舱底座的重量较大，通常需要采用多包浇注，6MW机舱底座需要3个30t铁水包共同浇注。

机舱底座是主轴、主轴承、偏航回转装置的安装和承载部件，制造精度要求高。机舱底座的主要加工面是偏航轴承法兰面，主轴承安装面，发电机支架法兰面，通常使用CNC镗床、摇臂钻床等机床设备加工。

铸造机舱底座也需进行超声波、射线透照、磁粉、渗液等无损检测，以确保机舱底座的铸造质量，避免影响其性能和寿命的缺陷存在。

3. 主轴

风电机组的主轴有锻造和铸造两种。锻造主轴一般是中碳合金钢，材料性能好，大多采用自由锻造。铸造主轴一般是球墨铸铁材料，需要开模具，由于材料机械性能较锻件低，故直径较大，为降低重量，通常采用中空的结构形式（图4）。

主轴锻造晶粒度要求达到6级，按照V级锻件验收。采用的锻造机吨位较大，2MW主轴就采用了3150t的水压机。主轴加工面主要是轴身，轴承安装面，法兰端面，使用数控车镗床。

无论铸造还是锻造主轴均需进行超声波、射线透照、磁粉、渗液等无损检测，以确保主轴的铸造质量，避免影响其性能和寿命的缺陷存在。
整机装配

变桨轴承和偏航轴承的装配基本相同，通过定位孔将轴承安装在机组上，采用高强度螺栓连接。变桨驱动和偏航驱动的装配也是相同的，根据啮合齿轮的侧隙要求调整驱动装置的安装位置，偏航驱动装置较多，需要逐一调整。

主轴装置包括主轴、主轴承及轴承座。一般情况下，轴承是有预紧量要求的。轴承与主轴及轴承座需要匹配，确保轴承具有适当的预紧量。

主轴承一般采用热装，需要根据主轴承的质量、尺寸、材料属性、过盈量等因素确定加热温度及时间。此外，主轴承在安装过程中，随着主轴承温度的逐渐降低，还要多次夹紧轴承压紧装置，确保主轴承在冷却收缩过程中的预紧量。

齿轮箱通常采用涨紧套或高强螺栓与主轴刚性连接，为减少传动链的振动，在齿轮箱两侧设置有减振装置。发电机需要与齿轮箱进行对中，发电机、联轴器的装配通过人工调整。在装配发电机和联轴器时，需要使用对中仪反复调整发电机的安装位置，保证联轴器的装配精度，确保风电机组运行的可靠性。

风电机组的测试包括部件测试和整机测试。叶片的静态和疲劳测试，变桨轴承、主轴承的加载测试，齿轮箱的加载测试，发电机的发电测试是在厂家完成的。整机测试主要是进行变桨系统的测试、轮毂与机舱的通讯及整机的发电测试。通过提高零部件制造和机组装配质量，以及进行风电机组的部件和整机测试，将明显提高风电机组的质量和运行稳定性，减少机组的故障率，保证机组长期运行。

经过多年的实践，中国大功率风电机组技术、关键零部件核心技术已取得突破进展，华锐风电的5MW、6MW风机率先成功下线，并投入运行，湘电和海装的5MW机组、联合动力的6MW机组也已投入运行，在国家相关部门的支持下，10MW风电机组也进入研发阶段。随着机组功率等级的提高，也将推动叶片、齿轮箱、发电机、轴承等关键零部件的研制，为未来风电机技术发展奠定坚实的基础。