财富研究产业掘金——海上风电系列4：风机大型化推动技术迭代，国内轴承市场有望扩容

风力发电机组核心部件，应用场景复杂技术壁垒高。风电轴承是连接机组中传动、偏航和变桨等系统转向的重要部件，主要分为变桨轴承、偏航轴承和传动系统轴承（主轴、齿轮箱及电机轴承）两大类。其上游为原材料供应商，下游方向为风机整机总装厂商和风电场投资运营商。由于风机工作环境非常恶劣，且维修成本较高、难度较大，因此对风机的质量和使用寿命要求极高，作为影响风机寿命和稳定性的关键部件，轴承的技术壁垒高，针对主轴轴承的要求更是需达到无故障运转达13*10小时以上。 八大海外厂商形成垄断，国内风电轴承市场有望持续扩容。目前轴承行业以国外为主导，全球70%以上的轴承市场份额由瑞典SKF、德国Schaeffler、日本NSK等八大厂商占据，国内主要占据中低端市场。 我国风电轴承生产基地大多位于东北、洛阳地区等国有传统重工业基地。在行业政策的支持下，国内轴承企业积极进行轴承技术攻关和自主研发，现在已经实现大部分偏航轴承和变桨轴承的自产自用，仅有大功率主轴轴承的国产化程度较低。 风机大型化趋势确定，国内厂商性价比凸显。风机大型化对轴承的配套能力提出了更高挑战。轴承单MW价值量随着风机功率的增加有显著的提升，国产品牌产品价格相比于进口品牌更具价格优势，而未来风机大型化极大可能会拓宽主轴轴承的市场空间。国内厂商中，偏航变桨轴承和3MW以下的主轴轴承已基本完成国产化，新强联3MW主轴轴承已实现批量生产，5.5MW主轴轴承也已进入样机交付阶段。 轴承迎来技术迭代，独立变桨主流趋势渐显。随着风电机组大型化成为必然趋势，传统的统一变桨轴承已经不能满足要求，独立变桨技术采用三排圆柱滚子轴承，在相同条件下承载能力更高，有望驱动轴承市场扩容。未来5MW以上的机型有望逐步采用独立变桨技术。目前国内存在新强联、成都天马等少数厂商在生产独立变桨轴承，存在较大的市场潜力。 风险提示：下游装机不及预期；产品技术方向发生改变。 1.风电轴承地位重要，行业壁垒较高 1.1.轴承主要包括偏变和传动系统轴承两类 风电轴承是风力发电机组核心部件，被誉为机械装备的关节。其主要功能是连接机组中偏航、传动等系统，支撑旋转轴或其它运动体，并引导其转动或移动，同时需要承受由轴或轴上零件传递而来的载荷。 风力发电机组一般分双馈式、直驱式和半直驱式等，应用轴承数量最多且类型最全的当属传统双馈式风机。 图1双馈式风机内部结构 风电轴承主要分变桨、偏航轴承和传动系统轴承（主轴、齿轮箱及电机轴承）两大类。一般来说，一套风力发电机组的核心轴承含有主轴轴承1-2个、偏航轴承1个、变桨轴承3个、发电机轴承1套和齿轮箱轴承1套。其中，齿轮箱轴承只有在双馈式和半直驱式风电机上有应用，直驱式风机是由主轴直接带动发电机轴旋转，没有齿轮箱。 表1:风电轴承主要分变桨、偏航轴承和传动系统轴承 在风力发电机的各个零部件成本构成中，轴承成本占整机总成本的8%，排名第四位。 图2轴承成本占整机总成本的8% 1.2.风电轴承是产业链中的重要环节 风电轴承位于风电行业产业链上游。风电行业核心产业链由上游原材料供应商以及零部件生产商、中游风机整机总装厂商、下游风电场投资运营商构成。 风电轴承的上游方向为原材料供应商，主要原材料包括轴承钢、陶瓷和塑料等非金属材料、用于保持器的钢板和黄铜等；下游方向为整机总装厂商和风电运营商，运营商包括中央电力集团、中央所属的能源企业、省市自治区所属的电力或能源企业以及港资、民营以及外资企业，四种开发商的市场份额占比分别为65%、15%、15%和5%。 图3风电轴承位于产业链上游 图4风电运营商多为国资背景企业 在轴承的下游应用领域中，风电轴承需求占比排名第五位，占轴承总需求量的6.31%，前三位分别是汽车轴承、电工轴承和机床轴承。 图5风电轴承需求占比排名第五位 1.3.风电轴承使用场景复杂，技术壁垒高 风机通常安装在风能资源比较丰富的地区，例如沙漠和海上等，风沙或者湿度较大，工作环境非常恶劣，风电轴承需要承受的温度、湿度和载荷的变化范围也很大。同时，由于风机通常安装在上百米的高空，日常检测和维护成本较高，一旦发生故障，装卸费用昂贵且修理不便，因此必须有非常高的可靠性，一般要求至少要有20年寿命。 轴承作为风机的核心部件，结构复杂，对设计制造的要求极高，因此轴承对风电机组的安全稳定运行非常重要，其精度、寿命和可靠性对主机的性能和使用寿命起着决定性作用。 由于每个轴承的类型和作用不同，所做出的具体技术要求也不同，其关键技术主要体现在设计、材料、防腐和密封等方面。 表2:不同轴承的技术要求具有一定差异 2.海外企业占领高端市场，国产替代空间广阔 2.1.海外企业起步较早，已形成深厚行业壁垒 八大海外厂商占据全球七成以上轴承市场。全球70%以上的轴承市场份额，由瑞典SKF、德国Schaeffler、日本NSK、日本JTEKT、日本NTN、日本NMB、日本NACHI、美国TIMKEN这四个国家八家大型跨国轴承企业所占据，其中瑞典SKF是全球最大的轴承厂商。高端轴承市场更是被上述企业所垄断，我国目前主要占据轴承行业的中低端市场，本土厂商市场占有率仅20.3%。 表3:八大海外厂商具有深厚积累 图6八大海外厂商呈现垄断格局 2.2.国内风电轴承市场有望持续扩容 相比于海外厂商，我国轴承工业起步较晚。我国轴承工业始于1938年，风电轴承生产基地大多位于传统轴承、齿轮等机械加工工业基地，生产基地主要集中在江苏、河南和辽宁等地。2006年国家发改委提出“风电设备国产化率70%”的目标，在相关政策支持下，国内轴承企业积极进行轴承技术攻关和自主研发，现在已经实现大部分偏航轴承和变桨轴承的自产自用。 图7国内风电轴承市场机遇不断 目前，小功率变桨偏航轴承已实现本土品牌批量规模化生产，国产化程度极高。同时，大功率变桨偏航轴承也在逐步发展，国产化程度同样可观。而主轴轴承由于本身技术壁垒高，国内轴承厂商与国外仍存在明显差距，虽然国产小功率主轴轴承能满足国内市场需求，但大功率主轴轴承依旧不能实现高度自主国产。 图8大功率主轴轴承国产化程度最低 图9变桨轴承国产化率达到86.6% 随着风机大型化演进，风电轴承的加工难度也将持续提升。目前国内厂家能够生产的风电轴承主要集中在2MW及以下，对于3MW及以上风电轴承，由于技术难度高，还处于国产化的起步阶段，进口依赖度较高，中大型轴承本土产量占比不足13%。 2020年开始迎来风电抢装潮，加之欧洲疫情爆发导致风电主轴承供不应求，风电轴承的国产化进程明显加速，本土企业正积极打破国外垄断。 新强联、瓦轴等企业已陆续取得大功率主轴轴承研发突破，并且陆续向齿轮箱轴承领域开拓。随着风机大型化趋势推进，国内风电轴承高端市场有望持续扩容。 3.风机大型化推动技术迭代，价值量不断提高 3.1.主轴轴承价值量持续提升，国产性价比更高 主轴轴承是风电机组中单价最贵、技术壁垒较高的轴承。出于提高效率和降低成本的考虑，风电机组朝着大型化方向迅速发展，这为主轴轴承技术升级带来了挑战。大尺寸意味着更高的载荷，加上转速高、运行时间长，看似只是尺寸的放大，难度却呈几何级增加，同时单MW的价值量也在不断提升。 以瑞典斯凯孚的双馈式机型上的调心滚子轴承为例，斯凯孚的主轴轴承单MW价值量，2.0MW为4.56万元，而4.0MW则是7.30万元，单MW价值量随着功率的增大有显著的提升，因此，未来风机大型化极大可能会扩大主轴轴承的市场空间。 图20主轴轴承单MW价值量随功率增大而提升 国产品牌的价格普遍低于进口品牌，更具价格优势。常见的主轴轴承有三种：调心滚子轴承（SRB）、圆锥滚子轴承（TRB）、三排圆柱滚子轴承（CRB）。其中，调心滚子轴承因规格尺寸不同，价格范围大概在9万~15万元，较进口产品低约40%~50%。圆锥滚子轴承价格在20多万元，比进口产品低20%~30%。而三排圆柱滚子轴承故障率低于国外产品，可完全实现进口替代，价格也比国外产品低20%~30%。 同样以瑞典斯凯孚的双馈式机型上的调心滚子轴承为例，可以看出斯凯孚不同型号的主轴轴承价格要比国内产品贵20%-70%不等，国产产品性价比优势明显。加上运输成本的降低，以及随着专业服务团队技术的提升和经验的不断积累，服务也会占有一定的优势，因此国产产品的市场潜力不可小觑。 图31国产主轴轴承平均价格显著低于海外价格 风电轴承行业进入了高速发展期，大兆瓦产品的国产化亟待突破。新强联3MW主轴轴承已实现大批量生产，并于2021年募资9.35亿元大规模扩产，5.5MW主轴轴承也已进入样机交付阶段。瓦轴的4.X MW主轴轴承也已实现批量生产。成都天马、洛阳LYC、京冶等厂商在风电主轴轴承领域也有一定的技术积累。 表4:大功率风电主轴轴承国产化进展迅速 3.2.独立变桨轴承技术应用预计将成为主流 风机大型化趋势明确，变桨控制技术有望迎来革新。目前多数机组叶片桨距调节方式为统一变桨控制。传统的统一变桨轴承采用的轴承类别为双排四点接触球式结构，这是一种分离型轴承，可承受双向轴向载荷的角接触球轴承，其内、外圈滚道是桃型的截面，当无载荷或是纯径向载荷作用时，钢球和套圈呈现为四点接触。但是由于风机功率的增加直接导致了叶片长度、扫风面积和垂直高度差的增加，当叶片变长后，叶轮上的不均衡载荷会给变桨轴承等风电机组关键部件造成很大疲劳载荷，解决方法就是根据叶片具体情况对每个叶片进行独立变桨控制，从而减小叶轮上的不均衡载荷。 独立变桨主流趋势渐显，采用独立变桨控制技术对轴承性能提出更高要求。独立变桨指每个桨叶的桨距角可以独立调整，因此可以更好地调节风机速度，使发电效率更高。但是采用独立变桨控制技术增加了变桨执行机构的动作幅度，会加快变桨轴承的磨损，从而对轴承性能提出更高要求。因此，独立变桨轴承的结构将从单排、双排、球轴承向承载力更强的三排圆柱滚子轴承转变，单套价值量也有所提升。 图42独立变桨控制原理 表5:国内厂商的独立变桨技术正逐步发展 独立变桨技术是未来风机大型化背景下的发展趋势，未来5MW以上的机型有望逐步采用独立变桨技术。目前只有新强联、成都天马等少数厂商在生产独立变桨轴承，存在较大的市场潜力。