风力发电机组偏航系统详细介绍

偏航系统的作用、种类和组成

偏航系统是风电机组特有的伺服系统。偏航系统的主要作用有两个。其一是与风电机组的控制系统相互配合，使风电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风电机组的发电效率，同时在风向相对固定时能提供必要的锁紧力矩，以保障风电机组的安全运行。其二是由于风电机组可能持续地一个方向偏航，为了保证机组悬垂部分的电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂、失效，在电缆达到设计缠绕值时能自动解除缠绕。

偏航系统的方案有多种，如阻尼式偏航系统、带有偏航制动器的固定式偏航系统、软偏航系统、阻尼自由偏航系统和可控自由偏航系统等。目前应用**为普遍的有两种，一种是采用滑动轴承的阻尼式偏航系统，另一种是采用带有偏航制动器的固定式偏航系统。

偏航系统是由偏航控制机构和偏航驱动机构两大部分组成。其中偏航控制机构包括风向传感器、偏航控制器、解缆传感器等几部分，偏航驱动机构包括偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器（或偏航阻尼装置）等几部分组成。　　偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。偏航系统的主要作用有两个。其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种；主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发电机组来说，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。

　　1．偏航系统的组成

　　偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航液压回路等几个部分组成。偏航系统的一般组成结构见图5。

　　风力发电机组的偏航系统一般有外齿形式和内齿形式两种。偏航驱动装置可以采用电机驱动或液压马达驱动，制动器可以是常闭式或常开式。常开式制动器一般是指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于锁紧状态的制动器；常闭式制动器一般是指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于松开状态的制动器。采用常开式制动器时，偏航系统必须具有偏航定位锁紧装置或防逆传动装置。
　　2.1. 偏航轴承
　　偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上，加工相对来说比较简单；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上，啮合受力效果较好，结构紧凑。具体采用内齿形式或外齿形式应根据机组的具体结构和总体布置进行选择。偏航齿圈的结构简图见图6。风电材料设备

　　图6  偏航齿圈结构简图风电材料设备
　　(1)、偏航齿圈的轮齿强度计算方法参照DIN3990和GB3480《渐开线园柱齿轮承载能力计算方法》及GB6413《渐开线园柱齿轮胶合承载能力计算方法》进行计算。

　　(2)、偏航轴承部分的计算方法参照DIN281或JB/T2300《回转支承》来进行计算，偏航轴承的润滑应使用制造商**的润滑剂和润滑油，轴承必须进行密封。

2.2. 驱动装置
　　驱动装置一般由驱动电机或驱动马达、减速器、传动齿轮、轮齿间隙调整机构等组成。驱动装置的减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联；传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮。传动齿轮的齿面和齿根应采取淬火处理，一般硬度值应达到HRC55~62。驱动装置的结构简图见图7

图7  偏航驱动装置结构简图

　　2.3. 偏航制动器
　　偏航制动器一般采用液压拖动的钳盘式制动器，其结构简图见图8。风电材料设备
　　(1)、偏航制动器是偏航系统中的重要部件，制动器应在额定负载下，制动力矩稳定，其值应不小于设计值。在机组偏航过程中，制动器提供的阻尼力矩应保持平稳，与设计值的偏差应小于5％，制动过程不得有异常噪声。制动器在额定负载下闭合时，制动衬垫和制动盘的贴合面积应不小于设计面积的50％；制动衬垫周边与制动钳体的配合间隙任一处应不大于0.5mm。制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进行自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的稳定。在偏航系统中，制动器可以采用常闭式和常开式两种结构形式，常闭式制动器是在有动力的条件下处于松开状态，常开式制动器则是处于锁紧状态。两种形式相比较并考虑失效保护，一般采用常闭式制动器。
　　(2)、制动盘通常位于塔架或塔架与机舱的适配器上，一般为环状，制动盘的材质应具有足够的强度和韧性，如果采用焊接连接，材质还应具有比较好的可焊性，此外，在机组寿命期内制动盘不应出现疲劳损坏。制动盘的连接、固定必须可靠牢固，表面粗糙度应达到Ra3.2。

　　(3)、制动钳由制动钳体和制动衬块组成。制动钳体一般采用高强度螺栓连接用经过计算的足够的力矩固定于机舱的机架上。制动衬块应由专用的摩擦材料制成，一般**用铜基或铁基粉末冶金材料制成，铜基粉末冶金材料多用于湿式制动器，而铁基粉末冶金材料多用于干式制动器。—般每台风机的偏航制动器都备有2个可以更换的制动衬块。

　　2.4. 偏航计数器

偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置，当偏航系统旋转的圈数达到设计所规定的初级解缆和**解缆圈数时，计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆。计数器一般是一个带控制开关的蜗轮蜗杆装置或是与其相类似的程序。

　　　1．偏航系统的技术要求

　　1.1. 环境条件
在进行偏航系统的设计时，必须考虑的环境条件如下：

　　1). 温度；

　　2). 湿度；

　　3). 阳光辐射；
4). 雨、冰雹、雪和冰； 
5). 化学活性物质； 
6). 机械活动微粒；
7). 盐雾。风电材料设备
8). 近海环境需要考虑附加特殊条件。
 　　应根据典型值或可变条件的限制，确定设计用的气候条件。选择设计值时，应考虑几种气候条件同时出现的可能性。在与年轮周期相对应的正常限制范围内，气候条件的变化应不影响所设计的风力发电机组偏航系统的正常运行。
1.2. 电缆
为保证机组悬垂部分电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂失效，必须使电缆有足够的悬垂量，在设计上要采用冗余设计。电缆悬垂量的多少是根据电缆所允许的扭转角度确定的。
1.3. 阻尼
为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振，偏航系统在机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性力矩来确定。其基本的确定原则为确保风力发电机组在偏航时应动作平稳顺畅不产生振动。只有在阻尼力矩的作用下，机组的风轮才能够定位准确，充分利用风能进行发电。
1.4. 解缆和纽缆保护
解缆和纽缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要功能。偏航系统的偏航动作会导致机舱和塔架之间的连接电缆发生纽绞，所以在偏航系统中应设置与方向有关的计数装置或类似的程序对电缆的纽绞程度进行检测。一般对于主动偏航系统来说，检测装置或类似的程序应在电缆达到规定的纽绞角度之前发解缆信号；对于被动偏航系统检测装置或类似的程序应在电缆达到危险的纽绞角度之前禁止机舱继续同向旋转，并进行人工解缆。偏航系统的解缆一般分为初级解缆和**解缆。初级解缆是在一定的条件下进行的，一般与偏航圈数和风速相关。纽缆保护装置是风力发电机组偏航系统必须具有的装置，这个装置的控制逻辑应具有**别的权限，一旦这个装置被触发，则风力发电机组必须进行紧急停机。
1.5. 偏航转速
对于并网型风力发电机组的运行状态来说，风轮轴和叶片轴在机组的正常运行时不可避免的产生陀螺力矩，这个力矩过大将对风力发电机组的寿命和安全造成影响。为减少这个力矩对风力发电机组的影响，偏航系统的偏航转速应根据风力发电机组功率的大小通过偏航系统力学分析来确定。根据实际生产和目前国内已安装的机型的实际状况，偏航系统的偏航转速的**值见表5。

表5偏航转速**值w

　　1.6. 偏航液压系统

　　并网型风力发电机组的偏航系统一般都设有液压装置，液压装置的作用是拖动偏航制动器松开或锁紧。一般液压管路应采用无缝钢管制成，柔性管路连接部分应采用合适的高压软管。螺接管路连接组件应通过试验保证偏航系统所要求的密封和承受工作中出现的动载荷。液压元器件的设计、选型和布置应符合液压装置的有关具体规定和要求。液压管路应能够保持清洁并具有良好的抗氧化性能。液压系统在额定的工作压力下不应出现渗漏现象。

　　1.7. 偏航制动器

　　采用齿轮驱动的偏航系统时，为避免振荡的风向变化，引起偏航轮齿产生交变负荷，应采用偏航制动器（或称偏航阻尼器）来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿轮的交变应力引起轮齿过早损伤。对于由风向冲击叶片或风轮产生偏航力矩的装置，应经试验证实其有效性。

　　1.8. 偏航计数器

　　偏航系统中都设有偏航计数器，偏航计数器的作用是用来记录偏航系统所运转的圈数，当偏航系统的偏航圈数达到计数器的设定条件时，则触发自动解缆动作，机组进行自动解缆并复位。计数器的设定条件是根据机组悬垂部分电缆的允许扭转角度来确定的，其原则是要小于电缆所允许扭转的角度。

　　1.9. 润滑

　　偏航系统必须设置润滑装置，以保证驱动齿轮和偏航齿圈的润滑。目前国内的机组的偏航系统一般都采用润滑脂和润滑油相结合的润滑方式，定期更换润滑油和润滑脂。

　　1.10. 密封

　　偏航系统必须采取密封措施，以保证系统内的清结和相邻部件之间的运动不会产生有害的影响。

　　1.11. 表面防腐处理

　　偏航系统各组成部件的表面处理必须适应风力发电机组的工作环境。风力发电机组比较典型的工作环境除风况之外，其他环境（气候）条件如热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用应加以考虑。　五、纽缆保护装置
　　纽缆保护装置是偏航系统必须具有的装置，它是出于失效保护的目的而安装在偏航系统中的。它的作用是在偏航系统的偏航动作失效后，电缆的纽绞达到威胁机组安全运行的程度而触发该装置，使机组进行紧急停机。一般情况下，这个装置是独立于控制系统的，一旦这个装置被触发，则机组必须进行紧急停机。
　　3．偏航系统的维护
　　3.1. 偏航系统零部件的维护
　　（1）、偏航制动器风电材料设备
　　（2）、偏航轴承
　　（3）、偏航驱动装置
　　3.2. 偏航系统的维修和保养
　　4．偏航系统的常见故障
　　4.1. 齿圈齿面磨损风电材料设备
　　原因：
　　齿轮副的长期啮合运转；
　　相互啮合的齿轮副齿侧间隙中渗入杂质；

　　润滑油或润滑脂严重缺失使齿轮副处于干摩擦状态。
　　4.2. 液压管路渗漏
　　原因：
　　管路接头松动或损坏；
　　密封件损坏。
　　4.3. 偏航压力不稳
　　原因：
　　液压管路出现渗漏；
　　液压系统的保压蓄能装置出现故障；
　　液压系统元器件损坏。

　　4.4. 异常噪声

　　原因：风电材料设备
　　润滑油或润滑脂严重缺失；

　　偏航阻尼力矩过大；

　　齿轮副轮齿损坏；

　　偏航驱动装置中油位过低。

　　4.5. 偏航定位不准确

　　原因：
　　风向标信号不准确；

　　偏航系统的阻尼力矩过大或过小；

　　偏航制动力矩达不到机组的设计值；
　　偏航系统的偏航齿圈与偏航驱动装置的齿轮之间的齿侧间隙过大。

　　4.6. 偏航计数器故障
　　原因：

　　连接螺栓松动；

　　异物侵入；

　　连接电缆损坏；

　　磨损。