风电机组的偏航系统及发展趋势

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。风电机组的偏航系统及发展趋势

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。

采用滑动轴承的阻尼式偏航系统

滑动轴承的偏航系统是阻尼型的偏航系统。该轴承处于塔架与机舱之间，它把各种力通过轴瓦从机舱传到塔架。滑动轴承的轴瓦大多是用工程塑料制成，这种材料（如PETP，它比尼龙更好）具有良好的综合性能，包括力学性能，耐热性，耐磨性，耐化学品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易加工，较好的耐腐蚀性。由于这种材料具有特有的机械性能，使得这种轴承即使在缺少润滑的情况下也能工作。轴瓦由轴向上推力瓦、径向推力瓦和轴向下推力瓦组成。分别用来承受机舱和风轮重量产生的平行于塔筒方向的轴向力，风轮传递给机舱的垂直于塔筒方向的径向力和机舱的倾覆力矩。从而将机舱受到的各种力和力矩通过这三种轴瓦传递到塔架。

滑动轴承阻尼式偏航系统的结构如图1所示。

    图中1、偏航电动机，2、偏航减速器，3、偏航卡钳，4、偏航小齿轮，5、塔架。

偏航减速器一般为立式行星减速器或行星/蜗杆减速器，其端部的小齿轮与偏航大齿圈啮合，通过电机驱动，实现偏航对风或解缆。

偏航卡钳是偏航部件中比较重要和结构较为复杂的部件（图2）：

1、机舱底盘，2、卡钳与机舱底盘的固定螺栓，3、轴向下推力瓦的固定螺栓，4、轴向下推力瓦，5、径向推力瓦，6、径向推力瓦的固定螺栓，7、防尘橡胶圈，8、塔架与偏航摩擦盘及大齿圈的连接螺栓，9、卡钳内的碟形弹簧，10、卡钳调整螺栓，11、轴向上推力瓦，12、偏航卡钳，13、大齿圈。

偏航卡钳不是一个，如在V52-850kW风电机组上共有四组。轴向上推力瓦起到滑动轴承的作用并承担机舱的重量和机组运行中向下的轴向力。径向推力瓦起到滑动轴承的作用并承担机舱与塔架运行中径向力。轴向下推力瓦起到滑动轴承的作用并承受一定的倾覆力矩。

为避免风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等来确定。其基本的确定原则是确保风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。

滑动轴承的偏航系统优点是成本较低，维护方便；采用具有自润滑功能的滑动轴瓦支承方式，不需额外的润滑系统及低速液压制动器，无漏油现象。缺点是结构相对复杂；维护工作量较大；摩擦阻尼力矩较大，这是因为要使对风保持稳定，避免振动，必须有足够的摩擦阻尼力矩，偏航对风时必须克服此摩擦力矩，也就是说，在极限偏航载荷下，有可能机舱滑动。这种偏航系统有时会出现以下故障：

如偏航电机过热（在冬季经常发生），减速器齿轮损坏，轴向下推力瓦损坏，轴向上推力瓦脱落和断角，偏航卡钳调整螺栓断裂，径向推力瓦脱落等。

风电机组偏航系统采用滑动轴承的比较普遍。例如，国外VESTAS公司的V42-600kW，V52-850kW；GAMESA公司的G52-850kW；SUZLON公司的S.60-1000kW，S.66-1250kW，S.88-2MW；ZOND公司的Z-48750kW。我国华锐公司的SL1500-1.5MW（Fuhrlander技术 ），沈鼓2MW（Windtec技术）都是采用此类偏航系统。

采用滚动轴承带有偏航制动器的固定式偏航系统采用带有偏航制动器的偏航系统是固定型的偏航系统。该轴承处于塔架与机舱之间，滚动轴承把各种力从机舱传到塔架。安装的偏航制动系统，作用在环形制动盘上，提供多个液压制动器，1.5MW的风电机组上就有6个制动器，用来阻止在各种情况下不希望的偏航运动，制动器上的衬垫是用有机材料制成。这种材料要具有稳定的摩擦系数、低磨损率、耐高温。

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。

　　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。采用带有偏航制动器的固定式偏航系统的结构如图3所示。

图中1 、偏航电动机，2、偏航减速器，3、偏航小齿轮，4、液压制动器，5、塔架，6、偏航摩擦盘，7、大齿圈，8、机舱底盘。

偏航减速器一般为立式行星减速器，其端部的小齿轮与偏航大齿圈啮合，通过电机驱动，实现偏航对风或解缆。偏航制动器需要提供液压源和控制装置。在制动状态，工作油压较高可使机舱固定不动，当偏航对风时，制动器由制动状态转变为具有20-30bar背压的阻尼状态，所以运动是平稳的。当在规定的气候条件下，要求电缆解缆时，制动器改变为松闸状态，此时机舱整圈反转并解缆。

滚动轴承的偏航系统优点是结构简单，对风可靠和无滑动，便于维护；偏航对风时摩擦阻尼力矩不大，对风平稳。缺点是成本较高。

这种偏航系统有时会出现密封漏油和噪声：当摩擦材料配料不均，摩擦副材料不匹配，工作时会引起振动，导致噪声；多次偏航使摩擦表面局部磨损，或制动钳安装不平行，导致局部摩擦力增大，出现噪声。密封圈受热老化，进而影响密封圈寿命，制动器密封一旦破坏，会出现漏油，影响偏航制动力，同时摩擦表面会沾上油污，偏航转动后，摩擦片表面形成釉光层，导致摩擦系数下降，制动效果变差，。选用高质量制动器，精心制造和安装偏航系统各部件，上述问题完全可以解决。目前我国安装的风机其偏航制动器大多数为国外进口，使用国内生产的偏航制动器约为20%以下，其中主要是焦作瑞塞尔盘式制动器有限公司生产，该公司与风电市场对接十余年来，已形成了规模化生产，产品经近十年的市场考验，能满足使用要求，可以替代进口。

现代大型风电机组偏航系统采用带有制动器的滚动轴承固定式偏航非常普遍。例如，国外REpower公司的MD77-1.5MW，REpower 5M-5MW；Nordex公司的N60-1300kW，GE公司的GE-1.5s -1.5MW，GEWindenergy 3.6MW；:Dewind公司的D6-1MW，D 8 - 2MW。国产风力机中，沈工大1.5MW、2MW及3MW（已转让20余家），华创1.5MW、东汽1.5MW及3MW、华锐3MW都是采用此类偏航系统。

关于偏航驱动装置的功率问题。风电机组在运行过程中，当调向对风时，偏航驱动装置的功率应能克服偏航阻力矩M。而在计算偏航阻力矩时应考虑到如下几方面：

M=Mf+Mw+Mp+Mz+Mtv·com

式中：Mf- -回转支承的摩擦阻力矩；Mw--风压作用于风轮和机舱上所引起的风阻力矩；Mp--当偏航启动时，由机组中惯性力矩所引起的惯性阻力矩；Mz--由阻尼机构引起的阻尼力矩；Mtv--由于风轮主轴的倾角所产生的扭矩分量引起的偏航阻力矩。

例如，1.5MW固定式滚动轴承偏航，其Mf和Mz的总合为M值的40%-50%，如果采用阻尼式滑动轴承偏航，Mf将减少，而Mz将增大，**终对偏航驱动装置的功率影响并不大。

    关于液压系统的问题。固定式偏航中，偏航制动器与高速轴制动器组成一个液压系统（液压站）。即使是阻尼式偏航，高速轴制动也需要有一个液压系统（液压站）。

发展趋势

目前和今后，固定式偏航仍然是主流。我国自主研制的机型大多数为固定式偏航，特别是3MW及3MW以上大型机组都为固定式偏航。