風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)詳細(xì)介紹
偏航系統(tǒng)是水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必不可少的組成系統(tǒng)之一。偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個。其一是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運行。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)一般分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)。被動偏航指的是依靠風(fēng)力通過相關(guān)機(jī)構(gòu)完成機(jī)組風(fēng)輪對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有尾舵、舵輪和下風(fēng)向三種；主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動兩種形式。對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。
1．偏航系統(tǒng)的技術(shù)要求
1.1. 環(huán)境條件
在進(jìn)行偏航系統(tǒng)的設(shè)計時，必須考慮的環(huán)境條件如下：
1). 溫度；
2). 濕度；
3). 陽光輻射；
4). 雨、冰雹、雪和冰；
5). 化學(xué)活性物質(zhì)；
6). 機(jī)械活動微粒；
7). 鹽霧。
8). 近海環(huán)境需要考慮附加特殊條件。
應(yīng)根據(jù)典型值或可變條件的限制，確定設(shè)計用的氣候條件。選擇設(shè)計值時，應(yīng)考慮幾種氣候條件同時出現(xiàn)的可能性。在與年輪周期相對應(yīng)的正常限制范圍內(nèi)，氣候條件的變化應(yīng)不影響所設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的正常運行。
1.2. 電纜
為保證機(jī)組懸垂部分電纜不至于產(chǎn)生過度的紐絞而使電纜斷裂失效，必須使電纜有足夠的懸垂量，在設(shè)計上要采用冗余設(shè)計。電纜懸垂量的多少是根據(jù)電纜所允許的扭轉(zhuǎn)角度確定的。
1.3. 阻尼
為避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動而造成整機(jī)的共振，偏航系統(tǒng)在機(jī)組偏航時必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據(jù)機(jī)艙和風(fēng)輪質(zhì)量總和的慣性力矩來確定。其基本的確定原則為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航時應(yīng)動作平穩(wěn)順暢不產(chǎn)生振動。只有在阻尼力矩的作用下，機(jī)組的風(fēng)輪才能夠定位準(zhǔn)確，充分利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電。
1.4. 解纜和紐纜保護(hù)
解纜和紐纜保護(hù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)所必須具有的主要功能。偏航系統(tǒng)的偏航動作會導(dǎo)致機(jī)艙和塔架之間的連接電纜發(fā)生紐絞，所以在偏航系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置與方向有關(guān)的計數(shù)裝置或類似的程序?qū)﹄娎|的紐絞程度進(jìn)行檢測。一般對于主動偏航系統(tǒng)來說，檢測裝置或類似的程序應(yīng)在電纜達(dá)到規(guī)定的紐絞角度之前發(fā)解纜信號；對于被動偏航系統(tǒng)檢測裝置或類似的程序應(yīng)在電纜達(dá)到危險的紐絞角度之前禁止機(jī)艙繼續(xù)同向旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行人工解纜。偏航系統(tǒng)的解纜一般分為初級解纜和終極解纜。初級解纜是在一定的條件下進(jìn)行的，一般與偏航圈數(shù)和風(fēng)速相關(guān)。紐纜保護(hù)裝置是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)必須具有的裝置，這個裝置的控制邏輯應(yīng)具有最高級別的權(quán)限，一旦這個裝置被觸發(fā)，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須進(jìn)行緊急停機(jī)。
1.5. 偏航轉(zhuǎn)速
對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運行狀態(tài)來說，風(fēng)輪軸和葉片軸在機(jī)組的正常運行時不可避免的產(chǎn)生陀螺力矩，這個力矩過大將對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的壽命和安全造成影響。為減少這個力矩對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響，偏航系統(tǒng)的偏航轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的大小通過偏航系統(tǒng)力學(xué)分析來確定。根據(jù)實際生產(chǎn)和目前國內(nèi)已安裝的機(jī)型的實際狀況，偏航系統(tǒng)的偏航轉(zhuǎn)速的推薦值見表5。
偏航系統(tǒng)是水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必不可少的組成系統(tǒng)之一。偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個。其一是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運行。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)一般分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)。被動偏航指的是依靠風(fēng)力通過相關(guān)機(jī)構(gòu)完成機(jī)組風(fēng)輪對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有尾舵、舵輪和下風(fēng)向三種；主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動兩種形式。對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。
1．偏航系統(tǒng)的技術(shù)要求
1.1. 環(huán)境條件
在進(jìn)行偏航系統(tǒng)的設(shè)計時，必須考慮的環(huán)境條件如下：
1). 溫度；
2). 濕度；
3). 陽光輻射；
4). 雨、冰雹、雪和冰；
5). 化學(xué)活性物質(zhì)；
6). 機(jī)械活動微粒；
7). 鹽霧。
8). 近海環(huán)境需要考慮附加特殊條件。
應(yīng)根據(jù)典型值或可變條件的限制，確定設(shè)計用的氣候條件。選擇設(shè)計值時，應(yīng)考慮幾種氣候條件同時出現(xiàn)的可能性。在與年輪周期相對應(yīng)的正常限制范圍內(nèi)，氣候條件的變化應(yīng)不影響所設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的正常運行。
1.2. 電纜
為保證機(jī)組懸垂部分電纜不至于產(chǎn)生過度的紐絞而使電纜斷裂失效，必須使電纜有足夠的懸垂量，在設(shè)計上要采用冗余設(shè)計。電纜懸垂量的多少是根據(jù)電纜所允許的扭轉(zhuǎn)角度確定的。
1.3. 阻尼
為避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動而造成整機(jī)的共振，偏航系統(tǒng)在機(jī)組偏航時必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據(jù)機(jī)艙和風(fēng)輪質(zhì)量總和的慣性力矩來確定。其基本的確定原則為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航時應(yīng)動作平穩(wěn)順暢不產(chǎn)生振動。只有在阻尼力矩的作用下，機(jī)組的風(fēng)輪才能夠定位準(zhǔn)確，充分利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電。
1.4. 解纜和紐纜保護(hù)
解纜和紐纜保護(hù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)所必須具有的主要功能。偏航系統(tǒng)的偏航動作會導(dǎo)致機(jī)艙和塔架之間的連接電纜發(fā)生紐絞，所以在偏航系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置與方向有關(guān)的計數(shù)裝置或類似的程序?qū)﹄娎|的紐絞程度進(jìn)行檢測。一般對于主動偏航系統(tǒng)來說，檢測裝置或類似的程序應(yīng)在電纜達(dá)到規(guī)定的紐絞角度之前發(fā)解纜信號；對于被動偏航系統(tǒng)檢測裝置或類似的程序應(yīng)在電纜達(dá)到危險的紐絞角度之前禁止機(jī)艙繼續(xù)同向旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行人工解纜。偏航系統(tǒng)的解纜一般分為初級解纜和終極解纜。初級解纜是在一定的條件下進(jìn)行的，一般與偏航圈數(shù)和風(fēng)速相關(guān)。紐纜保護(hù)裝置是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)必須具有的裝置，這個裝置的控制邏輯應(yīng)具有最高級別的權(quán)限，一旦這個裝置被觸發(fā)，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須進(jìn)行緊急停機(jī)。
1.5. 偏航轉(zhuǎn)速
對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運行狀態(tài)來說，風(fēng)輪軸和葉片軸在機(jī)組的正常運行時不可避免的產(chǎn)生陀螺力矩，這個力矩過大將對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的壽命和安全造成影響。為減少這個力矩對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響，偏航系統(tǒng)的偏航轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的大小通過偏航系統(tǒng)力學(xué)分析來確定。根據(jù)實際生產(chǎn)和目前國內(nèi)已安裝的機(jī)型的實際狀況，偏航系統(tǒng)的偏航轉(zhuǎn)速的推薦值見表5。
表5偏航轉(zhuǎn)速推薦值
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率（kw） 100～200 250～350 500～700 800～1000 1200～1500偏航轉(zhuǎn)速（r/min） ≤0.3 ≤0.18 ≤0.1 ≤0.092 ≤0.085 1.6. 偏航液壓系統(tǒng) 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)一般都設(shè)有液壓裝置，液壓裝置的作用是拖動偏航制動器松開或鎖緊。一般液壓管路應(yīng)采用無縫鋼管制成，柔性管路連接部分應(yīng)采用合適的高壓軟管。螺接管路連接組件應(yīng)通過試驗保證偏航系統(tǒng)所要求的密封和承受工作中出現(xiàn)的動載荷。液壓元器件的設(shè)計、選型和布置應(yīng)符合液壓裝置的有關(guān)具體規(guī)定和要求。液壓管路應(yīng)能夠保持清潔并具有良好的抗氧化性能。液壓系統(tǒng)在額定的工作壓力下不應(yīng)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。 1.7. 偏航制動器 采用齒輪驅(qū)動的偏航系統(tǒng)時，為避免振蕩的風(fēng)向變化，引起偏航輪齒產(chǎn)生交變負(fù)荷，應(yīng)采用偏航制動器（或稱偏航阻尼器）來吸收微小自由偏轉(zhuǎn)振蕩，防止偏航齒輪的交變應(yīng)力引起輪齒過早損傷。對于由風(fēng)向沖擊葉片或風(fēng)輪產(chǎn)生偏航力矩的裝置，應(yīng)經(jīng)試驗證實其有效性。 1.8. 偏航計數(shù)器 偏航系統(tǒng)中都設(shè)有偏航計數(shù)器，偏航計數(shù)器的作用是用來記錄偏航系統(tǒng)所運轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)偏航系統(tǒng)的偏航圈數(shù)達(dá)到計數(shù)器的設(shè)定條件時，則觸發(fā)自動解纜動作，機(jī)組進(jìn)行自動解纜并復(fù)位。計數(shù)器的設(shè)定條件是根據(jù)機(jī)組懸垂部分電纜的允許扭轉(zhuǎn)角度來確定的，其原則是要小于電纜所允許扭轉(zhuǎn)的角度。 1.9. 潤滑 偏航系統(tǒng)必須設(shè)置潤滑裝置，以保證驅(qū)動齒輪和偏航齒圈的潤滑。目前國內(nèi)的機(jī)組的偏航系統(tǒng)一般都采用潤滑脂和潤滑油相結(jié)合的潤滑方式，定期更換潤滑油和潤滑脂。 1.10. 密封 偏航系統(tǒng)必須采取密封措施，以保證系統(tǒng)內(nèi)的清結(jié)和相鄰部件之間的運動不會產(chǎn)生有害的影響。 1.11. 表面防腐處理 偏航系統(tǒng)各組成部件的表面處理必須適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比較典型的工作環(huán)境除風(fēng)況之外，其他環(huán)境（氣候）條件如熱、光、腐蝕、機(jī)械、電或其他物理作用應(yīng)加以考慮。 2．偏航系統(tǒng)的組成 偏航系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航計數(shù)器、紐纜保護(hù)裝置、偏航液壓回路等幾個部分組成。偏航系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)見圖5。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)一般有外齒形式和內(nèi)齒形式兩種。偏航驅(qū)動裝置可以采用電機(jī)驅(qū)動或液壓馬達(dá)驅(qū)動，制動器可以是常閉式或常開式。常開式制動器一般是指有液壓力或電磁力拖動時，制動器處于鎖緊狀態(tài)的制動器；常閉式制動器一般是指有液壓力或電磁力拖動時，制動器處于松開狀態(tài)的制動器。采用常開式制動器時，偏航系統(tǒng)必須具有偏航定位鎖緊裝置或防逆?zhèn)鲃友b置。
2.1. 偏航軸承
偏航軸承的軸承內(nèi)外圈分別與機(jī)組的機(jī)艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內(nèi)齒或外齒形式。外齒形式是輪齒位于偏航軸承的外圈上，加工相對來說比較簡單；內(nèi)齒形式是輪齒位于偏航軸承的內(nèi)圈上，嚙合受力效果較好，結(jié)構(gòu)緊湊。具體采用內(nèi)齒形式或外齒形式應(yīng)根據(jù)機(jī)組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進(jìn)行選擇。偏航齒圈的結(jié)構(gòu)簡圖見圖6。
圖6偏航齒圈結(jié)構(gòu)簡圖
(1)、偏航齒圈的輪齒強(qiáng)度計算方法參照DIN3990和GB3480《漸開線園柱齒輪承載能力計算方法》及GB6413《漸開線園柱齒輪膠合承載能力計算方法》進(jìn)行計算。
(2)、偏航軸承部分的計算方法參照DIN281或JB/T2300《回轉(zhuǎn)支承》來進(jìn)行計算，偏航軸承的潤滑應(yīng)使用制造商推薦的潤滑劑和潤滑油，軸承必須進(jìn)行密封。
2.2.驅(qū)動裝置
驅(qū)動裝置一般由驅(qū)動電機(jī)或驅(qū)動馬達(dá)、減速器、傳動齒輪、輪齒間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。驅(qū)動裝置的減速器一般可采用行星減速器或蝸輪蝸桿與行星減速器串聯(lián)；傳動齒輪一般采用漸開線圓柱齒輪。傳動齒輪的齒面和齒根應(yīng)采取淬火處理，一般硬度值應(yīng)達(dá)到HRC55~62。驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)簡圖見圖7
圖7 偏航驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡圖
2.3.偏航制動器
偏航制動器一般采用液壓拖動的鉗盤式制動器，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖8。
(1)、偏航制動器是偏航系統(tǒng)中的重要部件，制動器應(yīng)在額定負(fù)載下，制動力矩穩(wěn)定，其值應(yīng)不小于設(shè)計值。在機(jī)組偏航過程中，制動器提供的阻尼力矩應(yīng)保持平穩(wěn)，與設(shè)計值的偏差應(yīng)小于5％，制動過程不得有異常噪聲。制動器在額定負(fù)載下閉合時，制動襯墊和制動盤的貼合面積應(yīng)不小于設(shè)計面積的50％；制動襯墊周邊與制動鉗體的配合間隙任一處應(yīng)不大于0.5mm。制動器應(yīng)設(shè)有自動補償機(jī)構(gòu)，以便在制動襯塊磨損時進(jìn)行自動補償，保證制動力矩和偏航阻尼力矩的穩(wěn)定。在偏航系統(tǒng)中，制動器可以采用常閉式和常開式兩種結(jié)構(gòu)形式，常閉式制動器是在有動力的條件下處于松開狀態(tài)，常開式制動器則是處于鎖緊狀態(tài)。兩種形式相比較并考慮失效保護(hù)，一般采用常閉式制動器。
(2)、制動盤通常位于塔架或塔架與機(jī)艙的適配器上，一般為環(huán)狀，制動盤的材質(zhì)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，如果采用焊接連接，材質(zhì)還應(yīng)具有比較好的可焊性，此外，在機(jī)組壽命期內(nèi)制動盤不應(yīng)出現(xiàn)疲勞損壞。制動盤的連接、固定必須可靠牢固，表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra3.2。
(3)、制動鉗由制動鉗體和制動襯塊組成。制動鉗體一般采用高強(qiáng)度螺栓連接用經(jīng)過計算的足夠的力矩固定于機(jī)艙的機(jī)架上。制動襯塊應(yīng)由專用的摩擦材料制成，一般推薦用銅基或鐵基粉末冶金材料制成，銅基粉末冶金材料多用于濕式制動器，而鐵基粉末冶金材料多用于干式制動器。—般每臺風(fēng)機(jī)的偏航制動器都備有2個可以更換的制動襯塊。
2.4.偏航計數(shù)器
偏航計數(shù)器是記錄偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的裝置，當(dāng)偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)達(dá)到設(shè)計所規(guī)定的初級解纜和終極解纜圈數(shù)時，計數(shù)器則給控制系統(tǒng)發(fā)信號使機(jī)組自動進(jìn)行解纜。計數(shù)器一般是一個帶控制開關(guān)的蝸輪蝸桿裝置或是與其相類似的程序。
五、紐纜保護(hù)裝置
紐纜保護(hù)裝置是偏航系統(tǒng)必須具有的裝置，它是出于失效保護(hù)的目的而安裝在偏航系統(tǒng)中的。它的作用是在偏航系統(tǒng)的偏航動作失效后，電纜的紐絞達(dá)到威脅機(jī)組安全運行的程度而觸發(fā)該裝置，使機(jī)組進(jìn)行緊急停機(jī)。一般情況下，這個裝置是獨立于控制系統(tǒng)的，一旦這個裝置被觸發(fā)，則機(jī)組必須進(jìn)行緊急停機(jī)。
3．偏航系統(tǒng)的維護(hù)
3.1. 偏航系統(tǒng)零部件的維護(hù)
（1）、偏航制動器
（2）、偏航軸承
（3）、偏航驅(qū)動裝置
3.2. 偏航系統(tǒng)的維修和保養(yǎng)
4．偏航系統(tǒng)的常見故障
4.1. 齒圈齒面磨損
原因：
齒輪副的長期嚙合運轉(zhuǎn)；
相互嚙合的齒輪副齒側(cè)間隙中滲入雜質(zhì)；
潤滑油或潤滑脂嚴(yán)重缺失使齒輪副處于干摩擦狀態(tài)。
4.2. 液壓管路滲漏
原因：
管路接頭松動或損壞；
密封件損壞。
4.3. 偏航壓力不穩(wěn)
原因：
液壓管路出現(xiàn)滲漏；
液壓系統(tǒng)的保壓蓄能裝置出現(xiàn)故障；
液壓系統(tǒng)元器件損壞。
4.4. 異常噪聲
原因：
潤滑油或潤滑脂嚴(yán)重缺失；
偏航阻尼力矩過大；
齒輪副輪齒損壞；
偏航驅(qū)動裝置中油位過低。
4.5. 偏航定位不準(zhǔn)確
原因：
風(fēng)向標(biāo)信號不準(zhǔn)確；
偏航系統(tǒng)的阻尼力矩過大或過小；
偏航制動力矩達(dá)不到機(jī)組的設(shè)計值；
偏航系統(tǒng)的偏航齒圈與偏航驅(qū)動裝置的齒輪之間的齒側(cè)間隙過大。
4.6. 偏航計數(shù)器故障
原因：
連接螺栓松動；
異物侵入；
連接電纜損壞；
磨損。