偏航系統(tǒng)的作用、種類和組成

偏航系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組特有的伺服系統(tǒng)。偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個(gè)。其一是與風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)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)電機(jī)組的發(fā)電效率，同時(shí)在風(fēng)向相對(duì)固定時(shí)能提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。其二是由于風(fēng)電機(jī)組可能持續(xù)地一個(gè)方向偏航，為了保證機(jī)組懸垂部分的電纜不至于產(chǎn)生過度的紐絞而使電纜斷裂、失效，在電纜達(dá)到設(shè)計(jì)纏繞值時(shí)能自動(dòng)解除纏繞。

偏航系統(tǒng)的方案有多種，如阻尼式偏航系統(tǒng)、帶有偏航制動(dòng)器的固定式偏航系統(tǒng)、軟偏航系統(tǒng)、阻尼自由偏航系統(tǒng)和可控自由偏航系統(tǒng)等。目前應(yīng)用最為普遍的有兩種，一種是采用滑動(dòng)軸承的阻尼式偏航系統(tǒng)，另一種是采用帶有偏航制動(dòng)器的固定式偏航系統(tǒng)。

偏航系統(tǒng)是由偏航控制機(jī)構(gòu)和偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分組成。其中偏航控制機(jī)構(gòu)包括風(fēng)向傳感器、偏航控制器、解纜傳感器等幾部分，偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括偏航軸承、偏航驅(qū)動(dòng)裝置、偏航制動(dòng)器（或偏航阻尼裝置）等幾部分組成。

采用滑動(dòng)軸承的阻尼式偏航系統(tǒng)

滑動(dòng)軸承的偏航系統(tǒng)是阻尼型的偏航系統(tǒng)。該軸承處于塔架與機(jī)艙之間，它把各種力通過軸瓦從機(jī)艙傳到塔架。滑動(dòng)軸承的軸瓦大多是用工程塑料制成，這種材料（如PETP，它比尼龍更好）具有良好的綜合性能，包括力學(xué)性能，耐熱性，耐磨性，耐化學(xué)品性和自潤(rùn)滑性，且摩擦系數(shù)低，有一定的阻燃性，易加工，較好的耐腐蝕性。由于這種材料具有特有的機(jī)械性能，使得這種軸承即使在缺少潤(rùn)滑的情況下也能工作。軸瓦由軸向上推力瓦、徑向推力瓦和軸向下推力瓦組成。分別用來承受機(jī)艙和風(fēng)輪重量產(chǎn)生的平行于塔筒方向的軸向力，風(fēng)輪傳遞給機(jī)艙的垂直于塔筒方向的徑向力和機(jī)艙的傾覆力矩。從而將機(jī)艙受到的各種力和力矩通過這三種軸瓦傳遞到塔架。

滑動(dòng)軸承阻尼式偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中1、偏航電動(dòng)機(jī)，2、偏航減速器，3、偏航卡鉗，4、偏航小齒輪，5、塔架。

偏航減速器一般為立式行星減速器或行星/蝸桿減速器，其端部的小齒輪與偏航大齒圈嚙合，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏航對(duì)風(fēng)或解纜。

偏航卡鉗是偏航部件中比較重要和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的部件（圖2）：

1、機(jī)艙底盤，2、卡鉗與機(jī)艙底盤的固定螺栓，3、軸向下推力瓦的固定螺栓，4、軸向下推力瓦，5、徑向推力瓦，6、徑向推力瓦的固定螺栓，7、防塵橡膠圈，8、塔架與偏航摩擦盤及大齒圈的連接螺栓，9、卡鉗內(nèi)的碟形彈簧，10、卡鉗調(diào)整螺栓，11、軸向上推力瓦，12、偏航卡鉗，13、大齒圈。

偏航卡鉗不是一個(gè)，如在V52-850kW風(fēng)電機(jī)組上共有四組。軸向上推力瓦起到滑動(dòng)軸承的作用并承擔(dān)機(jī)艙的重量和機(jī)組運(yùn)行中向下的軸向力。徑向推力瓦起到滑動(dòng)軸承的作用并承擔(dān)機(jī)艙與塔架運(yùn)行中徑向力。軸向下推力瓦起到滑動(dòng)軸承的作用并承受一定的傾覆力矩。

為避免風(fēng)電機(jī)組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動(dòng)而造成整機(jī)的共振，偏航系統(tǒng)在機(jī)組偏航時(shí)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)量總和的慣性力矩等來確定。其基本的確定原則是確保風(fēng)電機(jī)組在偏航時(shí)應(yīng)動(dòng)作平穩(wěn)順暢不產(chǎn)生振動(dòng)。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。

滑動(dòng)軸承的偏航系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是成本較低，維護(hù)方便；采用具有自潤(rùn)滑功能的滑動(dòng)軸瓦支承方式，不需額外的潤(rùn)滑系統(tǒng)及低速液壓制動(dòng)器，無漏油現(xiàn)象。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；維護(hù)工作量較大；摩擦阻尼力矩較大，這是因?yàn)橐箤?duì)風(fēng)保持穩(wěn)定，避免振動(dòng)，必須有足夠的摩擦阻尼力矩，偏航對(duì)風(fēng)時(shí)必須克服此摩擦力矩，也就是說，在極限偏航載荷下，有可能機(jī)艙滑動(dòng)。這種偏航系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下故障：

如偏航電機(jī)過熱（在冬季經(jīng)常發(fā)生），減速器齒輪損壞，軸向下推力瓦損壞，軸向上推力瓦脫落和斷角，偏航卡鉗調(diào)整螺栓斷裂，徑向推力瓦脫落等。

風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)采用滑動(dòng)軸承的比較普遍。例如，國(guó)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.我國(guó)華銳公司的SL1500-1.5MW（Fuhrlander技術(shù)），沈鼓2MW（Windtec技術(shù)）都是采用此類偏航系統(tǒng)。

采用滾動(dòng)軸承帶有偏航制動(dòng)器的固定式偏航系統(tǒng)采用帶有偏航制動(dòng)器的偏航系統(tǒng)是固定型的偏航系統(tǒng)。該軸承處于塔架與機(jī)艙之間，滾動(dòng)軸承把各種力從機(jī)艙傳到塔架。安裝的偏航制動(dòng)系統(tǒng)，作用在環(huán)形制動(dòng)盤上，提供多個(gè)液壓制動(dòng)器，1.5MW的風(fēng)電機(jī)組上就有6個(gè)制動(dòng)器，用來阻止在各種情況下不希望的偏航運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)器上的襯墊是用有機(jī)材料制成。這種材料要具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、低磨損率、耐高溫。

采用帶有偏航制動(dòng)器的固定式偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖中1、偏航電動(dòng)機(jī)，2、偏航減速器，3、偏航小齒輪，4、液壓制動(dòng)器，5、塔架，6、偏航摩擦盤，7、大齒圈，8、機(jī)艙底盤。

偏航減速器一般為立式行星減速器，其端部的小齒輪與偏航大齒圈嚙合，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏航對(duì)風(fēng)或解纜。偏航制動(dòng)器需要提供液壓源和控制裝置。在制動(dòng)狀態(tài)，工作油壓較高可使機(jī)艙固定不動(dòng)，當(dāng)偏航對(duì)風(fēng)時(shí)，制動(dòng)器由制動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂?0-30bar背壓的阻尼狀態(tài)，所以運(yùn)動(dòng)是平穩(wěn)的。當(dāng)在規(guī)定的氣候條件下，要求電纜解纜時(shí)，制動(dòng)器改變?yōu)樗砷l狀態(tài)，此時(shí)機(jī)艙整圈反轉(zhuǎn)并解纜。

滾動(dòng)軸承的偏航系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)風(fēng)可靠和無滑動(dòng)，便于維護(hù)；偏航對(duì)風(fēng)時(shí)摩擦阻尼力矩不大，對(duì)風(fēng)平穩(wěn)。缺點(diǎn)是成本較高。

這種偏航系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)密封漏油和噪聲：當(dāng)摩擦材料配料不均，摩擦副材料不匹配，工作時(shí)會(huì)引起振動(dòng)，導(dǎo)致噪聲；多次偏航使摩擦表面局部磨損，或制動(dòng)鉗安裝不平行，導(dǎo)致局部摩擦力增大，出現(xiàn)噪聲。密封圈受熱老化，進(jìn)而影響密封圈壽命，制動(dòng)器密封一旦破壞，會(huì)出現(xiàn)漏油，影響偏航制動(dòng)力，同時(shí)摩擦表面會(huì)沾上油污，偏航轉(zhuǎn)動(dòng)后，摩擦片表面形成釉光層，導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降，制動(dòng)效果變差，。選用高質(zhì)量制動(dòng)器，精心制造和安裝偏航系統(tǒng)各部件，上述問題完全可以解決。目前我國(guó)安裝的風(fēng)機(jī)其偏航制動(dòng)器大多數(shù)為國(guó)外進(jìn)口，使用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的偏航制動(dòng)器約為20%以下，其中主要是焦作瑞塞爾盤式制動(dòng)器有限公司生產(chǎn)，該公司與風(fēng)電市場(chǎng)對(duì)接十余年來，已形成了規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品經(jīng)近十年的市場(chǎng)考驗(yàn)，能滿足使用要求，可以替代進(jìn)口。

現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)采用帶有制動(dòng)器的滾動(dòng)軸承固定式偏航非常普遍。例如，國(guó)外REpower公司的MD77-1.5MW，REpower5M-5MW;Nordex公司的N60-1300kW;GE公司的GE-1.5s-1.5MW，GEWindenergy3.6MW;：Dewind公司的D6-1MW，D8-2MW。國(guó)產(chǎn)風(fēng)力機(jī)中，沈工大

1.5MW、2MW及3MW（已轉(zhuǎn)讓20余家），華創(chuàng)1.5MW、東汽1.5MW及3MW、華銳3MW都是采用此類偏航系統(tǒng)。

關(guān)于偏航驅(qū)動(dòng)裝置的功率問題。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，當(dāng)調(diào)向?qū)︼L(fēng)時(shí)，偏航驅(qū)動(dòng)裝置的功率應(yīng)能克服偏航阻力矩M。而在計(jì)算偏航阻力矩時(shí)應(yīng)考慮到如下幾方面：

M=Mf+Mw+Mp+Mz+Mtv

式中：Mf--回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力矩；Mw--風(fēng)壓作用于風(fēng)輪和機(jī)艙上所引起的風(fēng)阻力矩；Mp--當(dāng)偏航啟動(dòng)時(shí)，由機(jī)組中慣性力矩所引起的慣性阻力矩；Mz--由阻尼機(jī)構(gòu)引起的阻尼力矩；Mtv--由于風(fēng)輪主軸的傾角所產(chǎn)生的扭矩分量引起的偏航阻力矩。

例如，1.5MW固定式滾動(dòng)軸承偏航，其Mf和Mz的總合為M值的40%-50%，如果采用阻尼式滑動(dòng)軸承偏航，Mf將減少，而Mz將增大，最終對(duì)偏航驅(qū)動(dòng)裝置的功率影響并不大。

關(guān)于液壓系統(tǒng)的問題。固定式偏航中，偏航制動(dòng)器與高速軸制動(dòng)器組成一個(gè)液壓系統(tǒng)（液壓站）。即使是阻尼式偏航，高速軸制動(dòng)也需要有一個(gè)液壓系統(tǒng)（液壓站）。

發(fā)展趨勢(shì)

目前和今后，固定式偏航仍然是主流。我國(guó)自主研制的機(jī)型大多數(shù)為固定式偏航，特別是3MW及3MW以上大型機(jī)組都為固定式偏航。