偏航系統(tǒng)的作用、種類和組成

偏航系統(tǒng)是風(fēng)電機組特有的伺服系統(tǒng)。偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個。其一是與風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)電機組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)電機組的發(fā)電效率，同時在風(fēng)向相對固定時能提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)電機組的安全運行。其二是由于風(fēng)電機組可能持續(xù)地一個方向偏航，為了保證機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，在電纜達到設(shè)計纏繞值時能自動解除纏繞。

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，一種是采用滑動軸承的阻尼式偏航系統(tǒng)，另一種是采用帶有偏航制動器的固定式偏航系統(tǒng)。

偏航系統(tǒng)是由偏航控制機構(gòu)和偏航驅(qū)動機構(gòu)兩大部分組成。其中偏航控制機構(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)動機構(gòu)包括偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器（或偏航阻尼裝置）等幾部分組成。

采用滑動軸承的阻尼式偏航系統(tǒng)

滑動軸承的偏航系統(tǒng)是阻尼型的偏航系統(tǒng)。該軸承處于塔架與機艙之間，它把各種力通過軸瓦從機艙傳到塔架。滑動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械性能，使得這種軸承即使在缺少潤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)輪傳遞給機艙的垂直于塔筒方向的徑向力和機艙的傾覆力矩。從而將機艙受到的各種力和力矩通過這三種軸瓦傳遞到塔架。

滑動軸承阻尼式偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中1、偏航電動機，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，通過電機驅(qū)動，實現(xiàn)偏航對風(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、機艙底盤，2、卡鉗與機艙底盤的固定螺栓，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，如在V52-850kW風(fēng)電機組上共有四組。軸向上推力瓦起到滑動軸承的作用并承擔(dān)機艙的重量和機組運行中向下的軸向力。徑向推力瓦起到滑動軸承的作用并承擔(dān)機艙與塔架運行中徑向力。軸向下推力瓦起到滑動軸承的作用并承受一定的傾覆力矩。

為避免風(fēng)電機組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動而造成整機的共振，偏航系統(tǒng)在機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，機組的風(fēng)輪才能夠定位準(zhǔn)確，充分利用風(fēng)能進行發(fā)電。

滑動軸承的偏航系統(tǒng)優(yōu)點是成本較低，維護方便；采用具有自潤滑功能的滑動軸瓦支承方式，不需額外的潤滑系統(tǒng)及低速液壓制動器，無漏油現(xiàn)象。缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜；維護工作量較大；摩擦阻尼力矩較大，這是因為要使對風(fēng)保持穩(wěn)定，避免振動，必須有足夠的摩擦阻尼力矩，偏航對風(fēng)時必須克服此摩擦力矩，也就是說，在極限偏航載荷下，有可能機艙滑動。這種偏航系統(tǒng)有時會出現(xiàn)以下故障：

如偏航電機過熱（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)電機組偏航系統(tǒng)采用滑動軸承的比較普遍。例如，國外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)。

采用滾動軸承帶有偏航制動器的固定式偏航系統(tǒng)采用帶有偏航制動器的偏航系統(tǒng)是固定型的偏航系統(tǒng)。該軸承處于塔架與機艙之間，滾動軸承把各種力從機艙傳到塔架。安裝的偏航制動系統(tǒng)，作用在環(huán)形制動盤上，提供多個液壓制動器，1.5MW的風(fēng)電機組上就有6個制動器，用來阻止在各種情況下不希望的偏航運動，制動器上的襯墊是用有機材料制成。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、偏航電動機，2、偏航減速器，3、偏航小齒輪，4、液壓制動器，5、塔架，6、偏航摩擦盤，7、大齒圈，8、機艙底盤。

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，通過電機驅(qū)動，實現(xiàn)偏航對風(fēng)或解纜。偏航制動器需要提供液壓源和控制裝置。在制動狀態(tài)，工作油壓較高可使機艙固定不動，當(dāng)偏航對風(fēng)時，制動器由制動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂?0-30bar背壓的阻尼狀態(tài)，所以運動是平穩(wěn)的。當(dāng)在規(guī)定的氣候條件下，要求電纜解纜時，制動器改變?yōu)樗砷l狀態(tài)，此時機艙整圈反轉(zhuǎn)并解纜。

滾動軸承的偏航系統(tǒng)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，對風(fēng)可靠和無滑動，便于維護；偏航對風(fēng)時摩擦阻尼力矩不大，對風(fēng)平穩(wěn)。缺點是成本較高。

這種偏航系統(tǒng)有時會出現(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，工作時會引起振動，導(dǎo)致噪聲；多次偏航使摩擦表面局部磨損，或制動鉗安裝不平行，導(dǎo)致局部摩擦力增大，出現(xiàn)噪聲。密封圈受熱老化，進而影響密封圈壽命，制動器密封一旦破壞，會出現(xiàn)漏油，影響偏航制動力，同時摩擦表面會沾上油污，偏航轉(zhuǎn)動后，摩擦片表面形成釉光層，導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降，制動效果變差，。選用高質(zhì)量制動器，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。目前我國安裝的風(fēng)機其偏航制動器大多數(shù)為國外進口，使用國內(nèi)生產(chǎn)的偏航制動器約為20%以下，其中主要是焦作瑞塞爾盤式制動器有限公司生產(chǎn)，該公司與風(fēng)電市場對接十余年來，已形成了規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品經(jīng)近十年的市場考驗，能滿足使用要求，可以替代進口。

現(xiàn)代大型風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)采用帶有制動器的滾動軸承固定式偏航非常普遍。例如，國外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。國產(chǎn)風(fēng)力機中，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)動裝置的功率問題。風(fēng)電機組在運行過程中，當(dāng)調(diào)向?qū)︼L(fēng)時，偏航驅(qū)動裝置的功率應(yīng)能克服偏航阻力矩M。而在計算偏航阻力矩時應(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)輪和機艙上所引起的風(fēng)阻力矩；Mp--當(dāng)偏航啟動時，由機組中慣性力矩所引起的慣性阻力矩；Mz--由阻尼機構(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軸承偏航，Mf將減少，而Mz將增大，最終對偏航驅(qū)動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，偏航制動器與高速軸制動器組成一個液壓系統(tǒng)（液壓站）。即使是阻尼式偏航，高速軸制動也需要有一個液壓系統(tǒng)（液壓站）。

發(fā)展趨勢

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