偏航系統的作用、種類和組成

偏航系統是風電機組特有的伺服系統。偏航系統的主要作用有兩個。其一是與風電機組的控制系統相互配合，使風電機組的風輪始終處于迎風狀態，充分利用風能，提高風電機組的發電效率，同時在風向相對固定時能提供必要的鎖緊力矩，以保障風電機組的安全運行。其二是由于風電機組可能持續地一個方向偏航，為了保證機組懸垂部分的電纜不至于產生過度的紐絞而使電纜斷裂、失效，在電纜達到設計纏繞值時能自動解除纏繞。

偏航系統的方案有多種，如阻尼式偏航系統、帶有偏航制動器的固定式偏航系統、軟偏航系統、阻尼自由偏航系統和可控自由偏航系統等。目前應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，另一種是采用帶有偏航制動器的固定式偏航系統。

偏航系統是由偏航控制機構和偏航驅動機構兩大部分組成。其中偏航控制機構包括風向傳感器、偏航控制器、解纜傳感器等幾部分，偏航驅動機構包括偏航軸承、偏航驅動裝置、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

滑動軸承的偏航系統是阻尼型的偏航系統。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，包括力學性能，耐熱性，耐磨性，耐化學品性和自潤滑性，且摩擦系數低，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輪重量產生的平行于塔筒方向的軸向力，風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的結構如圖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，通過電機驅動，實現偏航對風或解纜。

偏航卡鉗是偏航部件中比較重要和結構較為復雜的部件（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、卡鉗內的碟形彈簧，10、卡鉗調整螺栓，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。

為避免風電機組在偏航過程中產生過大的振動而造成整機的共振，偏航系統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機艙和風輪質量總和的慣性力矩等來確定。其基本的確定原則是確保風電機組在偏航時應動作平穩順暢不產生振動。只有在阻尼力矩的作用下，機組的風輪才能夠定位準確，充分利用風能進行發電。

滑動軸承的偏航系統優點是成本較低，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及低速液壓制動器，無漏油現象。缺點是結構相對復雜；維護工作量較大；摩擦阻尼力矩較大，這是因為要使對風保持穩定，避免振動，必須有足夠的摩擦阻尼力矩，偏航對風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。這種偏航系統有時會出現以下故障：

如偏航電機過熱（在冬季經常發生），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，偏航卡鉗調整螺栓斷裂，徑向推力瓦脫落等。

風電機組偏航系統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），沈鼓2MW（Windtec技術）都是采用此類偏航系統。

采用滾動軸承帶有偏航制動器的固定式偏航系統采用帶有偏航制動器的偏航系統是固定型的偏航系統。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，作用在環形制動盤上，提供多個液壓制動器，1.5MW的風電機組上就有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。這種材料要具有穩定的摩擦系數、低磨損率、耐高溫。

采用帶有偏航制動器的固定式偏航系統的結構如圖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，通過電機驅動，實現偏航對風或解纜。偏航制動器需要提供液壓源和控制裝置。在制動狀態，工作油壓較高可使機艙固定不動，當偏航對風時，制動器由制動狀態轉變為具有20-30bar背壓的阻尼狀態，所以運動是平穩的。當在規定的氣候條件下，要求電纜解纜時，制動器改變為松閘狀態，此時機艙整圈反轉并解纜。

滾動軸承的偏航系統優點是結構簡單，對風可靠和無滑動，便于維護；偏航對風時摩擦阻尼力矩不大，對風平穩。缺點是成本較高。

這種偏航系統有時會出現密封漏油和噪聲：當摩擦材料配料不均，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，導致局部摩擦力增大，出現噪聲。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，會出現漏油，影響偏航制動力，同時摩擦表面會沾上油污，偏航轉動后，摩擦片表面形成釉光層，導致摩擦系數下降，制動效果變差，。選用高質量制動器，精心制造和安裝偏航系統各部件，上述問題完全可以解決。目前我國安裝的風機其偏航制動器大多數為國外進口，使用國內生產的偏航制動器約為20%以下，其中主要是焦作瑞塞爾盤式制動器有限公司生產，該公司與風電市場對接十余年來，已形成了規模化生產，產品經近十年的市場考驗，能滿足使用要求，可以替代進口。

現代大型風電機組偏航系統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。國產風力機中，沈工大

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

關于偏航驅動裝置的功率問題。風電機組在運行過程中，當調向對風時，偏航驅動裝置的功率應能克服偏航阻力矩M。而在計算偏航阻力矩時應考慮到如下幾方面：

M=Mf+Mw+Mp+Mz+Mtv

式中：Mf--回轉支承的摩擦阻力矩；Mw--風壓作用于風輪和機艙上所引起的風阻力矩；Mp--當偏航啟動時，由機組中慣性力矩所引起的慣性阻力矩；Mz--由阻尼機構引起的阻尼力矩；Mtv--由于風輪主軸的傾角所產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，最終對偏航驅動裝置的功率影響并不大。

關于液壓系統的問題。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（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（液壓站）。

發展趨勢

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。