2.5 偏航系統

偏航系統的功能是驅動風輪跟蹤風向的變化，使其掃掠面始終與風向垂直，以最大限度地提升風輪對風能的捕獲能力。偏航系統位于塔架和主機架之間，一般由偏航軸承、偏航驅動裝置、偏航制動器、偏航計數器、紐纜保護裝置、偏航液壓裝置等幾個部分組成，結構簡圖如圖2-17所示，包含外齒驅動 [圖2-17（a）]和內齒驅動 [圖2-17（b）]兩種形式。

當風向改變時，風向儀將信號傳輸到控制裝置，控制驅動裝置工作，小齒輪在大齒圈上旋轉，從而帶動機艙旋轉使得風輪對準風向。

機艙可以兩個方向旋轉，旋轉方向由接近開關進行檢測。當機艙向同一方向偏航的角度達到700°（根據機型設定）時，限位開關將信號傳輸到控制裝置后，控制機組快速停機，并反轉解纜。

偏航驅動裝置可以采用電動機驅動或液壓馬達驅動，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；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。采用常開式制動器時，偏航系統必須具有偏航定位鎖緊裝置或防逆傳動裝置。

1．偏航軸承

偏航軸承的軸承內、外圈分別與機組的機艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內齒或外齒形式。內齒形式是輪齒位于偏航軸承的內圈上，嚙合受力效果較好，結構緊湊；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。具體采用哪種形式應根據機組的具體結構和總體布置進行選擇。偏航齒圈結構簡圖如圖2-18所示。

（1）偏航齒圈的輪齒強度計算方法參照DIN3990—1970《圓柱齒輪和圓錐齒輪承載能力的計算》和GB 3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》及GB/Z 6413.2—2003《圓柱齒輪、錐齒輪和準雙曲面齒輪膠合承載能力計算方法：第2部分》進行計算。在齒輪的設計上，輪齒齒根和齒表面的強度分析，應使用以下系數：

1）靜強度分析。對齒表面接觸強度，安全系數SH＞1.0；對輪齒齒根斷裂強度，安全系數SF＞1.2。

2）疲勞強度分析。對齒表面接觸強度，安全系數SH＞0.6；對輪齒齒根斷裂強度，安全系數SF＞1.0；一般情況下，對于偏航齒輪，其疲勞強度計算用的使用系數KA=1.3。

（2）偏航軸承部分的計算方法。參照DIN ISO281—2010或JB/T 2300—2011《回轉支承》進行計算，偏航軸承的潤滑應使用制造商推薦的潤滑劑和潤滑油，軸承必須進行密封。軸承的強度分析應考慮兩個主要方面：①在靜態計算時，軸承的極端載荷應大于靜態載荷的1.1倍；②軸承的壽命應按風力發電機組的實際運行載荷計算。此外，制造偏航齒圈的材料還應在-3℃條件下進行V形切口沖擊能量試驗，要求3次試驗平均值不小于27J。

2．偏航驅動裝置

驅動裝置一般由驅動電動機或驅動電機、減速器、傳動齒輪、輪齒間隙調整機構等組成。驅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；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采取淬火處理，一般硬度值應達到HRC5562。傳動齒輪的強度分析和計算方法與偏航齒圈的分析和計算方法基本相同；軸靜態計算應采用最大載荷，安全系數應大于材料屈服強度的1倍；軸的動態計算應采用等效載荷并同時考慮使用系數KA=1.3的影響，安全系數應大于材料屈服強度的1倍。偏航驅動裝置要求啟動平穩，轉速均勻無振動現象。驅動裝置結構簡圖如圖2-19所示。

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，其結構簡圖如圖2-20所示。

（1）偏航制動器是偏航系統中的重要部件，制動器應在額定負載下，制動力矩穩定，其值應不小于設計值。在機組偏航過程中，制動器提供的阻尼力矩應保持平穩，與設計值的偏差應小于5%，制動過程不得有異常噪聲。制動器在額定負載下閉合時，制動襯墊和制動盤的貼合面積應不小于設計面積的50%；制動襯墊周邊與制動鉗體的配合間隙任一處應不大于0.5mm。制動器應設有自動補償機構，以便在制動襯塊磨損時進行自動補償，保證制動力矩和偏航阻尼力矩的穩定。在偏航系統中，制動器可以采用常閉式和常開式兩種結構型式：常閉式制動器是在有動力的條件下處于松開狀態；常開式制動器則是處于鎖緊狀態。比較兩種結構型式并考慮失效保護，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艙的適配器上，一般為環狀，制動盤的材質應具有足夠的強度和韌性，如果采用焊接連接，材質還應具有比較好的可焊性，此外，在機組壽命期內制動盤不應出現疲勞損壞。制動盤的連接、固定必須可靠牢固，表面粗糙度應達到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度螺栓連接，用經過計算的足夠的力矩固定于機艙的機架上。制動襯塊應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。一般每臺風力發電機組的偏航制動器都備有兩個可以更換的制動襯塊。

4．偏航計數器

偏航計數器是記錄偏航系統旋轉圈數的裝置，當偏航系統旋轉的圈數達到設計所規定的初級解纜和終極解纜圈數時，計數器則給控制系統發信號使機組自動進行解纜。計數器一般是一個帶控制開關的蝸輪蝸桿裝置或是與其相類似的程序。

5．紐纜保護裝置

紐纜保護裝置是偏航系統必須具有的裝置，它是出于失效保護的目的而安裝在偏航系統中的。它的作用是在偏航系統的偏航動作失效后，電纜的紐絞達到威脅機組安全運行的程度而觸發該裝置，使機組進行緊急停機。一般情況下，這個裝置獨立于控制系統，一旦這個裝置被觸發，則機組必須進行緊急停機。紐纜保護裝置一般由控制開關和觸點機構組成，控制開關一般安裝于機組的塔架內壁的支架上，觸點機構一般安裝于機組懸垂部分的電纜上。當機組懸垂部分的電纜紐絞到一定程度后，觸點機構被提升或被松開而觸發控制開關。

大型風力發電機組的偏航系統一般均采取如圖2-21所示的結構，風力發電機組的機艙安裝在旋轉支撐上，而旋轉支撐的內齒環與風力發電機組塔架用螺栓緊固相連，外齒環與機艙固定。調向通過兩臺與調向內齒環相嚙合的調向減速器驅動。在機艙底板上裝有盤式剎車裝置，以塔架頂部法蘭為剎車盤。