偏航系统在水平轴风力机组的重要作用

风轮若不能正对风向，风轮有效扫风面积减少，风力机输出功率下降。

风力机有顺风式和逆风式两种，逆风式居多。顺风式风力机的风轮能自然地对准风向，因此一般不需要进行偏航调向控制。而逆风式风力机不能自动对准风向，因而必须采用偏航装置。风力机对风常用的有尾舵偏航、侧风轮偏航和偏航控制系统调向三种。

1.尾舵偏航

尾舵也称为尾翼，主要用于小型风力机。采用尾舵的小型风力机可自然地使风轮对准风向，不需要特殊控制。但尾舵调向装置结构笨拙，很少用于中型以上的风力机。

尾舵对风主要用于直径不超过6m的小型风力机，结构如图4-26所示。该设备不会对塔架产生转矩激励，而风轮调向时的受力则由机舱来承担。尾舵使风轮对风速度加快，若在风轮高速旋转时，会产生陀螺力矩。

图4-26　带有尾翼的小型风力机

尾舵必须具有一定的条件才能获得满意的对风效果。设e为调向转轴与风轮旋转平面间的距离，在尾舵质量中心到转向轴的距离l=4e，尾舵面积A′与风轮扫风面积A（或风轮直径d）之间必须符合以下关系

多叶片风力机

高速风力机

若l≠4e，尾舵所需面积计算为

多叶片风力机

高速风力机

实践中，l的值一般取0.6d。

2.侧风轮偏航

有的风力机采用侧风轮来驱动风轮绕风力机轴旋转，对准风向。该类风力机机舱的侧面安装一个小风轮，简称侧风轮，其旋转轴与风轮主轴垂直，结构如图4-27所示。如果主风轮没有对准风向，则侧风轮转动产生偏向力矩，通过涡轮杆机构使风轮和机舱转动，到主风轮对准风向为止。对风准确后，侧风轮上不再有使其旋转的力矩。但是，若对风装置只采用一个侧风轮时，由于机舱两侧气流的不均衡，使风轮轴线始终与风向相交一个较小的角度，这会减小风轮的有效扫掠面积，降低风轮效率。在设计侧风轮之前，需要了解使风力机偏航所需的最小转矩。(www.xing528.com)

图4-27　侧风轮对风

3.偏航控制系统调向

对于大型风力机组而言，上述两种均不适用，一般采用由电动机驱动的偏航系统。偏航系统是水平轴风电机组的重要组成部分。根据风向的变化，偏航操作装置按系统控制单元发出指令，使风轮处于迎风状态，同时还提供必要的锁紧力矩，以保证机组的安全运行和停机状态的需要。偏航操作装置主要由偏航轴承、传动、驱动与制动等功能部件或机构组成。偏航系统要求的运行速度较低，且结构设计所允许的安装空间、承受的载荷更大，因而需要有更多的技术解决方案供选择。

图4-28所示为一种采用滑动轴承支撑的主动偏航装置结构示意图。偏航操作装置安装于塔架与主机架之间，采用滑动轴承实现主机架的定位与支撑；用四组偏航电动机主轴轴承与齿轮箱集成形式的风电机组主机架与塔架固定连接的大齿圈，实现偏航的操作。在主机架上安装主传动链部件和偏航驱动装置，通过偏航滑动轴承实现与大齿圈的连接和偏航传动。当需要随风向改变风轮位置时，通过安装在驱动部件上的小齿轮与大齿圈啮合，带动主机架和机舱旋转使风轮对准风向。

图4-28　偏航系统结构示意图

采用电力拖动的偏航驱动部件一般由电动机、大速比减速机和开式齿轮传动副组成，通过法兰连接安装在主机架上。偏航驱动电动机一般选用转速较高的电动机，以尽可能减小体积，如图4-29所示。但由于偏航驱动所要求的输出转速又很低，必须采用紧凑型的大速比减速机，以满足偏航动作要求。偏航减速器可选择立式或其他形式安装，采用多级行星轮系传动，以实现大速比、紧凑型传动的要求。偏航减速器多采用硬齿面啮合设计，减速器中主要传动构件可采用低碳合金钢材料，如17CrNiM06，42CrMoA等制造，齿面热处理状态一般为渗碳淬硬（硬度一般大于HRC58）。

图4-29　偏航驱动部件的内外部结构

为保证机组运行的稳定性，偏航系统一般需要设置制动器，在机舱底盘采用一个或多个盘式刹车装置，以塔架顶部法兰为刹车盘，当对风位置达到后，起动对风机构刹车，如图4-30所示，多采用液压钳盘式制动器。制动器的环状制动盘通常装于塔架（或塔架与主机架的适配环节）。制动盘的材质应具有足够的强度和韧性，如采用焊接连接，材质还应具有比较好的可焊性。一般要求机组寿命期内制动盘主体不出现疲劳等形式的失效损坏。制动钳一般由制动钳体和制动衬块组成，钳体通过高强度螺栓连接于主机架上，制动衬块由专用的耐磨材料（如铜基或铁基粉末冶金）制成。

图4-30　偏航刹车装置

对偏航制动器的基本设计要求是，保证机组额定负载下的制动力矩稳定，所提供的阻尼力矩平稳（与设计值的偏差小于5%），且制动过程没有异常噪声。制动器在额定负载下闭合时，制动衬垫和制动盘的贴合面积应不小于设计面积的50%；制动衬垫周边与制动钳体的配合间隙应不大于0.5mm。制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进行间隙的自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的要求。

偏航制动器可采用常闭和常开两种结构型式。常闭式制动器指在有驱动力作用条件下制动器处于松开状态；常开式制动器则是在驱动力作用时处于锁紧状态。考虑制动器的失效保护，偏航制动器多采用常闭式制动结构型式。

偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构传动风力机平台，直到对准风向为止。大型风力发电机组不论处于运行状态，还是待机状态，均能在偏航控制系统的作用下主动对风。但是，若机舱在同一方向偏航超过3圈以上时，则扭缆保护装置动作，执行解缆；当回到中心解缆停止。偏航控制系统控制流程图如图4-31所示。

图4-31　偏航控制系统图

风轮的对风系统是一个随动系统。当安装在风向标里的风向传感器最终以电位信号输出风轮轴线与风向的角度关系时，控制系统经过一段时间的确认后，会控制偏航电动机将风轮调整到与风向一致的方位。

就偏航控制本身而言，对响应速度和控制精度并没有要求，但在对风过程中，主要考虑限制调向转动角速度、角加速度，以减小陀螺效应力。因而从稳定性考虑，需在系统中设置足够的阻尼。