論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

國電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司 北京 100039

1 研究背景

風(fēng)能是一種取之不盡、用之不竭的綠色環(huán)保可再生能源［1-2］。隨著全球?qū)稍偕茉吹牟粩嘀匾?，風(fēng)力發(fā)電在近年來不斷取得重大技術(shù)突破，總裝機(jī)容量也不斷攀升［3-4］。2016年，全球風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量超過54.6 GW，我國則以23.4 GW位列第一［5］。風(fēng)能的高效利用離不開風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對風(fēng)資源的準(zhǔn)確高效捕捉，偏航系統(tǒng)就是執(zhí)行這一任務(wù)的主要組件。偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的伺服系統(tǒng)，通過偏航驅(qū)動(dòng)的作用，使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面與風(fēng)向保持垂直狀態(tài)［6］，從而保證葉片捕捉到最大掃風(fēng)面積［7］。

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)主要包括偏航驅(qū)動(dòng)（含偏航電機(jī)和偏航減速機(jī)）、偏航軸承、偏航剎車盤、偏航卡鉗、液壓管道、回油管道、潤滑系統(tǒng)、偏航編碼器、扭纜保護(hù)裝置、風(fēng)速儀風(fēng)向標(biāo)及偏航控制單元等［8］。偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩不宜過大，否則偏航時(shí)機(jī)艙的振動(dòng)會(huì)很大［9］；但偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩也不能過小，否則會(huì)給偏航減速機(jī)及偏航電機(jī)帶來較大的壓力。這些相關(guān)部件之間定量化相關(guān)性的研究，是筆者研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外有關(guān)該問題的報(bào)告較為有限。此外，關(guān)于偏航電機(jī)電子剎車、偏航卡鉗制動(dòng)力矩、外載的相關(guān)性研究及維護(hù)工況的剩余制動(dòng)力矩校核問題也是探討的要點(diǎn)。對上述問題進(jìn)行研究，可為大型兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供定量參考。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航形式分類

2.1 主動(dòng)偏航形式和被動(dòng)偏航形式

偏航系統(tǒng)一般分為主動(dòng)偏航形式［10］和被動(dòng)偏航形式［11］。主動(dòng)偏航形式依靠偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力，在偏航控制邏輯的框架下進(jìn)行主動(dòng)對風(fēng)，依靠偏航卡鉗及偏航電機(jī)電子剎車共同作用，進(jìn)行機(jī)艙整體制動(dòng)，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般多采用主動(dòng)偏航形式。被動(dòng)偏航形式依靠風(fēng)力作為機(jī)艙偏航的動(dòng)力，通過偏航相關(guān)機(jī)構(gòu)的配合，完成機(jī)組的對風(fēng)動(dòng)作，被動(dòng)偏航形式常用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

2.2 常阻尼式偏航形式和液壓阻尼式偏航形式

偏航系統(tǒng)按卡鉗的類型又可分為常阻尼式偏航形式和液壓阻尼式偏航形式［12］。常阻尼式偏航形式采用全部的偏航卡鉗以額定力矩固定在偏航齒圈盤上，在需要偏航動(dòng)作時(shí)，偏航電機(jī)輸出較大功率的扭矩，以克服偏航卡鉗與齒圈盤間的摩擦力矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙的定速偏航，待機(jī)艙到達(dá)指定對風(fēng)角度時(shí)，切斷偏航電機(jī)電源，恢復(fù)制動(dòng)狀態(tài)。液壓阻尼式偏航形式采用一部分偏航卡鉗以額定力矩固定在偏航齒圈盤上，另一部分可由液壓單元控制壓緊或釋放偏航卡鉗，需要偏航動(dòng)作時(shí)，液壓管路釋放一定壓力并保壓運(yùn)行，機(jī)艙可在偏航電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力下進(jìn)行額定轉(zhuǎn)速偏航，不需要偏航時(shí)，液壓管道加壓使偏航卡鉗與齒圈盤壓緊，從而與偏航電機(jī)電子剎車共同實(shí)現(xiàn)機(jī)組制動(dòng)效果。

表1為常阻尼式偏航形式和液壓阻尼式偏航形式各自的優(yōu)缺點(diǎn)對比。

表1 常阻尼式偏航形式和液壓阻尼式偏航形式優(yōu)缺點(diǎn)對比

3 偏航系統(tǒng)主要組件相關(guān)性

3.1 偏航減速機(jī)耐受極限、偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩和外載相關(guān)性

偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩設(shè)置較大，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組在偏航時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)及異常響聲，同時(shí)也會(huì)縮短摩擦片的使用壽命。偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩設(shè)置過小，會(huì)給偏航減速機(jī)及偏航電機(jī)帶來較大的負(fù)載，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在特定外載條件下，使偏航減速機(jī)超出設(shè)計(jì)耐受極限而使減速機(jī)斷齒，或使偏航電機(jī)超載燒毀。

由此可見，研究偏航過程中偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩、偏航減速機(jī)耐受極限、偏航電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及驅(qū)動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d之間的定量關(guān)系意義重大，研究所得相應(yīng)的定量化規(guī)律可以為科學(xué)合理的偏航系統(tǒng)選型提供有效參考。

對偏航減速機(jī)耐受極限的設(shè)計(jì)算法進(jìn)行研究，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量與偏航電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值k定義為：

式中：nd為偏航驅(qū)動(dòng)的數(shù)量；ib為偏航軸承齒圈齒數(shù)與偏航驅(qū)動(dòng)輸出小齒齒數(shù)的比值；In為機(jī)艙在偏航軸承中心處具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Im為偏航電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ig為偏航減速機(jī)的總傳動(dòng)比。

將定義的慣量比值k進(jìn)行參數(shù)整合迭代，即可得到偏航減速機(jī)耐受極限Tmx：

式中：Ls為驅(qū)動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d扭矩；Lmx為風(fēng)電機(jī)組極限外載扭矩；f為偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩與機(jī)艙摩擦力矩總和。

我們的中學(xué)歷史課堂上，經(jīng)常有這樣一道有趣的測試題，將羅斯福、丘吉爾、希特勒三個(gè)世界歷史上的著名人物對號(hào)入座：人物甲喜歡讀書，酷愛藝術(shù)，保持素食習(xí)慣，從不吸煙，偶爾來點(diǎn)啤酒；人物乙篤信巫醫(yī)和占卜，有兩個(gè)情婦，有多年的吸煙史，嗜好馬提尼酒；人物丙小時(shí)候兩次被趕出校門，每天睡到中午才肯起床，每天都要喝一瓶白蘭地?；蛟S結(jié)果有點(diǎn)兒意外，人物甲是法西斯頭子希特勒，人物乙是連任三屆美國總統(tǒng)的羅斯福，人物丙是擔(dān)任過兩任英國首相的丘吉爾。

因?yàn)闄C(jī)艙總質(zhì)量一定，所以機(jī)艙摩擦力矩可視為定值，f可間接認(rèn)為與偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩成單調(diào)線性關(guān)系，則Tmx與Lmx、Ls、f存在定量化規(guī)律。

（1）Lmx和Ls均恒為正數(shù)，說明增大驅(qū)動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d扭矩及增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組極限外載扭矩，均會(huì)引起偏航減速機(jī)耐受極限的增大。

（2）f值在k＜1時(shí)為負(fù)，此時(shí)減小偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩，偏航減速機(jī)的耐受極限增大。

（3）f值在k＞1時(shí)為正，此時(shí)減小偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩，偏航減速機(jī)的耐受極限減小。

（4）f值在k=1時(shí)為0，此時(shí)改變偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩，不影響偏航減速機(jī)的耐受極限。

較好的設(shè)計(jì)效果是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與偏航電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值k＞1，這樣在外載一定的前提下，既可減小偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩,又可減小偏航減速機(jī)的耐受極限，進(jìn)而達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。而使比值k＞1可行的辦法是盡可能減小偏航電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很難有較大的調(diào)整空間。

偏航減速機(jī)耐受極限Tmx、偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩與機(jī)艙摩擦力矩總和f、驅(qū)動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d扭矩Ls的雙線性數(shù)量關(guān)系可以用如圖1所示的三維示意圖進(jìn)行解釋。

3.2 偏航電機(jī)電子剎車制動(dòng)力矩與偏航卡鉗制動(dòng)力矩的相關(guān)性

偏航電機(jī)電子剎車制動(dòng)力矩與偏航卡鉗制動(dòng)力矩共同承擔(dān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下的制動(dòng)任務(wù)。偏航卡鉗制動(dòng)力矩可以按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但偏航電機(jī)電子剎車制動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)則沒有約定俗成的標(biāo)準(zhǔn)，因此，在選取偏航電機(jī)電子剎車制動(dòng)力矩時(shí)應(yīng)考慮如下要點(diǎn)。

偏航電機(jī)電子剎車設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮外載的情況，如果要求偏航電機(jī)電子剎車制動(dòng)力矩與偏航卡鉗制動(dòng)力矩總和可抵御極限外載，那么偏航電機(jī)電子剎車就需要提供足夠大的制動(dòng)力。而極限外載又是50年一遇的偶發(fā)陣風(fēng)，為參考值，以這樣的小概率風(fēng)載發(fā)生時(shí)都需要機(jī)艙保持制動(dòng)，未免是過于保守的設(shè)計(jì)。實(shí)際上，可以在圖2所示時(shí)間序列的載荷譜上，選取一個(gè)制動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d，即圖中虛線處作為總制動(dòng)力矩可以抵御的風(fēng)載進(jìn)行選型，這樣的設(shè)計(jì)更為合理。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組若遭遇大于制動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d時(shí)，則允許其出現(xiàn)短暫的異常偏航，如出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，但持續(xù)的時(shí)間不應(yīng)超過制動(dòng)力矩截?cái)嘀递d荷所對應(yīng)的時(shí)間間隔。

▲圖1 偏航減速機(jī)耐受極限雙線性參數(shù)影響關(guān)系

▲圖2 偏航系統(tǒng)載荷時(shí)間序列

4 偏航系統(tǒng)子部件常見故障

4.1 偏航電機(jī)故障時(shí)偏航卡鉗制動(dòng)力矩余量問題

偏航系統(tǒng)制動(dòng)作用不僅要體現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常制動(dòng)工況，還要為更換故障部件工況提供制動(dòng)作用，因此，先考慮在偏航電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，偏航卡鉗提供的制動(dòng)力矩余量問題。

以1.5 MW及2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多使用4臺(tái)偏航電機(jī)，在設(shè)計(jì)選型之初，可以假設(shè)一臺(tái)偏航電機(jī)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致其偏航電機(jī)電子剎車的制動(dòng)能力喪失。在更換該故障部件時(shí)，其余三臺(tái)偏航電機(jī)電子剎車制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)換為偏航軸承處的總制動(dòng)力矩值與偏航卡鉗制動(dòng)力矩值總和，需要大于維護(hù)工況的最大外載，否則維護(hù)更換該故障偏航電機(jī)時(shí)，很可能出現(xiàn)機(jī)艙不能完全制動(dòng)而造成其它部件次生損壞。

4.2 偏航卡鉗故障時(shí)偏航電機(jī)制動(dòng)力矩余量問題

偏航卡鉗由于使用較多的液壓油路，故障點(diǎn)較多，存在液壓站泄漏、剎車盤材料磨損、偏航卡鉗位置偏離等諸多問題。目前，大兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中使用的偏航卡鉗及液壓系統(tǒng)多采用單油路設(shè)計(jì)，若出現(xiàn)的故障是液壓油路泄漏，則在一定時(shí)間后，偏航卡鉗會(huì)失去全部制動(dòng)力矩。這樣的故障發(fā)生后，在機(jī)艙的維護(hù)工況下，抵御維護(hù)工況外載的任務(wù)全部由偏航電機(jī)電子剎車來執(zhí)行。可見偏航電機(jī)電子剎車總制動(dòng)力矩在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮卡鉗單油路故障發(fā)生后偏航電機(jī)電子剎車總制動(dòng)力矩大于維護(hù)工況最大外載。

4.3 偏航減速機(jī)輸出小齒輪與偏航軸承齒圈強(qiáng)度問題

偏航減速機(jī)輸出小齒輪的洛氏硬度（HRC）要求為58～62，熱處理多為滲碳淬火。而偏航軸承內(nèi)齒圈的洛氏硬度（HRC）要求為50～60，熱處理多為感應(yīng)淬火。部件的體積大小影響到了熱處理工藝，不同的熱處理工藝外加實(shí)際的制造偏差，往往使偏航軸承的齒圈硬度小于偏航減速機(jī)輸出小齒輪的硬度，從而導(dǎo)致偏航軸承齒圈容易先磨損。另一方面，偏航減速機(jī)輸出小齒輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)比偏航軸承齒圈多數(shù)倍，且偏航減速機(jī)輸出小齒輪的單位齒面的磨損率又相對較大。上述兩點(diǎn)此消彼長，使目前的偏航減速機(jī)輸出小齒輪和偏航軸承齒圈的配合關(guān)系無法找到很好的整體設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)。

就實(shí)際更換的難易程度而言，偏航軸承更換很困難，在更換時(shí)需要將機(jī)艙整體吊裝到地面后才能重新更換新的偏航軸承；而偏航驅(qū)動(dòng)更換不需要吊裝機(jī)艙，僅需將偏航驅(qū)動(dòng)分解后用機(jī)艙內(nèi)的小吊車吊裝更換即可。由此可見，在基本等強(qiáng)度設(shè)計(jì)的大原則下，偏航減速機(jī)輸出小齒輪的安全余量建議略小于偏航軸承齒圈，這樣可降低整機(jī)的維護(hù)成本。

5 結(jié)論

筆者以大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)作為探討對象，分別從偏航系統(tǒng)的分類形式、偏航減速機(jī)與偏航卡鉗的相關(guān)性、偏航電機(jī)與偏航卡鉗的相關(guān)性、偏航驅(qū)動(dòng)與偏航軸承的相關(guān)性進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

（1）增大驅(qū)動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d及增大機(jī)組極限外載均會(huì)引起偏航減速機(jī)耐受極限的增大。為了實(shí)現(xiàn)既能減小偏航卡鉗運(yùn)動(dòng)阻尼力矩，又能減小偏航減速機(jī)耐受極限的目的，需要將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與偏航電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值k控制為大于1。鑒于機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不宜調(diào)整的事實(shí)，建議在今后偏航電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)使其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能減小，從而保證上述k值盡可能大于1。

（2）偏航電機(jī)電子剎車制動(dòng)力矩及偏航卡鉗制動(dòng)力矩設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮制動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d，在兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性的前提下，可以允許在經(jīng)歷大于制動(dòng)力矩截?cái)嘀低廨d后，機(jī)組出現(xiàn)短時(shí)間的打滑，但持續(xù)時(shí)間不能太長。

（3）對故障工況的維護(hù)外載進(jìn)行校核，以此來保證制動(dòng)部件一方出現(xiàn)故障時(shí)，剩余制動(dòng)力矩需滿足抵抗維護(hù)工況下的最大外載，從而保證維護(hù)更換故障部件時(shí)機(jī)艙能處于制動(dòng)狀態(tài)。