风电场培训教材-(主轴、齿轮箱、偏航系统、刹车系统、控制系统、塔架与基础).doc

风电培训教材（齿轮箱、偏航系统、刹车系统、控制系统、塔架与基础）
§1 风力发电机组的齿轮箱
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。
根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称主轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴端形式是法兰盘连接结构。也有将主轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。2
1．齿轮箱的设计要求
齿轮箱设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。根据机组要求，采用CAD优化设计，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置，等等，是设计齿轮箱的必要前提条件。
1.1. 设计要求
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型，对起动、运行、空转、停机、正常起动和紧急制动等各种工况进行模拟，针对不同的机型得出相应的动态功率曲线，利用专用的设计软件进行分析计算，求出零部件的设计载荷，并以此为依据，
风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T10300标准计算确定。国际上通行的《风力机组认证规范》有相应的章节给出载荷谱计算公式，本教材也对水平轴风力发电机组气动载荷谱分析计算作了详尽的讲解。这些资料都可用作设计计算的参考.
当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数KA＝1；
当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。
风力发电机组增速箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落，故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，常用的标准是GB/T3480或DIN3990（等效采用ISO6336）中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析。
1.1.1. 效率
齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其他机件阻尼等。齿轮传动的效率可按下列公式计算：
η＝η1η2η3η4 (1)
式中 η1——齿轮啮合摩擦损失的效率；
η2——轴承摩擦损失的效率；
η3——润滑油飞溅和搅油损失的效率；
η4——其他摩擦损失的效率。
对于行星轮系齿轮机构，计算效率时还应考虑对应于均载机构的摩檫损失。行星齿轮轮系的效率可通用一般机械设计手册推荐的公式进行计算。其方法主要有啮合功率法和力偏移法两种。啮合功率法通过转化机构（定轴轮系）的机械效率来求出行星轮系的机械效率，虽然是一种近似算法，但由于方便计算和理解，故常用此法进行设计计算。力偏移法有较高的精度，但计算繁杂，一般少用。
风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。
对于采用滚动轴承支承且精确制造的闭式圆柱齿轮传动，每一级传动的效率可概略定为99%，一般情况下，风力发电机组齿轮箱的齿轮传动不超过三级。值得指出的是，随着传递载荷的减小，效率会有所下降，这是因为整个齿轮箱的空载损失，即润滑油飞溅和搅动时的能量损失、轴承的摩擦以及密封等的损失，在传递功率变化时几乎是不变的。
1.1.2. 噪声级
风力发电增速箱的噪声标准为85dB（A）左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：
适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；
提高轴和轴承的刚度；
合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振。
齿轮箱安装时采取必要的减振措施，按规范找正，充分保证机组的联接刚度，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543规定的C级之内。
1.2. 可靠性
按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。可靠性分析的步骤是: 在方案设计开始时进行可靠性初步分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。
2. 齿轮箱的构造
2.1. 齿轮箱的类型与特点 风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表1。

表1 常用风电增速箱的形式和应用

2.2. 齿轮箱图例 各种齿轮箱图例如图1～4所示。 图1为两级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。输入轴大齿轮和中间轴大齿轮都是以平键和过盈配合与轴联接；两个从动齿轮都是采用了轴齿轮的结构。

图1 两级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱

图2 一级行星和一级圆柱齿轮传动齿轮箱
图2 为一级行星和一级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。机组传动轴与齿轮箱行星架轴之间利用胀紧套联结，装拆方便，能保证良好的对中性，且减少了应力集中。行星传动机构利用太阳轮的浮动实现均载。

图3

图4 带主轴的一级行星和二级平行轴圆柱齿轮传动装置
3. 国产大型风力发电机组齿轮箱简介
国内有不少风力发电齿轮箱专业生产厂，其中最为著名的是重庆齿轮箱责任有限公司、杭州前进齿轮箱集团有限公司和南京高精齿轮股份有限公司等三家,如表2, 表3, 表4示，他们都是国家机械工业大型骨干企业，拥有先进的加工设备和设计制造技术，可以为风力发电行业批量提供各种型号的齿轮箱产品。近年来这几家公司在吸收国际先进技术的基础上，相继开发了不少新产品，其中多数是按照主机厂的特定要求研制，例如为新疆风电公司配套的600kW风力发电机组增速箱，综合了国外产品的特点，优化了设计参数，加强了关键结构，运转平稳，质量可靠，受到业主的好评。
表2 重庆齿轮箱责任有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数
型号
传动方式
额定功率
kW
增速比
输入转速
r/min
输入轴联接方式
重量
kg
FL600
一级行星+
两级平行轴
645
56.5
26.85
发兰联接
9700
FLA600
两级行星
645
45.3
33.5
胀套联接
3200
FL750
一级行星+
两级平行轴
750
67.401
22.3
胀套联接
4500
FLA750
一级行星+
一级平行轴
825
69.86
21.73
胀套联接
5900
FL1000
一级行星+
两级平行轴
1100
53.38
18.733
胀套联接
12500
FL1300
一级行星+
两级平行轴
1390
78.62
19.27
胀套联接
16000
FLA1300
一级行星+
两级平行轴
1397.5
79
19
胀套联接
16000
FL1500
一级行星+
两级平行轴
1500
67
14.92
胀套联接
17000

表3 杭州前进齿轮箱集团有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数
型号
传动方式
额定功率
kW
增速比
输入转速
r/min
输入轴联接方式
重量
kg
FZ100
两级平行轴
135
23.989
42.2
胀套连接
1000
FZ200
两级平行轴
240
22.33
45
胀套连接
1600
FZ250
两级平行轴
280
23.4
43
胀套连接
1900
FZ250LX
两级行星
275
38.2
39.26
胀套连接
1500
FZ600B
一级行星+
两级平行轴
645
56.6
26.8
法兰连接
9000
FZ646
两级行星
645
45.529
33.5
花键连接
4000
FZ750
一级行星+
两级平行轴
825
67.4
22.25
胀套连接
6000
FZ1300
一级行星+
两级平行轴
1390
78.628
19.27
胀套连接
11000
FZ1500
一级行星+
两级平行轴
1610
67
19
胀套连接
13000

表4 南京高精齿轮股份有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数
型号
传动方式
额定功率
kW
增速比
输入转速
r/min
输入轴联接方式
重量
kg
FD200
两级平行轴
200
36.12
42
胀套连接
1820
FD250
两级平行轴
250
23.68
43
胀套连接
1950
FD300
两级平行轴
300
44.66
34
胀套连接
4650
FD600W
两级行星
600
45.03
33.5
花键连接
3200
FD645
一级行星+
两级平行轴
645
55.7
27.2
胀套连接
4100
FD645J
一级行星+
两级平行轴
645
56.51
26.8
花键连接
9600
FD660
一级行星+
两级平行轴
660
52.62
28.5
胀套连接
4250
FD660M
三级平行轴
功率双分流
660
59.54
25.5
胀套连接
7600
FD1000
一级行星+
两级平行轴
1000
53.8
24.16
胀套连接
7650
FD1390
一级行星+
两级平行轴
1390
78.62
19.27
收缩盘
12500
FD1500
一级行星+
两级平行轴
1500
67.056
19
收缩盘
13500
FD1660
一级行星+
两级平行轴
1660
72/98
20
收缩盘
14500
图2-5-7 FL600外形结构

4. 齿轮箱的主要零部件
4.1. 箱体
箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。箱体必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。应注意轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。
4.2. 齿轮和轴
风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。
为了提高承载能力，齿轮一般都采用优质合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。内齿圈按其结构要求，可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料，也可采用与外齿轮相同的材料。采用锻造方法制取毛坯，可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征。合理的预热处理以及中间和最终热处理工艺，保证了材料的综合机械性能达到设计要求。
4.3. 齿轮
(1)、齿轮精度 齿轮箱内用作主传动的齿轮精度，外齿轮不低于5级GB/T10095，内齿轮不低于6级GB/T10095。选择齿轮精度时要综合考虑传动系统的实际需要，优秀的传动质量是靠传动装置各个组成部分零件的精度和内在质量来保证的，不能片面强调提高个别件的要求，使成本大幅度提高，却达不到预定的效果。

(2)、 渗碳淬火 通常齿轮最终热处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到HRC60+/-2，同时规定随模数大小而变化的硬化层深度要求，具有良好的抗磨损接触强度，轮齿心部则具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度。
(3)、齿形加工 为了减轻齿轮副啮合时的冲击，降低噪声，需要对齿轮的齿形齿向进行修形。在齿轮设计计算时已根据齿轮的弯曲强度和接触强度初步确定轮齿的变形量，再结合考虑轴的弯曲、扭转变形以及轴承和箱体的刚度，绘出齿形和齿向修形曲线，并在磨齿时进行修正。
4.4. 滚动轴承 齿轮箱的支承中，大量应用滚动轴承，其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小，即使载荷和速度在很宽范围内变化时也如此。滚动轴承的安装和使用都很方便，但是，当轴的转速接近极限转速时，轴承的承载能力和寿命急剧下降，高速工作时的噪音和振动比较大。齿轮传动时轴和轴承的变形引起齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均匀，会降低传动件的承载能力。由于载荷不均匀性而使轮齿经常发生断齿的现象，在许多情况下又是由于轴承的质量和其他因素，如剧烈的过载而引起的。选用轴承时，不仅要根据载荷的性质，还应根据部件的结构要求来确定。相关技术标准，如DIN281，或者轴承制造商的的样本，都有整套的计算程序可供参考。
4.5. 密封
齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能防止润滑油外泄，同时也能防止杂质进入箱体内。常用的密封分为非接触式密封和接触式密封两种。
(1)、非接触式密封 所有的非接触式密封不会产生磨损，使用时间长。
(2)、接触式密封 接触式密封使用的密封件应使密封可靠、耐久、摩擦阻力小、容易制造和装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。
4.6. 齿轮箱的润滑、冷却
齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。为此，必须高度重视齿轮箱的润滑问题，严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑，一般以强制润滑为多见。
5. 齿轮箱的使用及其维护
在风力发电机组中，齿轮箱是重要的部件之一，必须正确使用和维护，以延长使用寿命。
5.1. 安装要求
齿轮箱主动轴与叶片轮毂的连接必须可靠紧固。输出轴若直接与电机联接时，应采用合适的联轴器，最好是弹性联轴器，并串接起保护作用的安全装置。齿轮箱轴线和与之相联接的部件的轴线应保证同心，其误差不得大于所选用联轴器和齿轮箱的允许值，齿轮箱体上也不允许承受附加的扭转力。齿轮箱安装后用人工盘动应灵活，无卡滞现象。打开观察窗盖检查箱体内部机件应无锈蚀现象。用涂色法检验，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。
5.2. 空载试运转
按照说明书的要求加注规定的机油达到油标刻度线，在正式使用之前，可以利用发电机作为电动机带动齿轮箱空载运转。此时，经检查齿轮箱运转平稳，无冲击振动和异常噪音，润滑情况良好，且各处密封和结合面无泄漏，才能与机组一起投入试运转。 加载试验应分阶段进行，分别以额定载荷的25%、50%、75%、100%加载，每一阶段运转以平衡油温为主，一般不得小于2小时，最高油温不得超过80゜C，其不同轴承间的温差不得高于15゜C。
5.3. 正常运行监控
每次机组起动，在齿轮箱运转前先起动润滑油泵，待各个润滑点都得到润滑后，间隔一段时间方可起动齿轮箱。当环境温度较低时，例如小于10゜C，须先接通电热器加热机油，达到预定温度后才投入运行。若油温高于 设定温度，如65゜C时，机组控制系统将使润滑油进入系统的冷却管路，经冷却器冷却降温后再进入齿轮箱。管路中还装有压力控制器和油位控制器，以监控润滑油的正常供应。如发生故障。监控系统将立即发出报警信号，使操作者能迅速判定故障并加以排除。在运行期间，要定期检查齿轮箱运行状况，看看运转是否平稳；有无振动或异常噪声；各处连接和管路有无渗漏，接头有无松动；油温是否正常。
5.4. 定期更换润滑油
第一次换油应在首次投入运行500小时后进行，以后的换油周期为每运行5，000-10，000小时。在运行过程中也要注意箱体内油质的变化情况，定期取样化验，若油质发生变化，氧化生成物过多并超过一定比例时，就应及时更换。 齿轮箱应每半年检修一次，备件应按照正规图纸制造，更换新备件后的齿轮箱，其齿轮啮合情况应符合技术条件的规定，并经过试运转与负荷试验后再正式使用。
5.5. 齿轮箱常见故障及预防措施
齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗漏油、油温高等。

§2 风力发电机组偏航系统
偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。偏航系统的主要作用有两个。其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种；主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发电机组来说，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。
1．偏航系统的技术要求
1.1. 环境条件
在进行偏航系统的设计时，必须考虑的环境条件如下：
1). 温度；
2). 湿度；
3). 阳光辐射；
4). 雨、冰雹、雪和冰；
5). 化学活性物质；
6). 机械活动微粒；
7). 盐雾。
8). 近海环境需要考虑附加特殊条件。
应根据典型值或可变条件的限制，确定设计用的气候条件。选择设计值时，应考虑几种气候条件同时出现的可能性。在与年轮周期相对应的正常限制范围内，气候条件的变化应不影响所设计的风力发电机组偏航系统的正常运行。
1.2. 电缆
为保证机组悬垂部分电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂失效，必须使电缆有足够的悬垂量，在设计上要采用冗余设计。电缆悬垂量的多少是根据电缆所允许的扭转角度确定的。
1.3. 阻尼
为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振，偏航系统在机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性力矩来确定。其基本的确定原则为确保风力发电机组在偏航时应动作平稳顺畅不产生振动。只有在阻尼力矩的作用下，机组的风轮才能够定位准确，充分利用风能进行发电。
1.4. 解缆和纽缆保护
解缆和纽缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要功能。偏航系统的偏航动作会导致机舱和塔架之间的连接电缆发生纽绞，所以在偏航系统中应设置与方向有关的计数装置或类似的程序对电缆的纽绞程度进行检测。一般对于主动偏航系统来说，检测装置或类似的程序应在电缆达到规定的纽绞角度之前发解缆信号；对于被动偏航系统检测装置或类似的程序应在电缆达到危险的纽绞角度之前禁止机舱继续同向旋转，并进行人工解缆。偏航系统的解缆一般分为初级解缆和终极解缆。初级解缆是在一定的条件下进行的，一般与偏航圈数和风速相关。纽缆保护装置是风力发电机组偏航系统必须具有的装置，这个装置的控制逻辑应具有最高级别的权限，一旦这个装置被触发，则风力发电机组必须进行紧急停机。
1.5. 偏航转速
对于并网型风力发电机组的运行状态来说，风轮轴和叶片轴在机组的正常运行时不可避免的产生陀螺力矩，这个力矩过大将对风力发电机组的寿命和安全造成影响。为减少这个力矩对风力发电机组的影响，偏航系统的偏航转速应根据风力发电机组功率的大小通过偏航系统力学分析来确定。根据实际生产和目前国内已安装的机型的实际状况，偏航系统的偏航转速的推荐值见表5。
表5 偏航转速推荐值
风力发电机组功率（kw）
100～200
250～350
500～700
800～1000
1200～1500
偏航转速（r/min）
≤0.3
≤0.18
≤0.1
≤0.092
≤0.085

1.6. 偏航液压系统
并网型风力发电机组的偏航系统一般都设有液压装置，液压装置的作用是拖动偏航制动器松开或锁紧。一般液压管路应采用无缝钢管制成，柔性管路连接部分应采用合适的高压软管。螺接管路连接组件应通过试验保证偏航系统所要求的密封和承受工作中出现的动载荷。液压元器件的设计、选型和布置应符合液压装置的有关具体规定和要求。液压管路应能够保持清洁并具有良好的抗氧化性能。液压系统在额定的工作压力下不应出现渗漏现象。
1.7. 偏航制动器
采用齿轮驱动的偏航系统时，为避免振荡的风向变化，引起偏航轮齿产生交变负荷，应采用偏航制动器（或称偏航阻尼器）来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿轮的交变应力引起轮齿过早损伤。对于由风向冲击叶片或风轮产生偏航力矩的装置，应经试验证实其有效性。
1.8. 偏航计数器
偏航系统中都设有偏航计数器，偏航计数器的作用是用来记录偏航系统所运转的圈数，当偏航系统的偏航圈数达到计数器的设定条件时，则触发自动解缆动作，机组进行自动解缆并复位。计数器的设定条件是根据机组悬垂部分电缆的允许扭转角度来确定的，其原则是要小于电缆所允许扭转的角度。
1.9. 润滑
偏航系统必须设置润滑装置，以保证驱动齿轮和偏航齿圈的润滑。目前国内的机组的偏航系统一般都采用润滑脂和润滑油相结合的润滑方式，定期更换润滑油和润滑脂。
1.10. 密封
偏航系统必须采取密封措施，以保证系统内的清结和相邻部件之间的运动不会产生有害的影响。
1.11. 表面防腐处理
偏航系统各组成部件的表面处理必须适应风力发电机组的工作环境。风力发电机组比较典型的工作环境除风况之外，其他环境（气候）条件如热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用应加以考虑。
2．偏航系统的组成
偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航液压回路等几个部分组成。偏航系统的一般组成结构见图5。
图5 偏航系统结构简图
风力发电机组的偏航系统一般有外齿形式和内齿形式两种。偏航驱动装置可以采用电机驱动或液压马达驱动，制动器可以是常闭式或常开式。常开式制动器一般是指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于锁紧状态的制动器；常闭式制动器一般是指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于松开状态的制动器。采用常开式制动器时，偏航系统必须具有偏航定位锁紧装置或防逆传动装置。
2.1. 偏航轴承
偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上，加工相对来说比较简单；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上，啮合受力效果较好，结构紧凑。具体采用内齿形式或外齿形式应根据机组的具体结构和总体布置进行选择。偏航齿圈的结构简图见图6。

图6 偏航齿圈结构简图
(1)、偏航齿圈的轮齿强度计算方法参照DIN3990和GB3480《渐开线园柱齿轮承载能力计算方法》及GB6413《渐开线园柱齿轮胶合承载能力计算方法》进行计算。
(2)、偏航轴承部分的计算方法参照DIN281或JB/T2300《回转支承》来进行计算，偏航轴承的润滑应使用制造商推荐的润滑剂和润滑油，轴承必须进行密封。
2.2. 驱动装置
驱动装置一般由驱动电机或驱动马达、减速器、传动齿轮、轮齿间隙调整机构等组成。驱动装置的减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联；传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮。传动齿轮的齿面和齿根应采取淬火处理，一般硬度值应达到HRC55~62。驱动装置的结构简图见图7
图7 偏航驱动装置结构简图
2.3. 偏航制动器
偏航制动器一般采用液压拖动的钳盘式制动器，其结构简图见图8。
(1)、偏航制动器是偏航系统中的重要部件，制动器应在额定负载下，制动力矩稳定，其值应不小于设计值。在机组偏航过程中，制动器提供的阻尼力矩应保持平稳，与设计值的偏差应小于5％，制动过程不得有异常噪声。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任一处应不大于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自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的稳定。在偏航系统中，制动器可以采用常闭式和常开式两种结构形式，常闭式制动器是在有动力的条件下处于松开状态，常开式制动器则是处于锁紧状态。两种形式相比较并考虑失效保护，一般采用常闭式制动器。
(2)、制动盘通常位于塔架或塔架与机舱的适配器上，一般为环状，制动盘的材质应具有足够的强度和韧性，如果采用焊接连接，材质还应具有比较好的可焊性，此外，在机组寿命期内制动盘不应出现疲劳损坏。制动盘的连接、固定必须可靠牢固，表面粗糙度应达到Ra3.2。
(3)、制动钳由制动钳体和制动衬块组成。制动钳体一般采用高强度螺栓连接用经过计算的足够的力矩固定于机舱的机架上。制动衬块应由专用的摩擦材料制成，一般推荐用铜基或铁基粉末冶金材料制成，铜基粉末冶金材料多用于湿式制动器，而铁基粉末冶金材料多用于干式制动器。—般每台风机的偏航制动器都备有2个可以更换的制动衬块。
图8 偏航制动器结构简图
2.4. 偏航计数器
偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置，当偏航系统旋转的圈数达到设计所规定的初级解缆和终极解缆圈数时，计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆。计数器一般是一个带控制开关的蜗轮蜗杆装置或是与其相类似的程序。
五、纽缆保护装置
纽缆保护装置是偏航系统必须具有的装置，它是出于失效保护的目的而安装在偏航系统中的。它的作用是在偏航系统的偏航动作失效后，电缆的纽绞达到威胁机组安全运行的程度而触发该装置，使机组进行紧急停机。一般情况下，这个装置是独立于控制系统的，一旦这个装置被触发，则机组必须进行紧急停机。
3．偏航系统的维护
3.1. 偏航系统零部件的维护
（1）、偏航制动器
（2）、偏航轴承
（3）、偏航驱动装置
3.2. 偏航系统的维修和保养
4．偏航系统的常见故障
4.1. 齿圈齿面磨损
原因：
齿轮副的长期啮合运转；
相互啮合的齿轮副齿侧间隙中渗入杂质；
润滑油或润滑脂严重缺失使齿轮副处于干摩擦状态。
4.2. 液压管路渗漏
原因：
管路接头松动或损坏；
密封件损坏。
4.3. 偏航压力不稳
原因：
液压管路出现渗漏；
液压系统的保压蓄能装置出现故障；
液压系统元器件损坏。
4.4. 异常噪声
原因：
润滑油或润滑脂严重缺失；
偏航阻尼力矩过大；
齿轮副轮齿损坏；
偏航驱动装置中油位过低。
4.5. 偏航定位不准确
原因：
风向标信号不准确；
偏航系统的阻尼力矩过大或过小；
偏航制动力矩达不到机组的设计值；
偏航系统的偏航齿圈与偏航驱动装置的齿轮之间的齿侧间隙过大。
4.6. 偏航计数器故障
原因：
连接螺栓松动；
异物侵入；
连接电缆损坏；
磨损。
§3 风力发电机组的液压系统和刹车机构
风力发电机组的液压系统和刹车机构是一个整体。在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是执行风力发电机组的气动刹车和机械刹车；在变桨距风力发电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车机构。
1．定桨距风力发电机组的刹车机构
1.1. 气动刹车机构
气动刹车机构是由安装在叶尖的扰流器通过不锈钢丝绳与桨叶根部的液压油缸的活搴杆相联结构成的。扰流器的结构如图9所示。当风力发电机组正常运行时，在液压力的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体部分精密地合为一体，组成完整的桨叶。当风力发电机组需要脱网停机时，液压油缸失去压力，扰流器在离心力的作用下释放并旋转80°～90°形成阻尼板，由于叶尖部分处于距离轴最远点，整个叶

图9 叶尖气动刹车结构
片作为一个长的杠杆，使扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力发电机组在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即为桨叶空气动力刹车。叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，每次制动时都是它起主要作用。

在叶轮旋转时，作用在扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器力图脱离桨叶主体转动到制动位置；而液压力的释放，不论是由于控制系统是正常指令，还是液压系统的故障引起，都将导致扰流器展开而使叶轮停止运行。因此，空气动力刹车是一种失效保护装置，它使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。
1.2. 机构刹车机构
如图10示，机构刹车机构由安装在低速轴或高速轴上的刹车圆盘与布置在四周的液压夹钳构成。液压夹钳固定，刹车圆盘随轴一起转动。刹车夹钳有一个预压的弹簧制动力，液压力通过油缸中的活塞将制动夹钳打开。机械刹车的预压弹簧制动力，一般要求在额定负载下脱网时能够保证风力发电机组安全停机。但在

图10 机构刹车机构
正常停机的情况下，液压力并不是完全释放，即在制动过程中只作用了一部分弹簧力。为此，在液压系统中设置了一个特殊的减压阀和蓄能器，以保证在制动过程中不完全提供弹簧的制动力。
为了监视机械刹车机构的内部状态，刹车夹钳内部装有温度传感器和指示刹车片厚度的传感器。
2．定桨距风力发电机组的液压系统
定桨距风力发电机组的液压系统实际上是制动系统的执行机构，主要用来执行风力发电机组的开关机指令。通常它由两个压力保持回路组成，一路通过蓄能器供给叶尖扰流器，另一路通过蓄能器供给机械刹车机构。这两个回路的工作任务是使机组运行时制动机构始终保持压力。当需要停机时，两回路中的常开电磁阀先后失电，叶尖扰流器一路压力油被泄回油箱，叶尖动作；稍后，机械刹车一路压力油进入刹车油缸，驱动刹车夹钳,使叶轮停止转动。在两个回路中各装有两个压力传感器，以指示系统压力，控制液压泵站补油和确定刹车机构的状态。

1．油箱
2．油泵
3．电机
4．精滤油器
5．油位指示器
6．溢流阀
7．单向阀
8．蓄能器
9．压力开关
10．节流阀
11．压力表
12．电磁阀（1）
13．电磁阀（2）
14．刹车夹钳
15．突开阀
16．电磁阀（3）
图11 定桨距风力发电机组的液压系统
图11为FD43-600kW风力发电机组的液压系统。由于偏航机构也引入了液压回路，它由三个压力保持回路组成。
3．变距风力发电机组的液压系统
3.1. 液压系统图
变距风力发电机组的液压系统与定距风力发电机组的液压系统很相似，也由两个压力保持回路组成。一路由蓄能器通过电液比例阀供给桨叶变距油缸，另一路由蓄能器供给高速轴上的机械刹车机构。图12为VESTAS V39型风力发电机组液压系统。
图12变距风力发电机组液压系统
1.油箱
2.油位开关
3.空气滤清器
4.温度传感器
5.油泵
6.联轴器
7.电机
8.主模块
9.压力测试口
10.滤油器
11.单向阀
12.压力传感器
13.溢流阀
14.压力表
15.压力表接口
16.蓄能器
17.节流阀
18.可调节流阀
19.电磁阀
20.比例阀
21.电磁阀
22.减压阀
23.压力开关
24.先导止回阀

3.2. 液压泵站
液压泵站的动力源是齿轮泵5，为变距回路和制动器回路所共有。油泵安装在油箱油面以下并通过联轴器6，由油箱上部的电机驱动。泵的流量变化根据负荷而定。
油泵由压力传感器12的信号控制。当泵停止时，系统由蓄能器16保持压力。系统的工作压力设定范围为130bar～145bar。当压力降至130 bar以下时，泵起动；在145bar时，泵停止。在运行、暂停和停止状态，泵根据压力传感器的信号自动工作，在紧急停机状态，泵被迅速断路而关闭。
压力油从泵通过高压滤清器10和单向阀11-1传送到蓄能器16。滤清器上装有旁通阀和污染指示器，它在旁通阀打开前起作用。阀11-1在泵停止时阻止回流。紧跟在滤清器外面，先后有二个压力表连接器(M1和M2)，它们用于测量泵的压力或滤清器两端的压力降。测量时将各测量点的连接器通过软管与连接器M8上的压力表14接通。
溢流阀13-1是防止泵在系统压力超过145bar时继续泵油进入系统的安全阀。在蓄能器16因外部加热情况下，溢流阀13-1会限制气压及油压升高。
节流阀18-1用于抑制蓄能器预压力并在系统维修时释放来自蓄能器16-1的压力油。
油箱上装有油位开关2，以防油溢出或泵在无油情况下运转。
油箱内的油温由装在油池内的PT100传感器测得，出线盒装在油箱上部。油温过高会导致报警，以免在高温下泵的磨损，延长密封的使用寿命。
3.3. 变距控制
变距控制系统的节距控制是通过比例阀来实现的。如图13，控制器根据功率或转速信号给出一个（-10～+10）V的控制电压，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，控制比例阀输出流量的方向和大小。虚线内是带控制放大器的比例阀，设有内部LVDT反馈。变距油缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶节距在－5°～88°之间运动。为了提高整个变距系统的动态性能，在变距油缸上也设有LVDT位置传感器，如图13所示。

图13 节距控制示意图

在比例阀至油箱的回路上装有1bar单向阀11-4。该单向阀确保比例阀T-口上总是保持1bar压力，避免比例阀阻尼室内的阻尼“消失”导至该阀不稳定而产生振动。
比例阀上的红色LED(发光二极管)指示LVDT故障，LVDT输出信号是比例阀上滑阀位置的测量值，控制电压和LVDT信号相互间的关系，如图13所示。
变距速度由控制器计算给出，以0°为参考中心点。控制电压和变距速率的关系如图14所示。

图14 变距速率、位置反馈信号与控制电压的关系
3.4. 制动机构
制动系统由泵系统通过减压阀22供给压力源。
蓄能器16-2确保能在即使没有来自蓄能器16-1或泵的压力情况下也能工作。