風力發電機組偏航系統常見故障分析★

寧文鋼， 姜宏偉， 王岳峰

（太原重工技術中心， 山西 太原 030024）

引言

風能是一種可再生的清潔能源，取之不盡、用之不竭，是人與自然和諧共處、實現經濟和社會可持續發展的新能源。近幾年，隨著人們對全球氣候變化問題重視程度與日俱增，風力發電得到了快速發展，尤其在一些發展中國家，如中國、印度及拉丁美洲一些國家，風電行業的大規模發展逐步提上日程。

由于風的方向是不斷變化的，水平軸風力發電機組需要靠偏航系統不斷調整方向，最大限度的利用風能，目前市場上偏航系統有多種形式，從傳動形式方面分液壓偏航和電動偏航，從控制方面分主動偏航和被動偏航，從偏航布置形式方面分內嚙合驅動和外嚙合驅動偏航，從偏航軸承形式方面分滾動偏航和滑動偏航。水平軸、主動型、電動驅動的滾動偏航系統驅動機構主要包括偏航軸承、偏航驅動裝置、偏航制動器、偏航制動盤等幾部分組成。偏航驅動機構如圖1所示。

圖1 偏航驅動機構圖

總結近幾年數十個風電場實際運行經驗，偏航系統在整機運行過程中主要存在以下幾方面問題：

1 偏航噪音偏大

偏航噪音大是風力發電機組常出現的問題，噪音的產生必然有振動的存在，從而對整機的安全穩定運行造成不利影響，因此噪音問題必須引起重視。一般情況下，偏航噪音主要由以下幾個原因產生。

1）偏航驅動小齒輪與偏航軸承齒圈嚙合異常產生噪音[1]，異常原因主要有兩方面，一方面為偏航驅動小齒輪與偏航軸承大齒圈之間的齒側間隙設計不合理或沒有調整到設計值。為了方便調整輸出齒輪與大齒圈的齒側間隙，偏航驅動輸出小齒輪有一定的偏心量（一般為1～1.5 mm），如齒側間隙不合理，輕則導致啟動瞬間有異響，重則會發生齒輪嚙合卡死現象；另一方面偏航過程中驅動齒輪與偏航軸承齒圈表面缺少潤滑油脂，齒面潤滑脂在齒輪嚙合過程中可以起到減小齒面磨損、防腐蝕及降低噪音的作用，由于偏航處載荷較大，齒面缺少潤滑脂，在偏航時會產生較大噪音，加速齒輪磨損，因此在日常維護時必須保證齒面潤滑良好。

2）偏航過程中偏航制動器與制動盤產生的摩擦噪音。為保證偏航過程中整機運行穩定，降低外載荷對偏航小齒輪的沖擊，通常會在偏航過程中讓偏航制動器保留一定余壓，即整個偏航過程偏航制動器夾緊制動盤完成，有些機組在此過程中就會生產異響，分析原因如表1所示。

表1 摩擦噪音分析

3）其他方面原因導致制動力矩不夠，機組在風載作用下整機不規律晃動產生噪音。偏航部分設計時，設計人員都會充分考慮偏航制動力矩問題，如果發生制動器抱不住現象，分析原因如表2所示。

4）機械結構件干涉產生噪音。由于偏航過程中存在相對運行的情況，如塔筒頂法蘭與偏航軸承內圈連接，偏航軸承外圈與主機架連接，偏航時偏航軸承內圈固定不動，偏航軸承外圈與主機架在偏航驅動作用下繞偏航軸承內圈旋轉，在相對旋轉過程中有可能發生安裝在主機架下表面的結構件或主機架下表面誤差超差與偏航軸承內圈或塔筒頂法蘭干涉，此類干涉產生的噪音比較有規律且容易被查出。

2 偏航減速齒輪箱打齒

目前偏航驅動齒輪箱已經基本國產化，產品質量趨于穩定，但仍有個別風力發電機組中會發生偏航驅動齒輪箱打齒現象，分析原因主要有以下幾個方面：

1）偏航過程中、偏航制動時受到外載荷的沖擊。在偏航過程中偏航制動器雖然帶有一定壓力，但是此時的偏航制動器僅起到提供一定阻尼的作用，突然的陣風依然會對齒輪產生一定沖擊；偏航制動時當外載荷大于偏航制動器制動力矩之和時偏航驅動電機尾部的制動器參與制動，當外載荷繼續增大超過設計載荷時，偏航驅動電機尾部制動器先發生打滑、甚至發生崩脫，如果偏航驅動電機尾部制動器設置的制動力矩安全系數過高，那么減速機行星結構中安全系數最小的一級就會先發生損壞。因此在保證整機偏航穩定性的同時，盡量選擇合理的偏航制動力矩。

2）齒輪加工或熱處理過程中產生缺陷。導致材料脆性增加[2]，沖擊韌性大大降低，齒輪受到輕微沖擊載荷時就會發生斷裂，這通常是造成此類齒輪斷齒的主要原因。

3）齒輪箱漏油導致減速機高速級缺少潤滑發生打齒，由于偏航減速機齒輪的氣密性不合格或運行一段事件后發生潤滑油泄漏問題，高速級最先處于缺油運行狀態，加之一定的沖擊載荷，高速級行星傳動很容易出現打齒。因此加強風電場日常巡檢工作，對避免此類故障尤為重要。

3 偏航軸承斷齒及滾道脫落

偏航軸承是風力發電機組機艙與塔筒連接的關鍵部件，偏航軸承發生損壞，將動用大型吊裝設備進行現場更換。目前運行的風電場中偏航軸承發生的故障率不高，一般集中在偏航軸承的齒圈和內外圈之間的滾道。偏航軸承結構如圖2所示。

圖2 偏航軸承結構圖

偏航軸承的齒圈最容易發生斷齒，一般為偏航驅動齒輪的沖擊或加工、熱處理過程中出現缺陷導致。內外圈之間的滾道容易發生滾道脫落、剝離，產生的原因多為受沖擊載荷較大、潤滑缺失、熱處理工藝不合格。因此在設計過程中應充分考慮偏航軸承關鍵部分安全系數的選取，按照實際風電場實際運行載荷工況對偏航軸承的極限承載能力及疲勞壽命進行仿真分析，確保滾道潤滑良好，同時嚴格控制產品的加工工藝，提高偏航軸承整體的可靠性。

4 偏航制動盤磨損

偏航制動盤在偏航系統中扮演重要角色，偏航過程中偏航制動盤與偏航制動器配合為整機提供一定阻尼；偏航制動時，偏航制動器夾緊偏航制動盤為整機提供制動力矩，保證風機始終處于迎風狀態。但是制動盤一旦發生過度磨損依然要動用大型設備進行現場更換，出現過度磨損情況可分兩類：一類是偏航過程中偏航制動器偏航壓力設置較大，長期磨損導致制動盤不能滿足制動器的夾緊要求；另一類是制動器摩擦片磨損過度，制動器里的液壓缸與制動盤直接接觸導致制動盤磨損嚴重。為避免上述情況發生，一是要根據風電場實際運行情況，設定合理的偏航制動壓力，確保偏航壓力設置的準確性；二是考慮選用耐磨性更好的制動盤材料，對制動盤與制動器接觸的表面行為公差提出嚴格要求，降低對制動盤的磨損；三是要加強現場的日常巡檢工作，避免出現制動器摩擦片過度磨損而導致制動器液壓缸磨損制動盤的問題發生。

5 結語

偏航系統是風力發電機組關鍵組成部分，從結構上來說偏航系統是連接機艙與塔筒的核心環節，從功能上來說偏航系統是水平軸風力發電機組保證風能利用率必備組件。偏航系統一旦產生故障，輕則損失發電量，影響機組的正常運行，重則需動用大型吊裝設備進行檢修、更換。因此為避免偏航系統故障的發生，在偏航系統設計和整機生產、運行時應從合理的參數選取、嚴格的過程質量控制、良好的運維管理等各個環節嚴格把控，確保風力發電機組安全、穩定、高效的運行。