风力发电机组偏航系统常见机械故障原因分析

白金亮

（北京国电思达科技有限公司，北京 100039）

1 前言

偏航系统是风力发电机组重要的组成部分，它是一个随动系统，使机组跟踪风向的变化，保证机组始终正对风向，获得最大的风能，提高发电效率。因此，偏航系统的安全、稳定运行，对风力发电机组有着重要的意义。

2 风力发电机组偏航系统结构、工作原理及作用

2.1 风力发电机组偏航系统结构

风力发电机组偏航系统由偏航检测机构（风速仪、风向标、偏航编码器）、偏航控制机构（PLC、电控系统）和偏航执行机构（偏航驱动电机、偏航减速器、偏航小齿轮、偏航轴承齿盘、偏航轴承、润滑系统、偏航制动系统等）三大部分组成。

2.2 风力发电机组偏航系统工作原理

风力发电机组偏航系统工作原理：偏航检测机构将当前机组的风速、风向信号传递给PLC；PLC计算出机组当前对风角度，由PLC内部控制逻辑判断机组是否启动偏航，当达到偏航启动条件时，PLC发出控制指令。首先偏航电机电子刹车打开、偏航刹车系统液压站泄压，随后PLC发出偏航软启使能信号及偏航接触器控制信号（左偏、右偏），继而发出偏航软启启动信号，之后偏航电机开始运行，经过偏航减速器减速后通过偏航小齿轮带动机舱在偏航齿盘上旋转，完成偏航动作，偏航齿盘固定在风机塔筒上，通过偏航轴承与机舱连接。

2.3 风力发电机组偏航系统的作用

偏航系统是风力发电机组特有的随动系统，偏航系统有三个主要作用。一是跟踪风向变化，与风电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的叶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。二是解缆和纽缆保护，由于风力发电机组可能会持续地往一个方向偏航，为了保证机组悬垂部分的电缆不产生过度的纽绞而使电缆断裂，在电缆达到设计缠绕值时能自动解缆。同时，在偏航到达设计极限值时，能够触发机组停机。三是机组定位，在风向相对稳定时能按照设定值提供锁紧力矩，使机舱稳定在一个方位，保障机组安全稳定运行。

图1 偏航系统工作原理

3 偏航系统常见机械故障原因分析

3.1 偏航振动超限或噪音过大问题

偏航振动和噪音过大是风力发电机组常见问题，一般会同时发生，从而严重影响风机安全稳定运行，因此彻底解决偏航振动以及噪音问题至关重要。针对某种兆瓦级风力发电机组分析原因如下几种情况：

偏航过程中偏航制动器摩擦片与制动盘之间的摩擦异常产生振动及噪音。因偏航系统采用齿轮驱动，为避免驱动齿轮承受震荡变化的风向引起的交变载荷，保证机组偏航过程中运行稳定，通常设计偏航系统在偏航过程中必须具有一定的阻尼力矩，即整个偏航过程偏航制动器靠一定的压力夹紧偏航制动盘，有些机组在偏航过程中会出现振动和噪音，原因分析如表1。

表1 震动及噪音原因分析

偏航驱动小齿轮与偏航轴承齿盘之间啮合异常时产生振动和噪音，原因分析如下。一是由于偏航驱动小齿轮与偏航轴承齿盘之间齿侧间隙设计不合理或者安装超差，偏航驱动小齿轮有一定的偏心量，如果齿侧间隙不合理，轻则发生振动和噪音，重则断齿。整改措施是重新调整齿侧间隙；二是驱动小齿轮和偏航轴承齿盘齿面没有润滑油脂，由于偏航处承担较大载荷导致在偏航过程中齿间产生较大摩擦力，加速齿面磨损，也导致偏航振动和噪音。整改措施是按照维护周期和运行状态进行齿面润滑或者改造成自动润滑系统。

3.2 偏航减速器齿圈开裂或者行星轮断齿

偏航减速器是偏航系统传递扭矩的关键部位，起着连接偏航电机和偏航轴承的作用。偏航减速器损坏情况如图2。

图2 偏航减速器齿圈开裂和行星轮断齿

结合风力发电机组运行情况，分析偏航减速器齿圈开裂或者行星轮断齿主要原因有，偏航减速器零部件设计强度不能满足使用要求或者是加工以及热处理过程中产生缺陷，导致零部件脆性增加，冲击韧性降低，受到轻微外力便发生断裂；偏航减速器瞬间受到外载荷的冲击，当超过极限载荷时，太阳轮或者行星轮会发生断齿，如果继续运行，断齿卡在啮合齿之间，造成齿圈开裂；由于欠维护以及漏油造成偏航减速器高速级润滑不良发生断齿，润滑不良时高速级最先处于无润滑状态运行，经过长时间磨损且遇到较大外载冲击，容易发生断齿。

针对以上原因分析制定如下整改措施：首先是设计过程中充分考虑偏航减速关键部件安全系数，按照风电场实际运行载荷工况对偏航减速器极限承载能力以及疲劳寿命进行仿真，选取最高级别安全系数进行设计生产；其次是严格控制产品加工工艺，提高偏航减速器的整体可靠性；最后是必须按照设计周期进行维护保养，及时进行油品检测和换油补油工作。

3.3 偏航刹车盘磨损

在机组偏航以及制动过程中，偏航刹车盘与偏航制动器配合为机组提供一定阻尼，保证风力发电机组稳定处于迎风状态。当偏航刹车盘发生严重磨损，不但影响机组的风能利用率，而且维修成本高，严重磨损情况如图3。

图3 偏航刹车盘严重磨损

偏航过程中，偏航制动器偏航压力设置过大，长期磨损导致偏航刹车盘不能满足偏航阻尼力矩要求；偏航制动器摩擦片未及时更换发生过度磨损，偏航制动器底板（钢质材质）直接摩擦刹车盘，导致刹车盘磨损；偏航制动器液压系统漏油到刹车盘，制动器摩擦片（多为树脂聚合物复合材料）长期被油液污染容易出现碎块；机组运行过程中，摩擦片与制动盘相互摩擦产生摩擦残留物（碳粉），碳粉会附着在制动盘和制动器刹车片之间，在刹车系统阻尼压力和摩擦热的作用下形成燃烧层（即脆化光亮的釉层）。摩擦片碎块和釉层压在制动器和刹车盘之间，在偏航过程中导致刹车盘受力不均匀，进而破坏刹车盘。

整改措施：按照设计要求调整偏航系统阻尼压力值，并进行测试；及时更换磨损异常的刹车片，保持刹车片厚度满足要求；及时清理刹车盘异物，保持刹车盘光洁平整。

4 结语

风力发电机组偏航系统机械故障对风机稳定运行影响很大，本文深入分析了风力发电机组偏航系统机械问题的根本原因，提出了相应的解决方案，从而降低了风力发电机组偏航系统机械故障的不利影响，减少了风机运行隐患，对机组安全稳定运行有重要意义。