风力机对风装置
Yaw System
在“水平轴风力机组成与形式”一节中曾介绍水平轴风力机的对风方式,这里再介绍一下尾舵对风与侧风轮对风,然后重点介绍偏航系统。

尾舵对风

在小型风力机普遍采用尾舵对风,图1是一台采用尾舵对风的小型风力机。

尾舵对风小型风力机,wind turbine

图1--尾舵对风小型风力机
下面是这台采用尾舵对风的小型风力机运行的3D动画,动画格式.mp4;分辨率640×480。
动画1--尾舵对风小型风力机3D动画

许多农用的多叶风轮风力机也采用尾舵对风,有些尾舵是两叶张开的样式,对风有较大的阻力,以抗衡多叶风轮的阻力,保证稳定的对风,见图2。

多叶风轮风力机也采用尾舵对风

图2--多叶风轮风力机也采用尾舵对风

侧风轮对风

侧风轮对风结构在机舱后部两侧有两个侧风轮(舵轮),两个侧风轮一般在同一个转轴上,转轴水平并与风力机风轮主轴垂直。在风力机准确对风时两侧风轮面与风向平行,侧风轮不会旋转;当风力机未对风时侧风轮与风有夹角就会旋转,并通过齿轮或蜗杆蜗轮推动机舱转动直至风力机风轮对风后停止。图3左面是侧风轮对风风力机侧视图,右面是侧风轮对风风力机透视图

侧风轮对风示意图

图3--侧风轮对风示意图

侧风轮对风结构较复杂,优点是没有电时也能对风。

侧风轮对风在荷兰风车中也有应用,图4就是利用侧风轮对风的荷兰风车图片(图片来自网络)。

侧风轮对风的荷兰风车

图4--侧风轮对风的荷兰风车

测风系统

风力机要能最大的捕获风能必须准确的对风,控制风力机准确对风必须知道风向,所以测量风向是第一件事。什么时候达到切入风速启动风力机工作、什么时候进入额定转速、什么时候达到切出风速停止风力机,最大功率与浆距角的调整都需要知道风速,所以测量风速也是必不可少的。一般风力机的切入风速约3m/s至4m/s;额定风速根据风电场的具体情况定,多数在12m/s至14m/s;切出风速多数为25m/s。

在“风力与风的测量”一节中已介绍过风向标、三杯风速仪、浆叶式风速风向仪与超声波风速风向仪。机械式风速风向仪由于造价低、易维护,在目前风力机对风中仍在广泛应用,图5是一台风向风速仪(风向风速传感器)。

风力机的风向风力传感器

图5--风力机的风向风力传感器

测风仪安装在机舱后部顶上,左右两套相互备用与相互校验。

偏航系统

对于较大的风力发电机的对风就复杂多了,风轮安装在机舱前端,机舱安装在塔架上,机舱能以塔架轴线为轴转动,使风轮面对来风。

在机舱与塔架间安装有一套设备来实现风力机的对风。这套设备称为偏航系统,包括偏航轴承、偏航齿轮、驱动电动机、控制系统装置与测风装置等。下面介绍一种常用偏航系统的结构。

在塔架顶端的塔筒法兰上安装偏航轴承,偏航轴承的外圈固定在塔架顶端,偏航轴承的内圈将用来安装机舱底盘。偏航轴承有很强的轴向承重能力、能承受径向冲击力与倾覆力矩,在偏航轴承外圈的外围集成着偏航齿轮,见图6。

塔架与偏航轴承

图6--塔架与偏航轴承

把机舱底盘安装在偏航轴承的内圈上,机舱底盘是风力机主轴、齿轮箱、发电机等设备安装的机座,也叫机架,见图7(图中仅显示机架中间部分)。机舱底盘可通过偏航轴承以塔架轴线为轴转动。

机舱底盘与塔架

图7--机舱底盘与塔架

在机舱底盘上安装有偏航驱动电动机,通过电机的减速箱连接小齿轮,小齿轮与偏航齿轮啮合,偏航驱动电动机旋转时即可推动机舱底盘在塔架上转动。偏航驱动电动机一般有两台至四台,M瓦级以上的风力机会多至6至8台。图8是装有2台驱动电动机的偏航系统示意图。

风向风速仪把信号传送到控制柜,通过微处理器处理后输出控制信号,该信号控制偏航驱动电动机的运行,当风轮轴与风向有一定偏差时就启动偏航驱动电动机进行对风。

水平轴风力机偏航系统

图8--水平轴风力机偏航系统

发电机输出电缆与信号电缆是从机舱通过塔架到地面,小微型风力发电机在偏航转轴处装有滑环装置,发电机输出电缆通过滑环连接塔架内的电缆,风力机发生多圈的偏航转动也不会扭坏电缆。

对于中大型风力发电机,输出电压高、电流大,滑环无法承受,发电机输出电缆一直连到塔底配电箱,如果机舱在对风时过多朝一个方向旋转,会扭坏电缆。

要对偏航角度进行测量,防止单向过转扭坏电缆。安装偏航编码器(偏航传感器),编码器的检测齿轮与塔架的偏航齿轮紧密啮合,见图8。当机座转动时可测出转动角度,编码器内采用光电编码盘,每转一个齿输出若干脉冲,精度很高。控制系统发现单向转动过度时,就停机,反向偏航旋转进行解扭。

中小型风力机也可以采用电磁感应转速传感器直接对偏航齿轮的齿计数,实现偏航转角的测量。

下面是该偏航系统相关装置运行的3D动画 。

动画2--水平轴风力机偏航动画

有些中小型风力机的偏航轴承采用滑动轴承,可降低偏航系统的成本,这里就不做介绍了。

偏航也有刹车系统,也称偏航制动器,因风向较稳定时,不启动偏航电机,通过制动器锁定风力机。避免偏向的阵风、振荡风对偏航装置造成的冲击,使偏航稳定,在故障时也会立即刹车。偏航制动器的刹车盘与刹车夹钳等相关驱动装置都在偏航轴承内部下面,刹车夹钳一般至少2个,都为常闭式,有关机构这里就不再图示了。

也可以直接对偏航驱动电动机进行刹车来实现偏航刹车。

图9是从网络转载的照片,照片中注有扭缆传感器下方的白色齿轮与偏航齿轮啮合。偏航驱动电动机有磁力刹车功能。

偏航驱动电机与防扭缆传感器

图9--偏航驱动电机与防扭缆传感器
 
 
返回上一页   Back to Previous Page