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北极星电力网技术频道 作者:许勇毅，黄立松，何国栋，郑霞财，斯建龙 2009/6/22 9:54:25
1调向机构简介
目前，国内外大型风力发电机组的调向对风机构一般都采用图1所示结构。风力发电机组的 机舱和塔架分别与回转支承的内外环联接。当风力机偏离风向时，风向风速仪发出信号，经计算机发出指令，驱动安装在机舱内的调向减速机构，通过安装在调向减速机构上的小齿轮与回转支承的大齿轮啮合，使机舱绕塔架轴线旋转，从而使风轮对准风向。
大型风力发电机组的调向对风机构通常采用风向风速仪及机电或电液伺服机构来实现机组的调向对风。伺服调向机构主要由以下四个部分组成：
(1) 用于接收风速、风向信号的风向风速仪；
(2) 调向机构的原动机，在机电或电液伺服机构中是电动机；
(3) 调向机构的机械传动装置（一般起减速作用），在机电机构中，它是减速箱，在液电机构中，它由油泵和液压马达组成；
(4) 齿轮副（调向机构通过安装在减速箱输出轴或液压马达上的回转小齿轮和回转支承装置上的大齿轮啮合，以实现风轮和机舱绕塔架轴线的回转）。
2机组的调向阻力矩
大型风力机调向机构的工作载荷主要是调向阻力矩。当风力机在运行过程中，起动调向对风时，调向阻力矩M一般由下列阻力矩组成：
M=Mw+Mp+Mf+Mz （1）
式中：Mｆ——作用于回转支承装置上的摩擦阻力矩；
Mｗ——风压力作用于机舱上所引起的风阻力矩；
Mp——调向起动时由惯性力所引起的惯性阻力矩；
Mz——使风力机运行和调向平稳而由制动器产生的阻尼力矩。
2.1回转支承装置的摩擦阻力矩Mｆ
回转支承装置的摩擦阻力矩主要是由塔架上端机组的自重、自重的偏心所引起的偏心力矩以及风载荷作用于机组上端引起的弯矩所产生。可利用(2)式求得（见文献［1］）：
式中：μ——回转支承装置的摩擦系数，对金属材料可近似地取μ＝0.01;
D0——回转支承装置滚道中心的直径；
∑Ｎm由上述各种载荷引起的作用于回转支承装置滚道上的正压力的总和。
2.2作用于机舱上的风压所引起的回转阻力矩Mｗ
作用于机舱上的风压所产生的回转阻力矩Mw是由于回转中心前后机舱的迎风面积不同引起的（见图2）。可利用(3)式求得：
式中：qf——风压力（根据参考文献［2］确定）；
k1、k2——回转中心前后机舱的体形系数；
F1、F2——回转中心前后机舱的迎风面积；
l1、l2——回转中心前后机舱形心离回转中心的距离。
2.3由回转惯性所引起的回转阻力矩Mp
由惯性所引起的回转阻力矩Mp通常由以下三部分组成：
（1） 由风轮惯性所引起的回转阻力矩Mpf为：
式中：Jf——风轮的回转惯性矩；
ω——机舱的回转角速度。当机舱以每分钟n圈的速度回转时，则
t——起动时间。
(2） 由机舱惯性所引起的回转阻力矩Mpj为：
Mpj=Jj（ω/t）
式中：Jj——机舱的回转惯性矩。
（3） 由回转机构旋转零件惯性所引起的回转阻力矩Mpr为：
式中：J1、J2、J3——各旋转零件的旋转惯性矩；
ω1、ω2、ω3——各旋转零件的旋转角速度；
η1、η2、η3——各旋转零件的机械效率。
当电机轴或液压马达轴的角速度为ω1时，则
从上式可见，括号内的第一项比其余各项要大得多，为了便于计算，同时考虑在误差不大的情况下，将上式改写成为：
将各回转惯性阻力矩相加，即可得总的回转惯性阻力矩的计算公式为：
式中：η调向系统的机械传动效率，根据经验一般取0.8～0.85；
i——调向系统的总传动比（i＝ω1/ω）。
2.4由制动器产生的阻尼力矩Mz
为减少风力发电机组在运行或调向时所产生的冲击，大型风力机的调向系统一般都设置阻尼机构，其原理是利用液压系统的低压或背压使调向制动器产生阻尼力矩，其值可用下式求得：
Mz=nAPmD （5）
式中：n——制动器的副数；
A——制动器油缸的活塞面积；
P——液压系统的压力或背压；
m——制动器与刹车盘之间的摩擦系数；
D——刹车盘的工作直径。
将式（2）、（3）、（4）、（5）代入式（1），即可得调向阻力矩M为：
3调向功率的确定
为使风力发电机组具有良好的调向对风性能，调向机构的调向功率必须足以克服机组的调向阻力矩。因此，当调向阻力矩一旦确定后，可用(7)式求得调向电机的额定功率或作用于液压马达轴上的输出功率N：
式中：n——风力机在额定工况下运行时的回转速度（r/min），这一参数一般在总体设计时就已确定；
Ψ——电机或液压马达的超载系数，当选用电动机时可由手册查得，当选用液压马达时取1；
K——大于1的安全修正系数，根据经验一般取1.2～1.3为宜。
4结束语
由于风力发电机组的运行工况通常比较复杂，还有一些影响调向性能的因素很难一一加以考虑（如由于机舱上仰而引起的机组自重在倾斜方向产生的分力所形成的回转阻力矩，及风力机运行时所产生的陀螺力矩等），为此，我们在公式（7）中引进了大于1的系数K来进行修正。至于K 值究竟取多大更为合理，尚需作进一步的研究与探讨。
参考文献
[1]余国城. 关于风力机风荷载计算问题的探讨［J］，风力发电，1988，(1).
[2]余国城.用压力叠加法求解回转支承装置的摩擦阻力矩［J］.建筑机械，1997，(5).
[3]法捷耶夫.风力发动机及其在农业中的应用［M］.北京：农业出版社，1961.
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