風(fēng)電機(jī)組減振技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

文 | 田德 錢家驥

風(fēng)電機(jī)組減振技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

文 | 田德 錢家驥

風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的多體耦合系統(tǒng)，同時(shí)承受著多變的風(fēng)力載荷，導(dǎo)致振動(dòng)在風(fēng)電機(jī)組中普遍存在。振動(dòng)可以導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)械性能下降，繼而引發(fā)電能質(zhì)量下降。當(dāng)今風(fēng)電機(jī)組不斷朝著大型化方向發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外的大型風(fēng)電機(jī)組的塔架高度和風(fēng)輪直徑普遍達(dá)到數(shù)十米至上百米。要保證這樣巨大的結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下安全平穩(wěn)地運(yùn)行，振動(dòng)是必須解決的關(guān)鍵問題之一。同時(shí)，機(jī)組的振動(dòng)可以提供運(yùn)行狀態(tài)信息，為振動(dòng)分析與故障診斷提供了條件。

風(fēng)電機(jī)組是由多個(gè)部分組成的復(fù)合系統(tǒng)，不同構(gòu)件接受不同來源，不同頻率的激勵(lì)，產(chǎn)生多種不同的振動(dòng)并產(chǎn)生隱患。風(fēng)電機(jī)組主要的彈性振動(dòng)體是葉片和塔架，彈性振動(dòng)最大的危害是令結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞，縮短使用壽命。機(jī)艙剛性較好，主要以質(zhì)量慣性參與振動(dòng)。同時(shí)不穩(wěn)定的風(fēng)速輸入與傳動(dòng)配合等因素導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)并引發(fā)故障。另外偏航系統(tǒng)中都存在摩擦性能的不穩(wěn)定，也表現(xiàn)為振動(dòng)噪聲現(xiàn)象。

塔架和葉片的振動(dòng)

風(fēng)電機(jī)組塔架主要受到來自風(fēng)輪、機(jī)艙及自身重力作用，同時(shí)受到各種風(fēng)況引起的動(dòng)載荷作用，承受具有時(shí)變性的不同大小和方向的疲勞載荷和極限載荷，這對(duì)塔架提出了較高的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。所以在設(shè)計(jì)時(shí)振動(dòng)分析與控制是必要的，通過對(duì)塔架振動(dòng)特性的測(cè)量，研究和分析，可以了解實(shí)際工作過程中塔架的振動(dòng)水平及頻率成分，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高安全可靠性。

風(fēng)電機(jī)組塔架振動(dòng)的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）風(fēng)輪軸偏離風(fēng)向，軸向不對(duì)稱性使各個(gè)葉片上的速度矢量三角形不相等，產(chǎn)生振動(dòng)；（2）風(fēng)速在風(fēng)輪掃掠面上分布不均勻；（3）風(fēng)速的時(shí)變特性；（4）風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)各葉片所受重力的方向不斷變化，使風(fēng)輪對(duì)主軸作用力連續(xù)變化；（5）風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)使葉片內(nèi)部產(chǎn)生陀螺應(yīng)力。同時(shí)塔架作為基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，還要考慮到地震等地質(zhì)影響因素。以上原因引起的塔架振動(dòng)形式主要有三種：側(cè)向彎曲振動(dòng)、前后彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這些振動(dòng)不但導(dǎo)致塔架的附加應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還會(huì)導(dǎo)致塔架頂端風(fēng)輪的變形和振動(dòng)。振動(dòng)對(duì)于塔架最大危害是使構(gòu)件產(chǎn)生疲勞，在變載荷作用下塔架材料強(qiáng)度大大降低，使用壽命嚴(yán)重縮短。

目前研究表明塔架的主要振動(dòng)形式是一階彎曲振動(dòng)，一階固有頻率為0.5Hz左右。二階以上振動(dòng)幅值較小，不會(huì)產(chǎn)生明顯破壞作用。

葉片受周期性干擾力作用時(shí)，可能在不同方向發(fā)生受迫振動(dòng)。其可能的振動(dòng)類型有三種：揮舞，是指葉片在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動(dòng)；擺振，是指葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)；扭轉(zhuǎn)，是指其葉片繞其變矩軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。復(fù)合振動(dòng)指彎曲和扭轉(zhuǎn)兼而有之的振動(dòng)。這三種機(jī)械振動(dòng)和氣動(dòng)力共同作用，形成氣動(dòng)彈性問題。如圖一所示，對(duì)風(fēng)電機(jī)組危害最大的顫振是在彈性力、慣性力與氣動(dòng)力等多種因素交織作用下形成的。

風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際條件中運(yùn)行時(shí)，作用在葉片上的空氣動(dòng)力、慣性力和彈性力的形成交變載荷，會(huì)使葉片和塔架產(chǎn)生耦合振動(dòng)，其主要有兩種形式，葉片擺振與塔架側(cè)向彎曲耦合，葉片揮舞與塔架前后彎曲耦合。當(dāng)葉片的旋轉(zhuǎn)頻率接近耦合的固有頻率時(shí)就會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，縮短整機(jī)的使用壽命，直接影響風(fēng)電機(jī)組的性能和穩(wěn)定性。

研究表明大型風(fēng)電機(jī)組葉片的低階模態(tài)固有頻率在0.1Hz至幾十赫茲范圍內(nèi)，固有頻率隨階數(shù)增高而增高。

圖1 顫振的形成原因

攝影：費(fèi)雅靜

固有頻率也會(huì)隨著葉片尺寸變大而降低，隨著實(shí)際風(fēng)速提高而升高。葉片擺振方向的固有頻率高于揮舞方向的固有頻率，扭轉(zhuǎn)方向的頻率最高，主要以低階的揮舞和擺振振動(dòng)起主要作用，扭轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)影響不大。所以葉片在低階模態(tài)時(shí)的固有頻率與塔架的固有頻率有重疊區(qū)間，如風(fēng)電機(jī)組起停機(jī)時(shí)較容易發(fā)生比較大的振動(dòng)。

原理上避免顫振有兩種主要措施：（1）在設(shè)計(jì)中主動(dòng)避免顫振破壞，（2）實(shí)際工況中通過振動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)結(jié)構(gòu)。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中，不能完全避免振動(dòng)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)設(shè)法使振動(dòng)盡可能減小，特別是要避免發(fā)生共振。在實(shí)際設(shè)計(jì)中可通過適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布，改變固有頻率或限定風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速盡量避開其共振點(diǎn)。

在風(fēng)電機(jī)組的塔架與葉片的動(dòng)力學(xué)特性上學(xué)者們進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李健分析了海上風(fēng)力發(fā)電塔架的渦激振動(dòng)及疲勞；天津大學(xué)任鴻鵬等分析了鋼筋混凝土塔架的靜力及地震響應(yīng)；河海大學(xué)趙文濤等對(duì)鋼塔筒載荷的計(jì)算方法進(jìn)行了研究；中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所的毛火軍等對(duì)葉片進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試與有限元分析；新疆大學(xué)喬印虎等對(duì)葉片振動(dòng)保護(hù)方式進(jìn)行了研究并提出技術(shù)方案；新疆大學(xué)周梅等采用單片機(jī)設(shè)計(jì)了風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)保護(hù)儀。

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)

風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問題具有獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性，尤其是連接風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的齒輪箱，在隨機(jī)風(fēng)速變化環(huán)境中，受到的風(fēng)載荷非常復(fù)雜；葉片、塔架、機(jī)艙等結(jié)構(gòu)在實(shí)際風(fēng)況作用下也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和變形，對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性也會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此在實(shí)際環(huán)境中風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與常規(guī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)有很大區(qū)別，應(yīng)予以區(qū)分研究。

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)主要包括兩方面，齒輪副輪齒嚙合本身所產(chǎn)生的內(nèi)部激勵(lì)和系統(tǒng)的其他因素對(duì)齒輪嚙合所產(chǎn)生的外部激勵(lì)。齒輪副的內(nèi)部激勵(lì)是指由齒輪副輪齒嚙合過程中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，主要包括以下三種形式：（1）剛度激勵(lì)：由于齒輪輪齒嚙合的重合度大多不是整數(shù)，嚙合過程中同時(shí)參與嚙合的齒對(duì)數(shù)不斷變化，輪齒的嚙合綜合剛度隨時(shí)間周期變化，進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)嚙合力，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激勵(lì)。（2）誤差激勵(lì)：齒輪的加工和安裝存在誤差，嚙合齒廓與理想位置存在偏離，誤差產(chǎn)生的影響具有的時(shí)變性，這種偏離就形成了嚙合過程中的一種位移激勵(lì)。（3）嚙合沖擊激勵(lì)：輪齒的誤差和受載彈性變形，使一對(duì)輪齒在進(jìn)入嚙合時(shí)，其嚙入點(diǎn)偏離嚙合線上的理論嚙入點(diǎn)，引起嚙入沖擊；而在一對(duì)輪齒完成嚙合過程退出嚙合時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生嚙出沖擊。嚙入和嚙出時(shí)的沖擊統(tǒng)稱為嚙合沖擊。產(chǎn)生外部激勵(lì)的原因有：齒輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡、幾何偏心、風(fēng)輪負(fù)載扭矩波動(dòng)以及系統(tǒng)中有關(guān)零部件的激勵(lì)特性。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率處于10Hz－1000Hz區(qū)間內(nèi)，基本高于風(fēng)電機(jī)組其它組件固有頻率。

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，給風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行帶來極大隱患，降低齒輪箱使用壽命，提高故障發(fā)生頻率，影響發(fā)電質(zhì)量。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)問題的先進(jìn)理論技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外占有，雖然近年來在國(guó)家政策的支持下，風(fēng)電科技整體取得較大進(jìn)步，但仍主要依賴進(jìn)口，缺乏獨(dú)立的研發(fā)能力。同時(shí)齒輪箱又是風(fēng)電機(jī)組故障發(fā)生最頻繁的部件之一，在缺乏理論技術(shù)指導(dǎo)的情況下，齒輪箱故障帶來的維護(hù)維修，給風(fēng)電場(chǎng)的生產(chǎn)帶來巨大的損失。

對(duì)于常規(guī)齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)早在上世界80年代中外學(xué)者就進(jìn)行了大量研究并取得顯著成果，風(fēng)力發(fā)電專門的齒輪箱傳動(dòng)研究起步較晚。重慶大學(xué)朱才朝等對(duì)風(fēng)力發(fā)電齒輪箱系統(tǒng)耦合非線性動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究；浙江大學(xué)李杰，王樂勤對(duì)1.5MW風(fēng)力發(fā)電齒輪箱箱體進(jìn)行了有限元分析；重慶大學(xué)古西國(guó)對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)耦合振動(dòng)進(jìn)行了分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)；大連理工大學(xué)柴俊卿對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪增速箱振動(dòng)進(jìn)行了有限元?jiǎng)恿W(xué)分析；重慶大學(xué)周志剛對(duì)風(fēng)電機(jī)組面對(duì)的隨機(jī)風(fēng)速進(jìn)行建模，利用有限元法對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及動(dòng)態(tài)可靠性進(jìn)行了研究。

偏航系統(tǒng)的振動(dòng)

大型風(fēng)電機(jī)組均采用主動(dòng)偏航系統(tǒng)，并普遍設(shè)置有摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于偏航動(dòng)作具有低速、重載的特點(diǎn)，低速摩擦自激振動(dòng)現(xiàn)象多發(fā)，導(dǎo)致偏航運(yùn)動(dòng)均勻性差、精度降低，而且容易產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生額外的疲勞載荷，而且偏航系統(tǒng)的固有頻率區(qū)間與塔架固有頻率區(qū)間重疊度很大，比較容易產(chǎn)生共振。

西北工業(yè)大學(xué)廖明夫等指出潤(rùn)滑不良、裝配誤差、結(jié)構(gòu)缺陷等會(huì)影響扭矩傳遞的平穩(wěn)性，摩擦副可能成為振源，當(dāng)其自激振動(dòng)頻率接近塔架的典型固有頻率時(shí)，會(huì)引起塔架的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)失穩(wěn)。鄂加強(qiáng)等進(jìn)行了風(fēng)電偏航減速機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析。南車株洲電力機(jī)車研究所韓德海等對(duì)實(shí)驗(yàn)室和風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組出現(xiàn)的偏航振動(dòng)噪聲進(jìn)行了測(cè)試和分析，指出了典型偏航振動(dòng)噪聲的時(shí)域和頻域特征，給出了偏振動(dòng)噪聲的辨識(shí)方法。中南大學(xué)李曉光等建立了兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)振動(dòng)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并引入摩擦失穩(wěn)阻尼比，得出了主動(dòng)偏航過程兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)摩擦失穩(wěn)條件。

減振技術(shù)

解決風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)問題，總體上要從設(shè)計(jì)上的優(yōu)化與控制上的優(yōu)化兩個(gè)方面進(jìn)行。

在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，要深度研究振動(dòng)機(jī)理，確定具體部件振動(dòng)發(fā)生的根本原因，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式，降低振動(dòng)發(fā)生的機(jī)率。采用模態(tài)分析，有限元分析等現(xiàn)代計(jì)算方法，在理論成立的情況下建模仿真，具備條件時(shí)進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐中改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組各部件的設(shè)計(jì)。利用日益發(fā)展的材料科學(xué)技術(shù)與加工工藝，尋找更加適用于風(fēng)電機(jī)組的材料來滿足風(fēng)力發(fā)電的特殊生產(chǎn)需求。同時(shí)要積極創(chuàng)新，改革現(xiàn)有理論技術(shù)，尋找新的設(shè)計(jì)方式?？刂苾?yōu)化方面應(yīng)設(shè)計(jì)更高效的控制方法，改善控制精度與控制可靠性。通過控制與監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)化及時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)引發(fā)故障的征兆，降低機(jī)組損壞機(jī)率，減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本與損失。

由于利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析技術(shù)進(jìn)行故障診斷的信息類型多，量值變化范圍大，具有多維性，便于進(jìn)行識(shí)別和決策，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)。在工程實(shí)際中監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)通常是多種振動(dòng)信號(hào)的組合，需要將原始信號(hào)進(jìn)行處理，利用時(shí)域、頻域和時(shí)頻分析方法提取有用的故障征兆信息。對(duì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)施監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)控的參數(shù)超過限定值馬上執(zhí)行停機(jī)或者報(bào)警的措施，這樣能有效避免故障發(fā)生與機(jī)組損壞。重慶大學(xué)吳宏鋼設(shè)計(jì)了一種風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)檢測(cè)與噪聲評(píng)估虛擬儀器系統(tǒng)；華北電力大學(xué)張照煌等提出了一中基于小波變換的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷分析方法；浙江大學(xué)徐展設(shè)計(jì)并完成了基于嵌入式系統(tǒng)下位機(jī)和基于PC上位機(jī)架構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警與診斷一體化系統(tǒng)。除此之外國(guó)內(nèi)外還有大量的相關(guān)研究成果。

振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖二所示。

結(jié)語

從風(fēng)電機(jī)組的塔架，葉片，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)幾個(gè)方面介紹了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中普遍存在的振動(dòng)問題，簡(jiǎn)析各種振動(dòng)的成因與危害，概述各部件固有頻率與共振發(fā)生機(jī)率，分析了目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得的一些減振技術(shù)研究成果。并給出以下幾點(diǎn)建議：

(1)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)安裝方面：優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高機(jī)械平衡性能及其他機(jī)械性能，采用具有耐疲勞性能的材料，提高機(jī)組部件生產(chǎn)質(zhì)量，提高裝配精度，減小生產(chǎn)與安裝誤差引起的振動(dòng)激勵(lì)；

(2)控制方面：優(yōu)化控制策略與方法，改善現(xiàn)有控制方式，提高控制精度與可靠性，在控制層面提高對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生破壞的應(yīng)對(duì)能力；

(3)實(shí)際測(cè)試方面：對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量記錄各部件實(shí)際工況中的振動(dòng)，分析研究振動(dòng)信號(hào)包涵的有效信息，將分析結(jié)果結(jié)合理論深入研究振動(dòng)成因，提出減振方法。

圖2 基于振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

(作者單位：新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華北電力大學(xué))

攝影：趙云逸