風(fēng)電機(jī)組葉片不平衡導(dǎo)致振動(dòng)的檢測(cè)與糾正

文 | 張羽

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風(fēng)電機(jī)組葉片不平衡導(dǎo)致振動(dòng)的檢測(cè)與糾正

文 | 張羽

風(fēng)電機(jī)組葉片不平衡主要包括質(zhì)量不平衡和氣動(dòng)不平衡兩方面，無(wú)論是哪種不平衡都會(huì)給風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)擺幅很大的振動(dòng)，危害風(fēng)電機(jī)組的壽命和安全。如發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)過(guò)大，應(yīng)及時(shí)查找振動(dòng)起因，采取專(zhuān)業(yè)的設(shè)備，準(zhǔn)確測(cè)量，采用科學(xué)的方法及時(shí)糾正，以消除風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)，保證風(fēng)電機(jī)組的可靠運(yùn)行。

葉片不平衡危害

一、振動(dòng)過(guò)大

在實(shí)際運(yùn)行中葉片不平衡往往會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)過(guò)大，包括機(jī)艙沿風(fēng)向振動(dòng)、機(jī)艙橫向振動(dòng)、機(jī)艙扭轉(zhuǎn)方向振動(dòng)等。振動(dòng)會(huì)造成明顯的齒輪箱前后竄動(dòng)、機(jī)艙左右強(qiáng)烈搖晃、偏航制動(dòng)位置竄動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)在偏航處發(fā)出強(qiáng)烈的噪音，損壞機(jī)艙內(nèi)部件。

通過(guò)仿真對(duì)比正常運(yùn)行的和單支葉片質(zhì)量不平衡的風(fēng)電機(jī)組，可以看出塔頂機(jī)艙振動(dòng)加速度幅值明顯加大。從圖1可以看出，風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行（三支葉片平衡）時(shí)，塔頂機(jī)艙前后振動(dòng)方向振動(dòng)加速度和機(jī)艙橫向振動(dòng)加速度振動(dòng)幅值不超過(guò)0.3m/s2；將單支葉片附加一定重量，塔頂機(jī)艙前后振動(dòng)方向振動(dòng)加速度和機(jī)艙橫向振動(dòng)加速度振動(dòng)幅值均明顯超標(biāo)，而機(jī)艙橫向擺幅更大，幅值超過(guò)1.5 m/s2。

二、載荷過(guò)大

風(fēng)電機(jī)組葉片不平衡運(yùn)行必然造成載荷增大，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值。葉片不平衡導(dǎo)致傳動(dòng)鏈扭矩不平衡，將影響齒輪箱與軸承的壽命和強(qiáng)度。不平衡帶來(lái)的塔頂振動(dòng)，影響塔筒的安全性。葉片不平衡對(duì)葉片本身強(qiáng)度也有很大影響。不平衡的問(wèn)題嚴(yán)重或長(zhǎng)期不處理，會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組可靠性，降低風(fēng)電機(jī)組壽命。

通過(guò)仿真對(duì)比正常運(yùn)行的和單支葉片質(zhì)量不平衡的風(fēng)電機(jī)組，可以得到風(fēng)電機(jī)組各個(gè)部位的載荷普遍增大，比如偏航位置的傾覆力矩和偏航旋轉(zhuǎn)力矩成倍增加。

在圖2中，風(fēng)電機(jī)組在恒定風(fēng)速正常運(yùn)行時(shí)，偏航中心風(fēng)電機(jī)組的傾覆力矩穩(wěn)定維持在800kNm左右，偏航旋轉(zhuǎn)扭矩在-400kNm左右；一支葉片質(zhì)量不平衡后，風(fēng)電機(jī)組在恒定風(fēng)速下，傾覆力矩波動(dòng)很大，極限載荷也明顯增加，偏航旋轉(zhuǎn)的扭矩也大范圍波動(dòng)，對(duì)偏航減速器、偏航制動(dòng)帶來(lái)較大的交變載荷沖擊。

三、影響發(fā)電量

葉片不平衡引起傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)方向振動(dòng)，影響發(fā)電量的穩(wěn)定。如果是葉片角度不平衡則影響葉片的功率吸收，從而影響發(fā)電量。

某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組安裝后，三支葉片角度不統(tǒng)一，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并重新校準(zhǔn)葉片；圖3為校準(zhǔn)前后功率曲線的對(duì)比。

引發(fā)葉片不平衡的原因

一、質(zhì)量分布不均的葉片

葉片質(zhì)量存在偏差主要是葉片出廠前質(zhì)量控制不到位造成，正常葉片出廠前要進(jìn)行嚴(yán)格的配平成套供應(yīng)。

二、安裝角度誤差

風(fēng)電機(jī)組安裝后，在調(diào)試前要進(jìn)行葉片安裝角校準(zhǔn)，依據(jù)為葉片0度標(biāo)尺和輪轂0度基準(zhǔn)，實(shí)際操作中往往存在葉片0度標(biāo)尺不夠準(zhǔn)確和輪轂0度基準(zhǔn)模糊等問(wèn)題，容易造成葉片實(shí)際運(yùn)行0度不統(tǒng)一。

三、變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障

變槳角度傳感器精度不夠、變槳電機(jī)損壞、個(gè)別變槳軸承摩擦力矩存在問(wèn)題等都會(huì)造成葉片在變槳運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)偏差，造成葉片角度不統(tǒng)一。

四、低速軸不對(duì)中

整機(jī)安裝時(shí)，低速軸安裝不對(duì)中，主軸承游隙過(guò)大或存在缺陷，主軸彎曲，都會(huì)造成葉輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡。

五、滲水/結(jié)冰

葉片長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)發(fā)生排雨孔堵塞，導(dǎo)致葉片內(nèi)部積水，影響葉片質(zhì)量平衡。

葉片覆冰，葉片表面結(jié)冰是比較常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。葉片覆冰后會(huì)導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量偏差，風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)明顯。目前有些風(fēng)電機(jī)組廠家采取一些監(jiān)控措施發(fā)現(xiàn)葉片結(jié)冰，停機(jī)對(duì)風(fēng)電機(jī)組保護(hù)，或采用特殊涂層，阻止葉片結(jié)冰。

六、葉片狀態(tài)

葉片由于長(zhǎng)期污染，氣動(dòng)特性偏離設(shè)計(jì)值，也會(huì)引起氣動(dòng)不平衡。葉片由于雷擊、鳥(niǎo)撞或風(fēng)沙等原因造成葉尖開(kāi)裂、尾緣分層等損傷，對(duì)葉片的氣動(dòng)特性也會(huì)造成影響。

葉片不平衡檢測(cè)與處理

一、觀測(cè)

單支葉片不平衡在一倍頻上的振動(dòng)明顯高于三倍頻上振動(dòng)。葉片角度等氣動(dòng)不平衡引起的周期振動(dòng)明顯，通過(guò)對(duì)比葉片轉(zhuǎn)動(dòng)頻率能夠初步觀測(cè)到，也可在塔底通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察或通過(guò)照相機(jī)定點(diǎn)拍照合成對(duì)比。葉片質(zhì)量不平衡可以通過(guò)在高速軸聯(lián)軸器上使用拉力計(jì)測(cè)定不同方位角下的拉力，來(lái)簡(jiǎn)單判斷葉片質(zhì)量偏差。但通過(guò)簡(jiǎn)單觀測(cè)手段只能初步了解問(wèn)題所在，還不能準(zhǔn)確判斷不平衡量超標(biāo)情況，也無(wú)法給出準(zhǔn)確的解決方案。

二、氣動(dòng)不平衡和質(zhì)量不平衡的判斷

如果風(fēng)電機(jī)組低頻振動(dòng)過(guò)大即擺動(dòng)過(guò)大，可以初步認(rèn)為是葉片不平衡造成，后續(xù)還需確認(rèn)是質(zhì)量不平衡還是氣動(dòng)不平衡引起，以便采取措施。

通過(guò)風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)的振動(dòng)傳感器可以初步判斷，葉片質(zhì)量不平衡會(huì)造成機(jī)艙橫向振動(dòng)明顯增大，葉片氣動(dòng)不平衡會(huì)造成縱向振動(dòng)明顯增大。

如圖4，仿真葉片質(zhì)量不平衡，可看出機(jī)艙在xy方向上振動(dòng)均增大，y方向更劇烈（x：沿風(fēng)向，y：垂直于風(fēng)向）。

如圖5，仿真一只葉片角度偏差，可看出機(jī)艙在xy方向上振動(dòng)均增大，x方向更劇烈。

三、質(zhì)量不平衡的精確測(cè)量和處理

質(zhì)量不平衡精確測(cè)量采取的手段與通用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的單平面法測(cè)量動(dòng)平衡類(lèi)似。具體步驟如下：

（一）安裝傳感器，在軸承座或其他軸系支撐位置水平安裝低頻加速度傳感器，在旋轉(zhuǎn)軸與和相對(duì)靜止位置安裝反光條和激光相位傳感器，如圖6所示。

（二）第一次測(cè)量，風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)后以一定速度空轉(zhuǎn)，利用加速度傳感器可以測(cè)出振幅的變化和最大振幅，記錄加速度隨時(shí)間的變化曲線，同時(shí)通過(guò)相位傳感器記錄此時(shí)的方位角，便可得到不平衡點(diǎn)與反光條標(biāo)定點(diǎn)的角度。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間記錄取平均值，可提高信噪比，去除風(fēng)產(chǎn)生的振動(dòng)影響。

（三）第二次測(cè)量，選擇與不平衡點(diǎn)成一定角度的葉片，安裝配重，再次測(cè)量振動(dòng)和對(duì)應(yīng)的相位，可得到新的不平衡點(diǎn)的角度。

（四）糾正不平衡，通過(guò)解方程可求出不平衡質(zhì)量和角度，在對(duì)面安裝配重，再次測(cè)量觀察振幅是否削弱。

四、角度不平衡測(cè)量和糾正

角度不平衡與質(zhì)量不平衡的測(cè)量方法類(lèi)似，但要得到詳細(xì)的角度偏差，還要經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算。葉片1角度偏差3度引起機(jī)艙x方向振動(dòng)與葉輪方位角的關(guān)系如同余弦曲線。葉片2角度偏差3度引起機(jī)艙x方向振動(dòng)與葉輪方位角的關(guān)系如同正弦曲線，方位角0度標(biāo)定為葉片1豎直向上的位置（圖7所示）。

依據(jù)以上結(jié)論，采取在主軸承支點(diǎn)安裝x方向加速度傳感器，同時(shí)使用激光相位傳感器記錄相位，并將一支葉片標(biāo)定為方位角0度，測(cè)量得出x方向振動(dòng)值與方位角的關(guān)系曲線，機(jī)艙x負(fù)方向極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方位角對(duì)應(yīng)的葉片即為角度偏差葉片。再通過(guò)仿真，比較振動(dòng)幅值可估算出大致角度偏差。

目前使用地面激光設(shè)備校準(zhǔn)葉片安裝角度也是比較前沿的方法。

結(jié)論

振動(dòng)影響著風(fēng)電機(jī)組的安全、壽命和穩(wěn)定運(yùn)行。葉片不平衡是風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)最常見(jiàn)的原因之一，但起因比較復(fù)雜，潛在影響也不直觀，所以經(jīng)常被忽視。而其周期性的振動(dòng)長(zhǎng)期積累，給風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)的潛在危害非常大，比如同一風(fēng)電場(chǎng)同一品牌批次的齒輪箱就存在提前報(bào)廢一臺(tái)的現(xiàn)象，其損害因素往往很難找到。不排除葉片不平衡帶來(lái)的振動(dòng)就是其重要起因之一。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行檢修時(shí)要注意是否存在異常的振動(dòng)，及時(shí)采取精確的測(cè)量手段，找到振動(dòng)原因，糾正葉片不平衡，定期清洗檢查葉片，保證風(fēng)電機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性與高效性。

（作者單位：大唐新能源試驗(yàn)研究院）