風機偏航襯墊更換過程中偏航系統(tǒng)載荷特性與維護管理

肖振海

（國華河北分公司黃驊風電有限公司， 河北 黃驊 061100）

引言

隨著風力發(fā)電機大型化的發(fā)展，偏航軸承以上的部分，包括機艙、輪轂、葉片等零部件的質量尺寸都在不斷增大，此外，葉片風能捕捉的能力在逐漸增強，從而使得偏航軸承所承受載荷性能增大?；谄捷S承所承受的噪音與設備維護所存在的問題，在設計風力發(fā)電機的偏航系統(tǒng)時應當重點考慮滾動軸承[1]。

1 偏航襯墊更換改造項目概況

圖1是偏航襯墊結構圖，從圖中可以看出，側面軸承的5、6號位置主要靠近輪轂側，因此承受了較大的壓力，在襯墊更換過程中，需要將機艙頂起。而靠近機艙尾部的 1、2、3、4 號與 5、6 號位置不同，不需要頂機艙就能直接進行。本次項目更換襯墊先后順序按照 2、1、6、3、4、5 序號依次進行。將偏航襯墊機艙懸臂梁進行旋轉，直到其位置在艙爬梯口處，并用鋼絲繩和O型鎖安裝吊葫蘆在襯墊的懸臂梁上，并對小吊車旋轉臂支架進行固定。固定之后，通過在側面軸正下方錯開塔筒吊物孔來手動更換偏航襯墊。最后，拆除機艙的踏板后，將千斤頂放置在靠近輪轂側，頂在頂升軸的平面處。

圖1 偏航襯墊結構圖

2 風機偏航襯墊更換過程中偏航系統(tǒng)載荷特性

2.1 多工況下風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)動態(tài)特性

組態(tài)特性是風力發(fā)電機組態(tài)特性中重要的特性之一，這一動態(tài)特性主要包括風輪的動態(tài)特性、偏航系統(tǒng)的動態(tài)特性等。而風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)受到風速、偏航速度的影響，在不同工況下，風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)動態(tài)特性需要對不同分況、偏航角度進行計算，根據計算結果來估算偏航系統(tǒng)疲勞壽命，為下文的偏航系統(tǒng)載荷特性的研究提供可靠性支撐[2]。

2.2 EDC模型下的偏航載荷特性

本文研究的偏航系統(tǒng)的特性主要是在EDC模型進行，首先將時間設置為20～180 s，風向調整為0°～32.72°。啟動風力發(fā)電機組時，系統(tǒng)開始進行偏航運動，偏航速度為0.4（°）/s。運行81.8 s后，系統(tǒng)的風輪與風向保持平面垂直的模式，此時，系統(tǒng)將停止偏航運動。也就是系統(tǒng)在20～40 s間進行功率變動，因此，變槳的角度也發(fā)生了細微的波動。

2.3 不同偏航速度的偏航載荷特性

一般風機最大的風速為22 m/s，切出風速為25 m/s。根據風力發(fā)電機系統(tǒng)的偏航控制的特性，將控制系統(tǒng)的風速設置為22 m/s，將系統(tǒng)偏航角度設置為35°。本文通過計算不同工況條件下，對系統(tǒng)偏航的速度與角度以及載荷特性進行分析，具體計算結果見表1[3]。

表1 工況參數統(tǒng)計

正常湍流模型湍流強度標準差：

式中：Iref為風速為15 m/s時湍流強度平方的預期值；vav為輪轂處的平均風速；vb為風速為5.6 m/s的輪轂高度。

因而，湍流強度為：

根據計算結果可知，在風況相同的條件下，系統(tǒng)的偏航速度主要受到了最大力矩的影響，當偏航系統(tǒng)的工況結束時，不同工況下偏航軸承載荷的最大值、最小值及標準差的統(tǒng)計圖見圖2。通過表1的對比分析結果可知，在相同的風況條件下，偏航速度為0.8（°）/s時，系統(tǒng)的載荷降低，從而有效降低了系統(tǒng)載荷的作用。

圖2 載荷統(tǒng)計

3 偏航速度及角度對偏航軸承載荷的影響

系統(tǒng)在運行過程中，偏航的速度會不斷加快，導致了風輪陀螺力矩逐漸增大，針對風機偏航系統(tǒng)的控制，需要合理控制風機偏航的速度。不同系統(tǒng)在不同風況條件下，工況1與工況2在正常發(fā)電的條件下，不同偏航角度的偏航系統(tǒng)載荷的特性不同，也就是說系統(tǒng)載荷變化規(guī)律不一致，從而影響了偏航軸承載荷的穩(wěn)定性。

4 偏航系統(tǒng)的維護管理

本文主要以華銳3 MW風機的偏航襯墊更換工程為例，結合項目實際更換工程中涉及到零部件的裝配，采用了系統(tǒng)的載荷軟件，并結合風機設計理論對系統(tǒng)的載荷特性進行分析。與此同時還結合了風機現場實際測量情況，對系統(tǒng)在不同工況條件下，對風機載荷、風速、出力等條件下的受力進行分析。從而了解到系統(tǒng)偏航的減速機、滑板等損壞原因、機理，針對這一原因提出了具體的調整方案和策略。

1）增加系統(tǒng)過載保護裝置。通過對風力偏航電機偏航減速機增設保護裝置，能夠有效防止元器件發(fā)生燒毀、斷齒等故障。雖然保護裝置在一定程度上影響了項目更換的效果，但保護裝置的設置能夠有效降低風機的發(fā)電量，維護系統(tǒng)的安全性與可靠性，有效防止偏航系統(tǒng)故障的發(fā)生，在整體上保障系統(tǒng)的經濟可行。

2）增加在線監(jiān)測系統(tǒng)。嚴格控制系統(tǒng)在偏航過程中的狀態(tài)參數，通過實時監(jiān)測偏航電機的功率，降低偏航噪聲，維護系統(tǒng)風力機的安全運行。

3）改變偏航系統(tǒng)的電機啟動方式。結合啟動過程中功率曲線來看，偏航電機在啟動過程中會受到沖擊電流的影響，因此，可采用軟啟動方式來保護偏航電機的啟動。

5 結論

1）通過研究發(fā)現，影響系統(tǒng)偏航軸承載荷特性的主要原因就是變槳速率過大降低了系統(tǒng)載荷。偏航襯墊更換項目需要考慮不同工況下葉片對載荷特性的影響，因此在更換過程中需要選擇適合的變槳速率。

2）在偏航襯墊更換過程中，主要受到x、y、z三個偏航角度的影響。下一步將重點研究偏航系統(tǒng)的控制策略，以降低偏航載荷的波動幅度。