風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航噪聲分析及控制措施*

郭金龍

(協(xié)合新能源集團(tuán)有限公司，北京 100048)

0 引 言

清潔能源，特別是風(fēng)力發(fā)電，作為一種環(huán)保的可再生的能源越來越受到關(guān)注與重視，近年來國內(nèi)外新能源行業(yè)發(fā)展迅速，2020年一季度，全國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)236萬kW，其中陸上風(fēng)電新增裝機(jī)207萬kW、海上風(fēng)電新增裝機(jī)29萬kW。截止3月底，全國風(fēng)電累計裝機(jī)2.13億kW，其中陸上風(fēng)電累計裝機(jī)2.06億kW、海上風(fēng)電累計裝機(jī)614萬kW。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不斷迭代，行業(yè)內(nèi)由一味的追求產(chǎn)量而忽略了品質(zhì)的精細(xì)化把控轉(zhuǎn)而開始關(guān)注風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)的制造、使用、維護(hù)等細(xì)節(jié)問題，這其中就包括風(fēng)機(jī)偏航時噪聲問題。

一般情況下，風(fēng)機(jī)在正常出力狀態(tài)下大約每8～10 min就要進(jìn)行一次自動偏航對風(fēng)(主風(fēng)向與機(jī)艙軸線偏差達(dá)到設(shè)定值即進(jìn)行偏航對風(fēng))，有數(shù)據(jù)顯示風(fēng)機(jī)全壽命中有近10%的時間是進(jìn)行偏航對風(fēng)動作，由此可見偏航動作相當(dāng)?shù)念l繁，偏航動作時的噪聲會產(chǎn)生噪聲污染，同時，因?yàn)樵肼暤漠a(chǎn)生源于振動，若振動值超標(biāo)，將觸發(fā)風(fēng)機(jī)振動告警，直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)，影響機(jī)組的正常發(fā)電。筆者將對風(fēng)機(jī)偏航噪聲的產(chǎn)生進(jìn)行系統(tǒng)性分析，尋找噪聲產(chǎn)生機(jī)理，為解決此類問題的方向和措施提供參考。

1 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分類

偏航系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括偏航驅(qū)動、剎車卡鉗、剎車盤、偏航軸承等。偏航驅(qū)動偏是航動作的動力源，剎車卡鉗主要起阻尼制動作用，其摩擦片與對偶件(剎車盤)接觸摩擦，為風(fēng)機(jī)提供偏航時的穩(wěn)定力矩，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

大多數(shù)偏航驅(qū)動是電機(jī)加減速機(jī)的組合形式，按偏航驅(qū)動與偏航軸承的齒輪嚙合形式分為內(nèi)嚙合、外嚙合兩種。剎車卡鉗與剎車盤的組合形式較多，是偏航噪聲產(chǎn)生的主體，常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(雙饋機(jī)組和直驅(qū)機(jī)組)偏航系統(tǒng)剎車結(jié)構(gòu)主要分為以下兩種：形式一：獨(dú)立偏航卡鉗-偏航摩擦盤形式，如圖1、2。

圖1 液壓式剎車卡鉗-剎車盤形式

兩種形式的制動系統(tǒng)基本都是由制動卡鉗配合對偶剎車盤(摩擦盤)組成；形式二：滑動摩擦片-滑動軸承形式，如圖3所示，此種結(jié)構(gòu)是單獨(dú)的摩擦片配合對偶摩擦盤，無整體獨(dú)立剎車卡鉗結(jié)構(gòu)。

無論哪種形式都是利用摩擦片與對偶摩擦件間的摩擦力產(chǎn)生偏航阻尼力矩保證機(jī)艙的平穩(wěn)偏航。

圖2 彈簧柱塞式卡鉗-剎車盤形式

圖3 摩擦片-滑動軸承剎車盤形式

2 偏航噪聲的產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 偏航噪聲的危害

偏航系統(tǒng)產(chǎn)生的“偏航摩擦噪聲”主要在偏航啟動階段、偏航穩(wěn)速運(yùn)行階段產(chǎn)生，部分機(jī)組伴隨著振動問題，嚴(yán)重者引起機(jī)組振動告警停機(jī)。有些機(jī)組噪聲大于《IEC61400風(fēng)力發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)》要求，對周邊的自然環(huán)境、居民產(chǎn)生不同程度的噪聲污染，也增加了項(xiàng)目業(yè)主因此被起訴風(fēng)險。

2.2 偏航噪聲的產(chǎn)生機(jī)理

消除噪聲的前提是找準(zhǔn)振動源頭，由于風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，噪聲產(chǎn)生原因也不盡相同，一般認(rèn)為是偏航結(jié)構(gòu)接觸面產(chǎn)生摩擦，引起相關(guān)零部件振動，振動能量通過周圍介質(zhì)向外傳播產(chǎn)生噪聲。低頻顫振噪聲(頻率不大于1 000 Hz)的聲壓級一般較低且易于控制，高頻尖叫噪聲(頻率為 1 000～20 000 Hz)[1]危害極大且難以消除，偏航噪聲屬于前者。

筆者結(jié)合多年的風(fēng)電場生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為偏航噪聲產(chǎn)生的機(jī)理涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計易產(chǎn)生頻率共振；摩擦對偶件表面粗糙度不合理；摩擦片表面清潔度差；摩擦對偶件表面平面度超差；摩擦片壓力與速度關(guān)系不合理；系統(tǒng)部件裝配精確差性等幾方面。下面將分別從上述幾方面展開敘述，以求能準(zhǔn)確定位噪聲產(chǎn)生的機(jī)理原因。

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，產(chǎn)生頻率共振

偏航剎車盤(或者偏航軸承摩擦圈)都有其固有頻率，與整機(jī)進(jìn)行裝配完畢后形成結(jié)構(gòu)部件新的結(jié)構(gòu)固有頻率，若偏航剎車系統(tǒng)設(shè)計時摩擦片和摩擦盤間配合設(shè)計的不合理，會發(fā)生頻率共振，放大噪聲等級。因此設(shè)計新偏航系統(tǒng)時必須考慮規(guī)避裝配結(jié)構(gòu)固有頻率，避免共振，這需要掌握驅(qū)動、軸承、剎車卡鉗、摩擦片等多個廠商的產(chǎn)品參數(shù)信息進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)一步對其提出優(yōu)化改進(jìn)建議。

2.2.2 摩擦對偶件表面粗糙度不合理

表面粗糙度和磨損情況對摩擦噪聲的產(chǎn)生及演變有重要影響，在摩擦過程中，光滑表面極易形成明顯的磨屑堆積和黏著剝落等磨損特征[2]，其黏著撕裂作用更易引起摩擦力高頻波動并產(chǎn)生高強(qiáng)度的尖叫噪聲，所以摩擦片廠家單方面要求提高剎車盤表面粗糙度是不妥的，特別是有的廠家要求表面粗糙度達(dá)到Ra0.8，這樣除加工成本大幅提升外，后期實(shí)踐證明噪聲會在產(chǎn)品使用的初期立即發(fā)生。對此，有的摩擦片廠家提出噴砂處理剎車盤表面，目的是形成接觸表面主要以犁溝為磨損特征，而由犁削效應(yīng)引起摩擦力波動的能量較弱，抑制了摩擦力高頻成分的產(chǎn)生，并達(dá)到降低噪聲強(qiáng)度的效果。結(jié)合目前機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及風(fēng)機(jī)制造廠商建議，筆者建議偏航剎車盤的表面粗糙度應(yīng)該控制在Ra3.2，并且保證表面的硬度，使此表面狀態(tài)能較長時間保持，降低噪聲等級，將噪聲發(fā)生時間盡可能延遲。

2.2.3 摩擦片表面清潔度差

多數(shù)摩擦片是不耐油污的有機(jī)復(fù)合材料(少數(shù)廠家聲稱其摩擦片耐油污，如JHS德爾納)，經(jīng)常發(fā)生表面附著油污，進(jìn)而粘附磨屑，在壓力作用下牢固的粘附在摩擦片上，形成一層固化硬質(zhì)層(凹凸不平的光亮摩擦面)，接觸面積大幅減少，滑動過程中產(chǎn)生刺耳的噪聲。對此摩擦片廠商建議定期或者發(fā)生此類情況時對摩擦片進(jìn)行清理，如圖4、5所示。

圖4 銅絲刷初步清理 圖5 毛刷清理表面粉塵

經(jīng)過實(shí)踐證明，此方法對降低振動噪聲有一定效果，但只能保持一段時間，處理后約5個月需要再次進(jìn)行清理。

2.2.4 摩擦對偶件表面平面度超差[3]

當(dāng)摩擦片、摩擦盤表面平面度超差，特別是摩擦盤超差時，也會造成波動噪聲，假設(shè)表面不平度為q，q是波長為λ、幅值為q0的位置空間正弦函數(shù)：

當(dāng)質(zhì)量塊m2(摩擦片)以速度v向做勻速運(yùn)動時，m1(摩擦盤)的表面不平度對m2產(chǎn)生了時變的正弦輸入信號：

接觸表面不平度傾角的正切值隨時間變化的關(guān)系為:

通過將接觸表面不平度間信號轉(zhuǎn)變成時間信號，可以看出接觸表面不平度傾角的正切值的大小與接觸表面不平度的幅值q0、波長λ有關(guān),當(dāng)接觸表面不平度的幅值q0增大時，增大；當(dāng)接觸表面不平度的波長λ增大時，減小。當(dāng)接觸表面不平度傾角增大時，系統(tǒng)趨向不穩(wěn)定，傾角增大到一定數(shù)值時系統(tǒng)不穩(wěn)定，高頻耦合振動加劇，會激發(fā)噪聲；當(dāng)接觸表面不平度傾角減小時，系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，傾角減小到一定數(shù)值時系統(tǒng)穩(wěn)定，高頻耦合振動減輕，噪聲會減小或消失。因此，摩擦噪聲會由于接觸表面的不平度影響而具有間歇性特點(diǎn)。

剎車盤設(shè)計階段必須嚴(yán)格控制加工平面度精度要求，結(jié)合剎車盤直徑、偏航軸承剛度等控制裝配變形，降低因平面度超差導(dǎo)致的波動噪聲。

2.2.5 摩擦片壓力與速度關(guān)系不合理

在摩擦噪聲研究領(lǐng)域中，普遍認(rèn)同的噪聲產(chǎn)生機(jī)理是：摩擦力相對滑動速度關(guān)系負(fù)斜率機(jī)理，即當(dāng)摩擦力-相對滑動速度負(fù)斜率大于系統(tǒng)的阻尼時，摩擦力將對系統(tǒng)作正功從而引起系統(tǒng)的自激振動，這種用于描述低速區(qū)的摩擦力行為通常稱為 stribeck效應(yīng)，可以表示為一個指數(shù)模型：

S(v)=sgn(v)·[Fc+(FS-Fc)-ν∕vsδvs]+ηv

式中：Fs是最大靜摩擦力；Fc是庫侖摩擦力；vs是 stribeck 速度；η是粘性摩擦系數(shù)；δvs是一個0.5～2之間的常數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮摩擦壓力與偏航速度之間的關(guān)系，否則容易發(fā)生stribeck效應(yīng)。在JB/T10425-2004《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)》第1部分技術(shù)條件中，規(guī)定1.5MW機(jī)組偏航轉(zhuǎn)速推薦值不大于0.085 r/min，結(jié)合多年的風(fēng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在液壓式剎車卡鉗偏航時工作油壓力不大于30bar時，噪聲、振動均較小，但各整機(jī)廠家應(yīng)根據(jù)自己載荷情況合理分配制動阻尼。

2.2.6 系統(tǒng)部件裝配精確性差

偏航摩擦片初裝時應(yīng)按照要求保證摩擦片與對偶件之間的間隙值，如果產(chǎn)生裝配間隙偏差，極易發(fā)生“極值壓縮噪聲”，如圖6所示。

圖6 剎車卡鉗活塞與摩擦盤關(guān)系圖

當(dāng)摩擦片受力時會將力傳遞到活塞上，如果摩擦片與摩擦盤初裝間隙過小，即活塞伸出量很小，受力較大時將導(dǎo)致活塞底部與殼體剛性接觸，此時摩擦片與摩擦盤瞬間壓力陡增，產(chǎn)生刺耳尖叫噪聲，嚴(yán)重的情況會直接把摩擦片壓潰斷裂。

摩擦片裝入卡鉗槽時，應(yīng)保證對正，如果初裝時發(fā)生摩擦片裝偏(傾斜)則在實(shí)際使用過程中會出現(xiàn)摩擦片偏置使用，所有壓力只有部分區(qū)域承擔(dān)，導(dǎo)致單位面積壓強(qiáng)過大，摩擦過程中產(chǎn)生噪音。

圖7 實(shí)際發(fā)生的摩擦片偏置使用

2.2.7 摩擦因數(shù)與制動噪聲

文獻(xiàn)[4]的研究表明，制動噪聲是由摩擦激勵引起，因此摩擦因數(shù)也是制動噪聲產(chǎn)生的重要因素。在高摩擦因數(shù)下，制動系統(tǒng)更容易出現(xiàn)發(fā)散振動，同時輻射制動噪聲。降低摩擦因數(shù)能有效地預(yù)防制動低鳴噪聲的出現(xiàn)，改善制動噪聲性能，但低摩擦因數(shù)會降低制動效果，國內(nèi)廠家考慮到低摩擦因數(shù)會導(dǎo)致卡鉗數(shù)量增加、成本增加，會更傾向于提高摩擦因數(shù)。

2.2.8 溫度對噪聲的影響

有機(jī)復(fù)合材料磨損率對溫度比較敏感，國外某品牌摩擦片的溫度-磨損率關(guān)系曲線見圖8。

可見如果摩擦片溫度處于一個較高值，那其磨損量將明顯增加，經(jīng)測量實(shí)際偏航壓力約35bar壓力下，環(huán)境溫度為16 ℃時，單次偏航結(jié)束時摩擦片的溫升大約是30～40 ℃，當(dāng)夏季時，艙內(nèi)溫度可達(dá)40 ℃，對應(yīng)磨損率可提高約1.2倍，磨耗加快，磨屑增加，發(fā)生粘附現(xiàn)象，處理不及時則形成惡性循環(huán)。所以選擇溫升磨損優(yōu)異的摩擦片、合理控制偏航次數(shù)、降低艙內(nèi)溫度也是有效降低偏航噪聲的措施之一。

圖8 摩擦片溫度磨損率關(guān)系曲線

3 結(jié) 語

綜上分析所述，偏航噪聲的產(chǎn)生是一個復(fù)雜的過程，其產(chǎn)生產(chǎn)的原因也是多種多樣，不僅僅是摩擦片與摩擦盤間摩擦問題，這涉及到偏航系統(tǒng)設(shè)計、摩擦片材料、摩擦盤加工水平、整機(jī)裝配等等一系列配套措施，需要深入分析，綜合治理，只從某一方面來解決現(xiàn)場噪聲問題無法起到根治作用，必須有針對性的結(jié)合現(xiàn)場機(jī)組特性及運(yùn)營環(huán)境，參考本文中提到的相關(guān)因素，采用適合的措施才能徹底解決噪聲問題，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。