風電機組葉片氣動不平衡 造成的風機振動問題分析

白金亮，吳士華，莊勇，車成雨

（國能思達科技有限公司，北京 100039）

1 引言

近幾年，無論陸上機組還是海上風力發(fā)電機組，單機額定功率越來越大，塔筒越來越高，葉片越來越長。這種大機組振動問題頻發(fā)且不易根除，而且無論哪種振動問題，如果不徹底解決，不僅影響機組壽命甚至可能造成災難性的事故，這引起了風電行業(yè)的廣泛關注。因此，風電場技術(shù)人員必須第一時間對機組振動問題進行深入分析，徹底解決，保證機組安全穩(wěn)定運行。其中葉片不平衡是引發(fā)機組振動的主要原因之一，葉片不平衡分為氣動不平衡和質(zhì)量不平衡2種類型。下面重點對葉片氣動不平衡振動問題進行分析。

2 葉片氣動不平衡原因分析

葉片氣動不平衡的主要原因是葉片0度角發(fā)生偏差，葉片0度角偏差產(chǎn)生的原因主要包括3種。

2.1 工廠制造問題

葉片生產(chǎn)制造和輪轂機械部件組裝大部分是人工操作，在作業(yè)過程中難免出現(xiàn)失誤，造成產(chǎn)品偏差。

（1）葉片生產(chǎn)制造誤差：葉片出廠前需要標定0度位置，生產(chǎn)過程中在葉片合模后需要使用螺孔定位工裝在葉片根部定位螺栓孔位置再進行加工，然后根據(jù)螺栓孔或螺孔定位工裝確定葉片0度位置。在多次調(diào)整定位標準或者存在交叉作業(yè)情況下，難免將0刻度標尺安裝錯位?；蛘叽嬖?刻度標尺脫落情況，在復裝時未進行0度位置確認導致安裝錯位。

（2）變槳執(zhí)行機構(gòu)誤差：電變槳風機葉片角度定位通過槳葉角度傳感器和變槳電機絕對值編碼器實現(xiàn)的。角度傳感器在安裝過程中可能出現(xiàn)錯位，導致葉片角度出現(xiàn)偏差。而利用絕對值編碼器計算變槳角度時需要變槳減速器傳動比值，由于減速器實際輸出值與設計值存在誤差，同時減速器與變槳軸承嚙合側(cè)隙較大，在運行過程中累計誤差，從而出現(xiàn)0度角偏差，造成葉片角度不統(tǒng)一。

2.2 吊裝現(xiàn)場葉片安裝問題

（1）風機安裝都是由施工隊完成，施工過程環(huán)境復雜，操作不方便，在組裝葉片時未確定好葉片0度位置，即將葉片與輪轂連接完成，葉片安裝錯位導致葉片0度角位置偏差。

（2）風機調(diào)試前要進行葉片0度角校準，通過變槳系統(tǒng)手動操作轉(zhuǎn)動葉片角度使葉片0度標尺和輪轂0度指示標對齊，實際操作中往往存在葉片0度標尺或輪轂0度指示標位置不準確的情況，或者在校準過程中視覺產(chǎn)生誤差，容易造成葉片0度不統(tǒng)一。

2.3 葉片狀態(tài)改變

葉片表面發(fā)生過損壞進行維修，維修過程中會對表面重新處理，或者葉片表面有嚴重污染，這樣會導致葉片外表面狀態(tài)改變，造成3個葉片氣動外形不統(tǒng)一，此時葉片0度角也會隨之改變，如果不進行精確測量調(diào)整，則會出現(xiàn)葉片0度角偏差。

3 氣動不平衡引發(fā)的風機振動

葉片在制造、安裝以及運行過程中產(chǎn)生0度角偏差不可避免，葉片氣動力不平衡也不可能完全消失。標準規(guī)定葉片0度角偏差小于±0.3度為正常，當其超過標準規(guī)定值后，對風機載荷、振動、發(fā)電量都會產(chǎn)生較大影響。

當機組某一葉片0度角出現(xiàn)偏差，攻角會發(fā)生改變，葉片推力隨之變化，3支葉片力矩不再平衡，發(fā)生葉片氣動力不平衡現(xiàn)象，從而導致風機葉輪在運行過程中產(chǎn)生額外的傾覆力矩，該力矩作用在風機塔筒上，使得機組受到?jīng)_擊從而引發(fā)機艙振動以及塔筒晃動。振動增大會導致傳動鏈前后竄動，機艙產(chǎn)生點頭現(xiàn)象。對機組壽命和穩(wěn)定運行影響非常大，所以針對機艙問題必須及時處理。

4 案例分析

某風場1.5MW機組在運行過程中出現(xiàn)偏航異響，機艙振動等異常情況，在大風高速運行狀況下振動加劇，同時風機塔筒出現(xiàn)明顯晃動。采集槳葉位置0度保持不變及發(fā)電機轉(zhuǎn)速在1760～1800轉(zhuǎn)/分之間的運行數(shù)據(jù)進行分析，此階段發(fā)電機轉(zhuǎn)速波動的一倍頻（基頻）是0.293，見圖1 。

圖1 發(fā)電機轉(zhuǎn)速頻譜

從圖2中可以看出轉(zhuǎn)子波動頻率為0.2917，與發(fā)電機轉(zhuǎn)速波動一倍頻0.293接近，可認為機艙振動與發(fā)電機轉(zhuǎn)速波動一致。在圖3和圖4 中X軸方向與Y軸方向的加速度振動頻率也是0.2917，與發(fā)電機轉(zhuǎn)速波動一倍頻以及轉(zhuǎn)子波動頻率一致，機組振動排除共振的可能?？梢耘袛嗍怯捎谕獠苛α吭斐傻恼駝?，而且可以推斷振動能量來源是基頻為周期運行的設備，比如葉輪或主軸等設備。

圖2 轉(zhuǎn)子波動頻譜

圖3 X軸方向振動加速度

圖4 Y軸方向振動加速度

對機組振動數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，X軸和Y軸方向振動加速度波形周期相同，相位略有差異。圖5中紅色波形為Y軸方向振動幅值，藍色波形為X軸方向幅值，可以明顯看出Y軸方向的幅值大于X軸方向的幅值。由此可以推斷，機艙前后方向振動幅值明顯大于左右方向，也就是機艙點頭現(xiàn)象，也能判斷出振動能量來源于葉輪或主軸等設備。

圖5 機組實際振動數(shù)據(jù) 紅色Y軸方向、藍色X軸方向

依據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對該機組的主軸、齒輪箱、偏航和葉輪等設備進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。依據(jù)經(jīng)驗初步懷疑是葉片角度出現(xiàn)異常，利用專業(yè)軟件對葉片角度偏差6度和7度（大概1個螺栓間距）進行仿真，數(shù)據(jù)分析如圖6、圖7、圖8。

圖6 葉片角度偏差6度波形圖，紅色Y軸方向、藍色X軸方向

圖7 葉片角度偏差7度波形圖，紅色Y軸方向、藍色X軸方向

圖8 葉片角度偏差7度時Y軸方向波形 紅色時仿真數(shù)據(jù)、藍色是實際數(shù)據(jù)

通過仿真數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，葉片角度在偏差6度和7度時，機艙在X軸和Y軸方向的振動情況與仿真結(jié)果基本一致，如圖6和圖7。圖8 中葉片角度偏差7度時單獨對Y軸方向仿真數(shù)據(jù)和實際運行數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)波形完全一致。說明葉片角度偏差一個螺栓間距時實際的振動情況與仿真數(shù)據(jù)一致。

根據(jù)仿真結(jié)果再次對葉片角度以及0度標尺進行確認，最終確定是一支葉片0刻度標尺安裝位置偏差10CM（約7度），造成葉片0度角偏差從而導致葉片氣動不平衡，經(jīng)過調(diào)整機組恢復正常。

5 結(jié)語

本文針對葉片氣動不平衡造成的機艙振動進行了理論分析，并通過案例數(shù)據(jù)分析進行了驗證。長期機艙振動會造成機組傳動鏈系統(tǒng)損壞，影響機組壽命，所以在機組生產(chǎn)過程中要嚴格按照工藝文件執(zhí)行，在機組運行過程中及時處理振動相關的故障，避免造成更大的設備事故。