葉輪質(zhì)量不平衡下柔塔機(jī)組的運(yùn)行特征研究

王 林 曹國(guó)豪 李 源 袁 容 蘭 杰

（1.東方電氣風(fēng)電股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000；2.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)綠色能源發(fā)展的支持，除了風(fēng)速較好的“三北”地區(qū)，中東南部低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)也越來(lái)越多。低風(fēng)速區(qū)域具有風(fēng)切變較大、年平均風(fēng)速較低等特點(diǎn)，因此大切變低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)場(chǎng)普遍采用柔塔設(shè)計(jì)（一般塔架高度在120 m以上）。柔塔機(jī)組相對(duì)于鋼塔機(jī)組而言，具有更高的風(fēng)能利用率和經(jīng)濟(jì)效益，但是塔架高度增加會(huì)降低塔架的固有頻率，使塔架對(duì)振動(dòng)的敏感度提高，增大塔架的載荷，縮短塔架的使用壽命[1-2]。為了保證柔塔機(jī)組的安全性及經(jīng)濟(jì)性，有必要對(duì)機(jī)組的振動(dòng)特性進(jìn)行研究。但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行是多因素耦合的結(jié)果，因此整體的振動(dòng)特征研究非常復(fù)雜，故只能對(duì)單一工況進(jìn)行單獨(dú)分析。本文旨在研究在葉輪質(zhì)量不平衡這一工況下柔塔機(jī)組的振動(dòng)特性，并結(jié)合故障機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡分析。

針對(duì)葉輪質(zhì)量不平衡故障，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，D.X.Jiang等人[3-4]對(duì)葉輪質(zhì)量不平衡、氣動(dòng)不平衡以及偏航不對(duì)中三種故障分別進(jìn)行了試驗(yàn)分析，對(duì)葉輪質(zhì)量不平衡引起的主軸振動(dòng)進(jìn)行了理論分析。楊濤等人[5]利用Simulink建立風(fēng)機(jī)葉輪質(zhì)量不平衡狀態(tài)下的機(jī)組模型，并研究了該故障對(duì)發(fā)電機(jī)電功率的影響，推導(dǎo)出了該故障會(huì)在發(fā)電機(jī)電功率信號(hào)中產(chǎn)生葉輪旋轉(zhuǎn)的一倍頻分量，但并未對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的特性進(jìn)行研究。繩曉玲等人[6]分析了葉輪質(zhì)量不平衡故障對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣特性的影響，仿真結(jié)果表明，葉輪質(zhì)量不平衡故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率發(fā)生波動(dòng)，頻率為葉輪轉(zhuǎn)頻及其倍頻，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。董禮等人[7]使用風(fēng)力機(jī)專用平衡帶對(duì)600 kW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成功地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，使機(jī)組徑向水平振動(dòng)幅值比平衡前明顯減小，動(dòng)平衡取得的效果明顯。鄭北超等人[8]針對(duì)柔性塔架開(kāi)發(fā)過(guò)程中亟待解決的塔架共振、塔頂擺幅過(guò)大、塔架渦激振動(dòng)等問(wèn)題，分別提出了通過(guò)設(shè)立轉(zhuǎn)速隔離區(qū)域有效避開(kāi)塔架共振，采用塔架加阻降低塔頂振動(dòng)幅度和載荷，分析及抑制塔架渦激振動(dòng)的方法，并在120 m柔性塔架上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

上述文獻(xiàn)的關(guān)注點(diǎn)主要集中于機(jī)組在質(zhì)量不平衡故障下電磁功率等方面的影響，通過(guò)理論和仿真手段對(duì)葉輪不平衡故障進(jìn)行分析，缺乏對(duì)實(shí)際運(yùn)行機(jī)組的研究，并且針對(duì)故障機(jī)組的動(dòng)平衡方法也未深入討論。已有的動(dòng)平衡手段也主要應(yīng)用在小容量機(jī)組上，結(jié)構(gòu)與過(guò)程都比較簡(jiǎn)單，目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)已達(dá)到兆瓦水平，塔架高度和葉片長(zhǎng)度均出現(xiàn)了大幅增加，機(jī)組的振動(dòng)特性也發(fā)生了明顯變化，因此有必要針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的柔塔機(jī)組在葉輪質(zhì)量不平衡故障下開(kāi)展振動(dòng)特性分析。本文在理論上對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪質(zhì)量不平衡對(duì)塔架振動(dòng)的影響進(jìn)行了研究，分析了現(xiàn)場(chǎng)該故障狀態(tài)下的柔塔機(jī)組振動(dòng)特性，最后通過(guò)動(dòng)平衡手段實(shí)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)水平和振動(dòng)故障率的降低。

1 葉輪質(zhì)量不平衡原因及特征

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中葉片是吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，長(zhǎng)時(shí)間暴露在惡劣的高空環(huán)境中，承受著大氣腐蝕、雷擊或陣風(fēng)等的破壞，同時(shí)葉片持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)因疲勞而產(chǎn)生裂紋、砂眼、脫落和折斷等故障。葉片故障會(huì)直接導(dǎo)致風(fēng)輪質(zhì)量不平衡，同時(shí)葉片生產(chǎn)過(guò)程中的加工誤差和材質(zhì)不均勻，葉片安裝過(guò)程中的安裝誤差以及輪轂偏心等都會(huì)造成機(jī)組葉輪質(zhì)量不平衡[9-10]。葉輪質(zhì)量不平衡故障會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的巨大振動(dòng)，同時(shí)也會(huì)使傳動(dòng)鏈部件產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，進(jìn)而影響機(jī)組的壽命[11]。

圖1分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下和葉輪質(zhì)量不平衡狀態(tài)下的示意圖。機(jī)組的葉片可以等效為距離輪轂中心ri（i=1，2，3）的質(zhì)量塊mi（i=1，2，3），機(jī)組在正常狀態(tài)下，三個(gè)葉片受到的重力Gi（i=1，2，3）和離心力Fi（i=1，2，3）相同，此時(shí)葉輪平衡，同時(shí)由于葉輪在幾何上完全對(duì)稱，因此當(dāng)葉輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)葉片的重力相對(duì)于葉輪中心點(diǎn)的合力與合力矩均為0，此時(shí)不會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)。

圖1 機(jī)組正常狀態(tài)下和質(zhì)量不平衡狀態(tài)下示意圖

任意時(shí)刻正常機(jī)組的運(yùn)行可表示為：

葉輪質(zhì)量不平衡工況可以等效為在葉輪平面內(nèi)存在一個(gè)距離輪轂r0的質(zhì)量塊m0，方位角為φ，該質(zhì)量塊同樣受到重力G0和離心力F0作用。當(dāng)葉輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，作用在機(jī)組上的離心力為：

由于機(jī)組在軸向的剛度遠(yuǎn)大于水平方向，因此質(zhì)量不平衡振動(dòng)主要表現(xiàn)在機(jī)組的水平方向，離心力在水平方向的分量大小為：

該力即機(jī)組水平方向振動(dòng)的激振力，此時(shí)機(jī)組振動(dòng)表現(xiàn)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，頻率為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率[12-14]。因此，葉輪質(zhì)量不平衡主要會(huì)引起機(jī)組的水平方向振動(dòng)增大，其振動(dòng)頻率為葉輪的一倍轉(zhuǎn)頻，而正常機(jī)組的振動(dòng)頻率主要為葉輪的三倍轉(zhuǎn)頻[15]。

2 機(jī)組運(yùn)行特性

2.1 機(jī)組基本信息

選取現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)存在質(zhì)量不平衡的機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)特性分析，該機(jī)組為典型的柔塔雙饋機(jī)組，塔架高度為120 m，機(jī)組容量為2.2 MW。此機(jī)組頻繁發(fā)生塔架振動(dòng)超限故障，為了不影響機(jī)組的安全性和發(fā)電量，借此機(jī)會(huì)進(jìn)行葉輪質(zhì)量不平衡下的故障分析和振動(dòng)特性研究。

2.2 機(jī)組振動(dòng)分析

首先為確定機(jī)組是否存在質(zhì)量不平衡，對(duì)機(jī)組在運(yùn)行狀況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖2為機(jī)組在正常運(yùn)行工況下塔架前后方向和左右方向的振動(dòng)加速度值隨時(shí)間變化的圖像（其中塔架前后方向垂直于葉輪平面，塔架左右方向平行于葉輪平面）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，塔架左右方向的振動(dòng)加速度遠(yuǎn)大于前后振動(dòng)加速度，并且其左右方向振動(dòng)加速度波形表現(xiàn)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，可以排除氣動(dòng)不平衡情況[16-17]。對(duì)機(jī)組左右方向的振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到該工況下的頻域圖，如圖3所示，從圖中可以看出，主要信號(hào)頻率為0.159 Hz，由于當(dāng)前工況為運(yùn)行工況，轉(zhuǎn)速變化較快，同時(shí)柔塔的固有頻率也比較低，因此無(wú)法判斷此頻率為轉(zhuǎn)速頻率還是塔架固有頻率，無(wú)法確定該頻率的形成原因。

圖2 機(jī)組正常運(yùn)行工況下塔架不同方向振動(dòng)加速度

為確定塔架的固有頻率，使用ANSYS軟件對(duì)該機(jī)組塔架進(jìn)行模態(tài)仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果來(lái)看，塔架的一階固有頻率為0.1715 Hz，一階振型表現(xiàn)為機(jī)組的左右振動(dòng)。結(jié)合式（3）的理論結(jié)果與圖3的頻譜圖，可以判斷機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的主要頻率為葉輪轉(zhuǎn)速頻率，該機(jī)組葉輪存在質(zhì)量不平衡。

圖3 機(jī)組左右方向振動(dòng)加速度頻域圖

圖4 塔架一階固有頻率和振型

為了探究在故障工況下機(jī)組的運(yùn)行特征，基于上述研究進(jìn)行機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)分析。分別對(duì)機(jī)組在2.2、4.4、6.7、8.9 r/min轉(zhuǎn)速下水平方向的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，圖（a）～（d）分別為葉輪轉(zhuǎn)速為2.2、4.4、6.7、8.9 r/min時(shí)機(jī)組在水平方向的振動(dòng)加速度值，為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，統(tǒng)計(jì)時(shí)間設(shè)為250 s。從圖中可以看出，塔架振動(dòng)加速度波形表現(xiàn)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的增大，塔架的振動(dòng)加速度波形峰值也出現(xiàn)了明顯的增加。

圖5 不同葉輪轉(zhuǎn)速下機(jī)組左右方向的振動(dòng)加速度值

由于機(jī)組振動(dòng)評(píng)估需要穩(wěn)定的運(yùn)行條件，而運(yùn)行工況的變化會(huì)改變運(yùn)行狀態(tài)，因此需要將機(jī)組振動(dòng)測(cè)量值在特定時(shí)間段內(nèi)取平均值，形成評(píng)估參數(shù)。機(jī)組振動(dòng)評(píng)估參數(shù)通過(guò)“能量等平均”法計(jì)算求得。振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)aw0用振動(dòng)加速度aw（t）時(shí)域測(cè)量值來(lái)定義，振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)計(jì)算公式為[18]：

式中：aw（t）為給定頻率范圍內(nèi)振動(dòng)加速度的時(shí)間函數(shù)；T0為評(píng)估周期（s）。

使用式（4）對(duì)不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組的振動(dòng)加速度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，機(jī)組水平方向的振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速的增加明顯加大，質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)加速度應(yīng)與轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系，但圖6的振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的倍數(shù)關(guān)系，反而表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速越大，振動(dòng)加速度增加越快。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下塔架振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)

對(duì)不同轉(zhuǎn)速下水平方向的振動(dòng)加速度時(shí)域圖進(jìn)行傅里葉變化做頻域分析，得到不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)加速度的頻譜圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組的振動(dòng)均有一個(gè)主要頻率。對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的主要頻率信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

圖7 不同葉輪轉(zhuǎn)速下機(jī)組左右方向的振動(dòng)加速度頻譜圖

從表1中可以看出，在轉(zhuǎn)速為2.2 r/min和4.4 r/min時(shí)，主要頻率信號(hào)接近塔架的一階固有頻率，隨著轉(zhuǎn)速的提高，振動(dòng)頻率變?yōu)槿~輪轉(zhuǎn)頻。這表明該機(jī)組的不平衡質(zhì)量較低，因此在低轉(zhuǎn)速下質(zhì)量不平衡引起的激振力較小，由于塔架具有較大的剛度，所以水平方向振動(dòng)主要表現(xiàn)為塔架的一階固有頻率振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高后，不平衡引起的激振力增大，塔架水平方向振動(dòng)主要表現(xiàn)為機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)頻。同時(shí)由于柔塔的固有頻率較低，機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速穿越[19]。機(jī)組轉(zhuǎn)速越接近塔架固有頻率，其振動(dòng)水平越會(huì)被放大，因此出現(xiàn)轉(zhuǎn)速越高，塔架振動(dòng)加速度越大的情況。所以相對(duì)于鋼塔，柔塔機(jī)組對(duì)于葉輪質(zhì)量不平衡更加敏感，尤其是機(jī)組轉(zhuǎn)速接近塔架固有頻率時(shí)，這種質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)會(huì)被進(jìn)一步放大。

表1 不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組的振動(dòng)加速度頻譜主要值

3 機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡

由于該機(jī)組的葉輪質(zhì)量不平衡造成塔架振動(dòng)增加，機(jī)組振動(dòng)超限故障頻發(fā)，已影響到機(jī)組發(fā)電量和運(yùn)行安全性，故對(duì)該機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。根據(jù)影響系數(shù)法基本原理，需要做兩次測(cè)試才能實(shí)現(xiàn)機(jī)組的動(dòng)平衡，包括一次試配重和最終配重[20]。配重方式主要是在葉片內(nèi)部21 m的位置增加配重塊，該配重塊主要由一個(gè)底座和幾個(gè)配重板組成，底座與葉片通過(guò)粘接劑固定，配重板與底座通過(guò)螺母固定，通過(guò)增減配重板來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的配重控制，由于8.9 r/min已接近機(jī)組的固有頻率，因此配重轉(zhuǎn)速工況固定為8.9 r/min。

該機(jī)組每次停機(jī)的位置有一支固定葉片朝下，和塔架呈30°夾角，因此決定在其余兩個(gè)葉片上進(jìn)行配重。配重信息如表2所示，首先選擇單個(gè)葉片進(jìn)行試配重，試重質(zhì)量為26 kg，配重位置在距離葉根位置21 m處的位置，相位為300°，然后根據(jù)試配重的結(jié)果來(lái)進(jìn)行理論配重的計(jì)算。理論配重為35 kg，配重位置在距離葉根位置21 m處的位置，配重相位為180°。由于機(jī)組已完成組裝，所以將該配重分解為兩個(gè)葉片上的配重，一支葉片配重30 kg，相位為300°，另一支葉片配重17 kg，相位為90°。配重后不同工況下的振動(dòng)加速度值與配重前的對(duì)比如圖8所示。從試配重的加速度幅值中可以看出，試重對(duì)機(jī)組葉輪質(zhì)量不平衡的改善有一定的效果，可以降低加速度幅值約20%。實(shí)際配重后機(jī)組振動(dòng)加速度降幅明顯，在轉(zhuǎn)速為8.9 r/min時(shí)降幅約49%。同時(shí)隨著實(shí)際配重的增加，機(jī)組的振動(dòng)超限故障頻次也從每月的27次降低為0次，表明通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡成功降低了機(jī)組運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)水平，解決了該機(jī)組的振動(dòng)超限問(wèn)題。

圖8 配重前后不同工況下的振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)

表2 配重信息

4 結(jié)論

本文主要分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生葉輪質(zhì)量不平衡的原因，介紹了柔塔機(jī)組在葉輪質(zhì)量不平衡下的振動(dòng)特性，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡解決了機(jī)組故障。本文研究可為柔塔風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行、振動(dòng)故障分析以及仿真模擬等提供參考。主要結(jié)論如下：

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪質(zhì)量不平衡會(huì)引起塔架在左右方向的振動(dòng)加速度值增大，并且振動(dòng)頻率以葉輪轉(zhuǎn)頻為主；

（2）柔塔機(jī)組對(duì)葉輪質(zhì)量不平衡的敏感度更高，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速臨近塔架固有頻率時(shí)，塔架的振動(dòng)加速度會(huì)進(jìn)一步放大，柔塔機(jī)組應(yīng)該具有更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和安裝標(biāo)準(zhǔn)；

（3）機(jī)組經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)工作范圍內(nèi)水平方向振動(dòng)加速度的降低，最大降幅接近50%。