2MW風力發電機轉子系模態特性試驗研究

文 | 劉文斌

2MW風力發電機轉子系模態特性試驗研究

文 | 劉文斌

隨著風電機組的大型化發展，風電機組的振動問題日益突出，已成為影響機組安全、穩定運行的關鍵問題。轉子軸系（簡稱轉子系）是風電機組傳動鏈的關鍵部件，轉子系振動是影響風電機組振動的關鍵因素，特別是當轉子系振動頻率與電網頻率成一倍頻和兩倍頻關系時，風電機組易產生共振，導致鐵芯變形、槽楔松動、絕緣破壞、渦流損耗增加、局部過熱、電機燒毀等嚴重事故。因此在設計階段對轉子系模態振動頻率進行模態測試和分析研究非常重要。本文以某新型2MW中低速風電機組為原型，對該2MW風電機組的轉子系振動進行模態測試和分析研究。

模態測試系統

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數，稱為試驗模態分析。

模態試驗是采用錘擊法得到力錘和各測定點之間的頻率響應函數，通過參數辨識得到被測對象的模態頻率和振型。振動測試系統由加速度傳感器、力傳感器、數據線、數據采集儀和電腦組成。安裝在力錘錘頭的力傳感器用來捕捉每次敲擊時產生的力，加速度傳感器捕捉結構在力錘激勵下的振動響應加速度，數據采集儀采集傳感器傳輸過來的數據，并把數據轉換至電腦中，從而獲取直觀的數據。模態測試系統結構框圖如圖1所示。其中加速度傳感器固定在被測對象上，力傳感器固定在力錘錘頭。

邊界條件

圖1 模態測試系統結構框圖

邊界條件可分為自由支承、固支支承和實際工作狀態支承。自由支承和固支支承邊界理論上容易實現，但現實中實現有困難。因為用于自由邊界的懸掛或支承系統不可能剛度為零，用于固支邊界的夾具系統不可能剛度無窮大。因此，在模態試驗條件下不可能做到完全自由和完全固支。

對于自由邊界，要求實際支承的最高剛體頻率小于結構最低的彈性頻率，即可減少懸掛系統對結構模態的影響，實現模擬近似自由的邊界條件。因此對于低頻模態實現自由邊界很困難，但是對于高頻模態實現自由邊界很容易。目前，用于模擬自由邊界的方法主要有：橡皮繩懸掛（但要求橡皮繩足夠長、足夠柔）、海綿墊支承、氣囊支承、橡膠墊支承、空氣彈簧支承、軟彈性支承或懸掛等。如模擬自由邊界條件，要求彈性體頻率是剛體頻率的5倍至10倍。如果不滿足此要求，應考慮更換剛度更小的懸掛支承系統；其次應保證包含支承結構的剛體模態頻率小于結構第一階固有模態頻率的20%或10%，以保證測試結果的可信度。

根據試驗現場的具體條件，模擬自由邊界擬選擇以下兩種方案：方案一：支承式，考慮海綿等較軟的支承；方案二：懸掛式，考慮各種彈性吊具；本文模態特性試驗選用方案二。

測點布置和錘頭選擇

模態試驗采用錘擊的激勵方式，根據被測試對象的特點，共選擇布設64個激勵點，以第#1、#33、#34點作為參考點，各布置1個傳感器。#1點對應的位置為轉子端面X向，#33點對應的位置為轉子中部Z向，#34點對應的位置為轉子中部Y向，方向均與GL坐標系一致。選用尼龍錘頭對各測點進行錘擊。風電機組發電機轉子模態試驗激勵點布置圖如圖2所示。

發電機轉子模態試驗結果分析

模態試驗數據采集主要包括：力信號數據和加速度信號數據。本次模態試驗共布設有64個測點，力錘每敲擊一個測點，同時產生力數據信號和3組加速度信號數據，共產生256組數據。為減少操作誤差，除避免力錘連擊現象外，采取對每一個測點敲擊三次取平均的數據采集方式。

一、傳函相干分析

相干函數是判斷模態試驗錘頭是否合適，以及數據質量好壞的最主要手段。工程應用中一般要求傳遞函數（FRF）峰值附近的相干函數大于0.75。選取#64激勵點的兩組數據進行頻響函數計算，得到力信號與加速度信號傳遞函數和相干函數的曲線，如圖3所示。從曲線可以明顯看出，兩組信號的相干性較好，說明結構的響應是由激勵引起，也說明選用的力錘錘頭符合模態試驗要求。

圖2 風電機組發電機轉子模態試驗激勵點布置圖

圖3 信號數據的傳遞函數和相干函數曲線圖

表1 發電機轉子模態試驗頻率結果（0Hz—2500Hz）

二、模態參數識別與篩選

為保證分析結果的正確性，模態識別算法的選取非常關鍵，本次模態試驗選用PolyIIR參數識別算法，對試驗采集的數據進行模態參數識別和篩選。篩選出2500Hz以內的模態頻率，并對篩選出的頻率進行模態擬合。發電機轉子模態試驗頻率表如表1所示

參考點分析得到的前8階試驗模態振型圖如圖4和圖5所示，從圖4和圖5可以明顯看出，發電機轉子的低階模態主要集中在轉子兩端的細軸上，能夠較好地反映出轉子的固有特性。

三、試驗結果校驗

模態置信度MAC矩陣能夠很好地評價模態向量空間交角。