風電機組葉片不平衡導致振動的檢測與糾正

文 | 張羽

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風電機組葉片不平衡導致振動的檢測與糾正

文 | 張羽

風電機組葉片不平衡主要包括質量不平衡和氣動不平衡兩方面，無論是哪種不平衡都會給風電機組帶來擺幅很大的振動，危害風電機組的壽命和安全。如發現風電機組振動過大，應及時查找振動起因，采取專業的設備，準確測量，采用科學的方法及時糾正，以消除風電機組振動，保證風電機組的可靠運行。

葉片不平衡危害

一、振動過大

在實際運行中葉片不平衡往往會造成風電機組振動過大，包括機艙沿風向振動、機艙橫向振動、機艙扭轉方向振動等。振動會造成明顯的齒輪箱前后竄動、機艙左右強烈搖晃、偏航制動位置竄動，嚴重的會在偏航處發出強烈的噪音，損壞機艙內部件。

通過仿真對比正常運行的和單支葉片質量不平衡的風電機組，可以看出塔頂機艙振動加速度幅值明顯加大。從圖1可以看出，風電機組正常運行（三支葉片平衡）時，塔頂機艙前后振動方向振動加速度和機艙橫向振動加速度振動幅值不超過0.3m/s2；將單支葉片附加一定重量，塔頂機艙前后振動方向振動加速度和機艙橫向振動加速度振動幅值均明顯超標，而機艙橫向擺幅更大，幅值超過1.5 m/s2。

二、載荷過大

風電機組葉片不平衡運行必然造成載荷增大，超過標準設計值。葉片不平衡導致傳動鏈扭矩不平衡，將影響齒輪箱與軸承的壽命和強度。不平衡帶來的塔頂振動，影響塔筒的安全性。葉片不平衡對葉片本身強度也有很大影響。不平衡的問題嚴重或長期不處理，會影響風電機組可靠性，降低風電機組壽命。

通過仿真對比正常運行的和單支葉片質量不平衡的風電機組，可以得到風電機組各個部位的載荷普遍增大，比如偏航位置的傾覆力矩和偏航旋轉力矩成倍增加。

在圖2中，風電機組在恒定風速正常運行時，偏航中心風電機組的傾覆力矩穩定維持在800kNm左右，偏航旋轉扭矩在-400kNm左右；一支葉片質量不平衡后，風電機組在恒定風速下，傾覆力矩波動很大，極限載荷也明顯增加，偏航旋轉的扭矩也大范圍波動，對偏航減速器、偏航制動帶來較大的交變載荷沖擊。

三、影響發電量

葉片不平衡引起傳動鏈轉動方向振動，影響發電量的穩定。如果是葉片角度不平衡則影響葉片的功率吸收，從而影響發電量。

某風電場風電機組安裝后，三支葉片角度不統一，經過一段時間運行發現問題并重新校準葉片；圖3為校準前后功率曲線的對比。

引發葉片不平衡的原因

一、質量分布不均的葉片

葉片質量存在偏差主要是葉片出廠前質量控制不到位造成，正常葉片出廠前要進行嚴格的配平成套供應。

二、安裝角度誤差

風電機組安裝后，在調試前要進行葉片安裝角校準，依據為葉片0度標尺和輪轂0度基準，實際操作中往往存在葉片0度標尺不夠準確和輪轂0度基準模糊等問題，容易造成葉片實際運行0度不統一。

三、變槳執行機構故障

變槳角度傳感器精度不夠、變槳電機損壞、個別變槳軸承摩擦力矩存在問題等都會造成葉片在變槳運行時出現偏差，造成葉片角度不統一。

四、低速軸不對中

整機安裝時，低速軸安裝不對中，主軸承游隙過大或存在缺陷，主軸彎曲，都會造成葉輪轉子的轉動不平衡。

五、滲水/結冰

葉片長期運行會發生排雨孔堵塞，導致葉片內部積水，影響葉片質量平衡。

葉片覆冰，葉片表面結冰是比較常見的自然現象。葉片覆冰后會導致葉片轉動慣量偏差，風電機組振動明顯。目前有些風電機組廠家采取一些監控措施發現葉片結冰，停機對風電機組保護，或采用特殊涂層，阻止葉片結冰。

六、葉片狀態

葉片由于長期污染，氣動特性偏離設計值，也會引起氣動不平衡。葉片由于雷擊、鳥撞或風沙等原因造成葉尖開裂、尾緣分層等損傷，對葉片的氣動特性也會造成影響。

葉片不平衡檢測與處理

一、觀測

單支葉片不平衡在一倍頻上的振動明顯高于三倍頻上振動。葉片角度等氣動不平衡引起的周期振動明顯，通過對比葉片轉動頻率能夠初步觀測到，也可在塔底通過望遠鏡觀察或通過照相機定點拍照合成對比。葉片質量不平衡可以通過在高速軸聯軸器上使用拉力計測定不同方位角下的拉力，來簡單判斷葉片質量偏差。但通過簡單觀測手段只能初步了解問題所在，還不能準確判斷不平衡量超標情況，也無法給出準確的解決方案。

二、氣動不平衡和質量不平衡的判斷

如果風電機組低頻振動過大即擺動過大，可以初步認為是葉片不平衡造成，后續還需確認是質量不平衡還是氣動不平衡引起，以便采取措施。

通過風電機組主控系統的振動傳感器可以初步判斷，葉片質量不平衡會造成機艙橫向振動明顯增大，葉片氣動不平衡會造成縱向振動明顯增大。

如圖4，仿真葉片質量不平衡，可看出機艙在xy方向上振動均增大，y方向更劇烈（x：沿風向，y：垂直于風向）。

如圖5，仿真一只葉片角度偏差，可看出機艙在xy方向上振動均增大，x方向更劇烈。

三、質量不平衡的精確測量和處理

質量不平衡精確測量采取的手段與通用旋轉機械的單平面法測量動平衡類似。具體步驟如下：

（一）安裝傳感器，在軸承座或其他軸系支撐位置水平安裝低頻加速度傳感器，在旋轉軸與和相對靜止位置安裝反光條和激光相位傳感器，如圖6所示。

（二）第一次測量，風電機組啟動后以一定速度空轉，利用加速度傳感器可以測出振幅的變化和最大振幅，記錄加速度隨時間的變化曲線，同時通過相位傳感器記錄此時的方位角，便可得到不平衡點與反光條標定點的角度。通過長時間記錄取平均值，可提高信噪比，去除風產生的振動影響。

（三）第二次測量，選擇與不平衡點成一定角度的葉片，安裝配重，再次測量振動和對應的相位，可得到新的不平衡點的角度。

（四）糾正不平衡，通過解方程可求出不平衡質量和角度，在對面安裝配重，再次測量觀察振幅是否削弱。

四、角度不平衡測量和糾正

角度不平衡與質量不平衡的測量方法類似，但要得到詳細的角度偏差，還要經過仿真計算。葉片1角度偏差3度引起機艙x方向振動與葉輪方位角的關系如同余弦曲線。葉片2角度偏差3度引起機艙x方向振動與葉輪方位角的關系如同正弦曲線，方位角0度標定為葉片1豎直向上的位置（圖7所示）。

依據以上結論，采取在主軸承支點安裝x方向加速度傳感器，同時使用激光相位傳感器記錄相位，并將一支葉片標定為方位角0度，測量得出x方向振動值與方位角的關系曲線，機艙x負方向極值點對應的方位角對應的葉片即為角度偏差葉片。再通過仿真，比較振動幅值可估算出大致角度偏差。

目前使用地面激光設備校準葉片安裝角度也是比較前沿的方法。

結論

振動影響著風電機組的安全、壽命和穩定運行。葉片不平衡是風電機組振動最常見的原因之一，但起因比較復雜，潛在影響也不直觀，所以經常被忽視。而其周期性的振動長期積累，給風電機組帶來的潛在危害非常大，比如同一風電場同一品牌批次的齒輪箱就存在提前報廢一臺的現象，其損害因素往往很難找到。不排除葉片不平衡帶來的振動就是其重要起因之一。在風電機組運行檢修時要注意是否存在異常的振動，及時采取精確的測量手段，找到振動原因，糾正葉片不平衡，定期清洗檢查葉片，保證風電機組的平穩運行，提高風電機組的可靠性與高效性。

（作者單位：大唐新能源試驗研究院）