風力發電機組葉片氣動不平衡研究

李東 李建濤 朱俊 符智

摘 要：針對風力發電機組中常見的葉片氣動不平衡故障，分析了氣動不平衡產生的原因，利用仿真軟件模擬不同程度的氣動不平衡，定量分析其對風力發電機組載荷、振動及發電量的影響，利用激光校準儀測量葉片攻角，通過實驗驗證了理論分析的正確性。分析表明：葉片氣動不平衡會導致風機載荷、振動增大，嚴重影響部件疲勞壽命，年發電量減少，嚴重影響經濟效益。

關鍵詞：風力發電機組 氣動不平衡 載荷 振動 發電量

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0096-03

1 氣動不平衡產生原因分析

氣動不平衡主要是由于葉片0度角偏差導致的葉片氣動力不均衡導致，引起葉片角度偏差的原因主要包括：

（1）葉片制造誤差：葉片生產過程中需要零度定位，在合模后使用工裝定位開葉根螺栓孔，再根據螺栓孔或工作定位葉片零度，多次轉換定位標準難免帶來0度角制造誤差。

（2）葉片安裝誤差：風機安裝后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。

（3）變槳執行機構誤差：電變槳風機角度定位通過變槳角度傳感器和變槳電機絕對值編碼器，絕對值編碼器計算變槳角度需要設置變槳減速器和變槳軸承傳動比，一般減速器設計值和實際值均有誤差，而角度傳感器與變槳軸承嚙合側隙較大，導致運行精度降低。長期運行誤差積累，容易出現0度角偏差，造成葉片角度不統一。

（4）葉片狀態：葉片如果發生過損壞維修，表面重新處理，或表面氣動磨損，或嚴重污染，導致葉片外表面狀態改變，導致三個葉片氣動外形不統一，此時0度角也應該隨之調整，若未調整則會出現0度角偏差。

2 氣動不平衡對風機的影響理論分析

葉片制造安裝過程中各種誤差不可避免，氣動不平衡不可能完全消失，標準規定葉片單葉片零度角偏差小于±0.3°為正常，當其超過標準規定值后，對風機載荷、振動、發電量會產生較大影響。

2.1 氣動不平衡對風機載荷影響

如圖1所示，升力L與阻力D的合力R可分解為與葉輪旋轉平面平行的牽引力PT以及與葉輪旋轉平面垂直的推力PN，PT牽引葉輪轉動，PN作用在底架和塔筒上。

理想情況下，各葉片推力PN相等，葉片均勻分布時，產生的力矩相互抵消，葉輪不會產生額外的傾覆力矩。當其中一個葉片0度角出現偏差時，攻角α改變，葉片推力PN隨之改變，葉片力矩不平衡，葉輪會產生一個額外的傾覆力矩MΔα作用在底架和塔筒上，隨著葉輪方位角的變化MΔα呈周期性變化，對底架和塔筒產生一個周期性載荷。

其中

Mx為底架和塔筒X方向載荷；

ΣPN為葉輪推力合力；

G為風機重力；

h1為風輪中心線到偏航中心距離；

h2為整機中心與塔筒中心的距離；

Mw為風切、湍流度產生的葉輪傾覆力矩；

MΔα為氣象不平衡產生的額外傾覆力矩。

利用bladed多體動力學載荷仿真軟件對單葉片0度角偏差±2.5°（氣動不平衡）與單葉片0度角偏差±0.3°（正常）兩種工況進行仿真，得到不同0度角偏差下偏航中心傾覆力矩。

由表1可知，0度角偏差增大后，氣象不平衡增大，輪轂中心載荷增加，影響傳動鏈和機艙底架等主要部件，對齒輪箱、軸承的壽命有較大影響。偏航中心載荷增加，對偏航系統、塔筒帶來不利影響，增加偏航制動和驅動負擔，降低部件疲勞壽命。

2.2 氣動不平衡對風機振動影響

氣動不平衡導致葉輪產生額外的傾覆力矩作用在底架和塔筒上，根據動力學方程可知，激勵力增大會導致底架和塔筒振動增加。

其中：

m為底架和塔筒剛度矩陣；

c為底架和塔筒阻尼矩陣；

k為底架和塔筒質量矩陣；

v為加速度；

v為速度；

v為位移；

P（t）為正常工況風機外載荷；

ΔP（t）為氣動不平衡載荷。

通過仿真模擬單葉片0度角偏差±2.5°（氣動不平衡）與單葉片0度角偏差±0.3°（正常）工況下機艙底架振動。

由表2可知，0度角偏差增大后，機艙底架X（前后）方向振動和Y（橫向）方向振動加速度峰峰值明顯增大，振動增大會造成齒輪箱前后竄動，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。

2.3 氣動不平衡對風機發電量影響

氣動不平衡時，葉片攻角改變，導致葉輪受風面積減小，影響功率吸收，從而影響風機發電量。利用bladed對單葉片偏差±0.3°工況和單葉片偏差±2.5°工況下1.5MW風機進行功率曲線計算。

由圖2和表3可知，0度角偏差增大后，氣動不平衡增大風能利用率減小，功率曲線下移。根據標準Rayleigh分布風頻計算各不同年平均風速下的年發電量，氣動不平衡增大，不同年平均風速下的年發電量明顯下降，單臺風機年收益損失4萬元以上。

3 氣動不平衡對風機的影響實驗分析

本文以某風場1.5MW風機為實驗對象，利用激光校準儀對風機各葉片攻角進行測量，得到0度角偏差，對偏差較大的葉片0度角進行校準，對比分析校準前后風機各性能參數的變化，通過實驗驗證氣動不平衡對風機性能參數的影響。

3.1 激光校準儀原理

激光校準儀采用高頻脈沖激光設備對準葉片兩個截面，通過葉片運轉掃掠固定照射的激光脈沖，實現對葉片表面外形的掃描記錄，記錄一定時間的掃描數據，可解析出葉片0度角偏差，如圖3所示。

3.2 氣動不平衡校準前后振動參數分析

由于載荷測試比較困難，且載荷變化最終會反映在振動上，導致振動參數變化，故本文以底架塔筒振動數據的變化來驗證氣動不平衡對風機載荷和振動參數的影響。利用激光校準儀測量實驗風機校準前單葉片初始偏差角為6.7°，更改0度線，校準后偏差角達到0.3°以下，滿足標準要求，校準前后振動值對比如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，通過激光校準儀對偏差角進行校準以后，相近風速下，底架塔筒部件周期性振動明顯減小，說明較大的葉片偏差角導致氣動不平衡會增大風機的周期載荷，使風機產生周期性振動，嚴重影響風機各部件的壽命。

4 結語

本文針對風力發電機組常見的氣動不平衡故障，分析了氣動不平衡故障產生的原因，通過理論分析與實驗兩方面驗證了氣動不平衡對風機性能參數的影響。當風機葉片初始0度角偏差增大，風機發生氣動不平衡時，風機的周期性載荷和振動增大，對齒輪箱、偏航系統損傷增大，部件壽命降低。除此之外，隨著氣動不平衡的增大，風機風能利用率下降，功率曲線下移，年發電量減小，嚴重影響企業經濟效益。

參考文獻

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