風機偏航襯墊更換過程中偏航系統載荷特性與維護管理

肖振海

（國華河北分公司黃驊風電有限公司， 河北 黃驊 061100）

引言

隨著風力發電機大型化的發展，偏航軸承以上的部分，包括機艙、輪轂、葉片等零部件的質量尺寸都在不斷增大，此外，葉片風能捕捉的能力在逐漸增強，從而使得偏航軸承所承受載荷性能增大。基于偏航軸承所承受的噪音與設備維護所存在的問題，在設計風力發電機的偏航系統時應當重點考慮滾動軸承[1]。

1 偏航襯墊更換改造項目概況

圖1是偏航襯墊結構圖，從圖中可以看出，側面軸承的5、6號位置主要靠近輪轂側，因此承受了較大的壓力，在襯墊更換過程中，需要將機艙頂起。而靠近機艙尾部的 1、2、3、4 號與 5、6 號位置不同，不需要頂機艙就能直接進行。本次項目更換襯墊先后順序按照 2、1、6、3、4、5 序號依次進行。將偏航襯墊機艙懸臂梁進行旋轉，直到其位置在艙爬梯口處，并用鋼絲繩和O型鎖安裝吊葫蘆在襯墊的懸臂梁上，并對小吊車旋轉臂支架進行固定。固定之后，通過在側面軸正下方錯開塔筒吊物孔來手動更換偏航襯墊。最后，拆除機艙的踏板后，將千斤頂放置在靠近輪轂側，頂在頂升軸的平面處。

圖1 偏航襯墊結構圖

2 風機偏航襯墊更換過程中偏航系統載荷特性

2.1 多工況下風力發電機組偏航系統動態特性

組態特性是風力發電機組態特性中重要的特性之一，這一動態特性主要包括風輪的動態特性、偏航系統的動態特性等。而風力發電機組偏航系統受到風速、偏航速度的影響，在不同工況下，風力發電機組偏航系統動態特性需要對不同分況、偏航角度進行計算，根據計算結果來估算偏航系統疲勞壽命，為下文的偏航系統載荷特性的研究提供可靠性支撐[2]。

2.2 EDC模型下的偏航載荷特性

本文研究的偏航系統的特性主要是在EDC模型進行，首先將時間設置為20～180 s，風向調整為0°～32.72°。啟動風力發電機組時，系統開始進行偏航運動，偏航速度為0.4（°）/s。運行81.8 s后，系統的風輪與風向保持平面垂直的模式，此時，系統將停止偏航運動。也就是系統在20～40 s間進行功率變動，因此，變槳的角度也發生了細微的波動。

2.3 不同偏航速度的偏航載荷特性

一般風機最大的風速為22 m/s，切出風速為25 m/s。根據風力發電機系統的偏航控制的特性，將控制系統的風速設置為22 m/s，將系統偏航角度設置為35°。本文通過計算不同工況條件下，對系統偏航的速度與角度以及載荷特性進行分析，具體計算結果見表1[3]。

表1 工況參數統計

正常湍流模型湍流強度標準差：

式中：Iref為風速為15 m/s時湍流強度平方的預期值；vav為輪轂處的平均風速；vb為風速為5.6 m/s的輪轂高度。

因而，湍流強度為：

根據計算結果可知，在風況相同的條件下，系統的偏航速度主要受到了最大力矩的影響，當偏航系統的工況結束時，不同工況下偏航軸承載荷的最大值、最小值及標準差的統計圖見圖2。通過表1的對比分析結果可知，在相同的風況條件下，偏航速度為0.8（°）/s時，系統的載荷降低，從而有效降低了系統載荷的作用。

圖2 載荷統計

3 偏航速度及角度對偏航軸承載荷的影響

系統在運行過程中，偏航的速度會不斷加快，導致了風輪陀螺力矩逐漸增大，針對風機偏航系統的控制，需要合理控制風機偏航的速度。不同系統在不同風況條件下，工況1與工況2在正常發電的條件下，不同偏航角度的偏航系統載荷的特性不同，也就是說系統載荷變化規律不一致，從而影響了偏航軸承載荷的穩定性。

4 偏航系統的維護管理

本文主要以華銳3 MW風機的偏航襯墊更換工程為例，結合項目實際更換工程中涉及到零部件的裝配，采用了系統的載荷軟件，并結合風機設計理論對系統的載荷特性進行分析。與此同時還結合了風機現場實際測量情況，對系統在不同工況條件下，對風機載荷、風速、出力等條件下的受力進行分析。從而了解到系統偏航的減速機、滑板等損壞原因、機理，針對這一原因提出了具體的調整方案和策略。

1）增加系統過載保護裝置。通過對風力偏航電機偏航減速機增設保護裝置，能夠有效防止元器件發生燒毀、斷齒等故障。雖然保護裝置在一定程度上影響了項目更換的效果，但保護裝置的設置能夠有效降低風機的發電量，維護系統的安全性與可靠性，有效防止偏航系統故障的發生，在整體上保障系統的經濟可行。

2）增加在線監測系統。嚴格控制系統在偏航過程中的狀態參數，通過實時監測偏航電機的功率，降低偏航噪聲，維護系統風力機的安全運行。

3）改變偏航系統的電機啟動方式。結合啟動過程中功率曲線來看，偏航電機在啟動過程中會受到沖擊電流的影響，因此，可采用軟啟動方式來保護偏航電機的啟動。

5 結論

1）通過研究發現，影響系統偏航軸承載荷特性的主要原因就是變槳速率過大降低了系統載荷。偏航襯墊更換項目需要考慮不同工況下葉片對載荷特性的影響，因此在更換過程中需要選擇適合的變槳速率。

2）在偏航襯墊更換過程中，主要受到x、y、z三個偏航角度的影響。下一步將重點研究偏航系統的控制策略，以降低偏航載荷的波動幅度。