大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片振動測試與分析

王博特，王宇楠，鄭 濤，占曉明，畢繼鑫

（1.浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，杭州310014；2.福建水力水電勘測設(shè)計研究院，福州350000）

近年來國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展迅速，風(fēng)電機(jī)組容量的提升能夠有效提高風(fēng)能利用率和施工效率以及降低后期運(yùn)維成本。在機(jī)組容量和體型逐漸增大的同時，風(fēng)電機(jī)組的安全成為風(fēng)電領(lǐng)域內(nèi)研究的重點[1–4]。江蘇某海上風(fēng)電場安裝了多臺6.45 MW 機(jī)組，此類型機(jī)組是目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)新型大容量機(jī)組之一，此機(jī)組塔筒高度為110 m，葉輪直徑達(dá)到171 m。國外GE 公司生產(chǎn)的12 MW 風(fēng)機(jī)單支葉片更是長達(dá)107 m[5]。機(jī)組容量增大的同時葉片也在不斷增大。

風(fēng)電機(jī)組葉片成本約占風(fēng)電機(jī)組總成本的15%～20%[6]，風(fēng)電機(jī)組葉片在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中受風(fēng)力作用而產(chǎn)生較大的彈性形變，故通常選用質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較大、耐腐蝕、抗疲勞的材料來制作風(fēng)電機(jī)組葉片[7–8]。此外，由于結(jié)冰或者風(fēng)力和風(fēng)向的突變導(dǎo)致葉片振動過大，從而超過設(shè)計載荷發(fā)生斷裂或者掃塔的現(xiàn)象也時有發(fā)生[9–11]，而振動檢測是葉片故障識別的常用方法之一[12–15]，所以研究大型風(fēng)電機(jī)組的葉片振動情況，對于葉片安全檢測和監(jiān)測具有重要的意義，研究結(jié)果也可對風(fēng)電機(jī)組的控制策略優(yōu)化提供重要指導(dǎo)作用。

本文對一臺架設(shè)完成并投入運(yùn)營的6.45 MW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了葉片振動測試，并且同步采集到同時刻風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)。通過對振動和工況數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：擺振方向的振動強(qiáng)度比揮舞方向振動強(qiáng)度大，是揮舞方向振動強(qiáng)度的1.3 倍左右；葉片振動的頻率集中點在揮舞和擺振方向有所不同，葉片擺振方向的振動頻率主要集中在葉片2 階固有頻率位置，揮舞方向的振動主要頻率是風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的倍頻；此外，葉片的振動強(qiáng)度與風(fēng)電機(jī)組所處環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)電機(jī)組自身的轉(zhuǎn)速和功率有著一定的正相關(guān)趨勢。

1 風(fēng)電機(jī)組葉片振動測試情況

本次測試選擇風(fēng)場內(nèi)新型的6.45 MW 風(fēng)電機(jī)組，在每支葉片中布置一個雙向振動加速度傳感器，傳感器的兩個方向分別與葉片揮舞和擺振方向重合，從而實現(xiàn)每支葉片兩個方向的振動數(shù)據(jù)檢測，為了施工方便，將傳感器布置在盡量靠近葉尖但是人工操作方便的位置，振動數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在風(fēng)電機(jī)組輪轂內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組的工況數(shù)據(jù)由風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)提供，通過無線網(wǎng)橋傳輸至風(fēng)電機(jī)組輪轂內(nèi)與振動數(shù)據(jù)同步被采集。傳感器布線如圖1所示。

圖1 葉片內(nèi)部振動傳感器布線圖

振動傳感器電纜在葉片轉(zhuǎn)動時若發(fā)生劇烈擺動，一方面可能致使線纜拉斷，另一方面影響振動傳感器的測試信號，故需要把傳感器電源線和通訊線使用結(jié)構(gòu)膠固定在葉片內(nèi)表面，同時為了防止完全粘貼在葉片內(nèi)表面的線纜由于葉片運(yùn)動過程中形變較大而被拉斷，需要對線纜進(jìn)行彎折走線布置。

數(shù)據(jù)測試從2020年3月12日開始至2020年3月18日截止，總測試時間長度將近1周，因為葉片為長柔結(jié)構(gòu)，固有頻率較低，所以設(shè)置本次數(shù)據(jù)采集的采樣頻率為50 Hz。此時間段數(shù)據(jù)涵蓋了風(fēng)電機(jī)組從啟機(jī)到滿發(fā)全部工況。為了減少偶然因素對數(shù)據(jù)造成的干擾，取每30 s 數(shù)據(jù)的平均值繪制風(fēng)電機(jī)組工況數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 測試時間段內(nèi)風(fēng)電機(jī)組工況數(shù)據(jù)

從圖2中可以看出此臺風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)風(fēng)速大概為4 m/s，滿發(fā)風(fēng)速大概為10.6 m/s，啟機(jī)轉(zhuǎn)速大概為7.5 r/min，滿發(fā)轉(zhuǎn)速大概為10.6 r/min。風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)功率接近6 700 kW。

另外葉片固有頻率仿真值如表1所示。

表1 葉片固有頻率仿真值/Hz

2 葉片振動基本情況分析

2.1 振動加速度原始數(shù)據(jù)情況

振動測試傳感器一般都是慣性傳感器，受到重力的影響，葉片旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生較大的正弦干擾信號，這種信號周期穩(wěn)定，周期為葉片旋轉(zhuǎn)周期。選擇風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)、運(yùn)行平穩(wěn)時1 號葉片的振動數(shù)據(jù)原始值繪制振動波形圖，為了展示出采集到的信號的實際情況，只截取前1 min 時長的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，如圖3所示。

圖3 葉片1揮舞和擺振方向振動信號原始值

從圖3中可以看出所選時間段內(nèi)葉片兩個方向的振動信號原始值都趨于標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，擺振方向受慣性影響更大，擺振方向振動有效值達(dá)到0.203 g，揮舞方向振動有效值為0.102 g，擺振方向振動強(qiáng)度將近是揮舞方向振動強(qiáng)度的2倍。主要原因是葉片滿發(fā)時處于完全開槳狀態(tài)，葉片擺振方向與葉片旋轉(zhuǎn)方向高度重合，葉片每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的離心力和重力都會致使慣性加速度傳感器的質(zhì)量塊產(chǎn)生較大的加速度，而此時葉片揮舞方向與葉片旋轉(zhuǎn)方向接近垂直，所以加速度計信號受離心力和重力的影響較小。

對原始信號進(jìn)行頻譜分析，可以看出原始信號的主要頻率是葉片的旋轉(zhuǎn)頻率，比如當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)頻率為10.67 r/min 即0.178 轉(zhuǎn)/秒時，原始信號的頻譜圖揮舞方向和擺振方向的主頻值都為0.178 Hz，頻譜圖如圖4所示。

圖4 葉片1原始信號頻譜圖

2.2 經(jīng)處理后振動加速度數(shù)據(jù)

2.2.1 振動時域分析

由于此風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)頻率最大不超過11 r/min，即0.18 Hz，而葉片1 階設(shè)計固有頻率一般不會低于0.4 Hz。為了識別有效的葉片振動信號，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低截止頻率為0.3 Hz的高通濾波處理，濾波器選用Butterworth數(shù)字濾波器，濾波階數(shù)為6階。

以1號葉片的振動情況為例觀察經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)，振動波形圖如圖5所示。

圖5 濾波后葉片1振動信號時程圖

可以看出濾波后葉片兩個方向振動信號不再是標(biāo)準(zhǔn)正弦波形式，振動強(qiáng)度比較接近，擺振方向的振動強(qiáng)度較大，是揮舞方向的1.3倍。

為了方便展示，對于濾波后振動數(shù)據(jù)每30 s 求一個有效值，所有振動數(shù)據(jù)的整體情況如圖6所示。

圖6 每支葉片所有振動數(shù)據(jù)30 s有效值時程圖

從圖6 可以看出3 支葉片揮舞和擺振方向的振動趨勢完全一致，統(tǒng)計各葉片兩個方向振動的30 s有效值的平均值如表2所示。

表2 葉片振動30 s有效值的平均值統(tǒng)計表

從表2 可以看出3 支葉片相互之間同一方向的振動強(qiáng)度區(qū)別不大，擺振方向的振動強(qiáng)度均比揮舞方向振動強(qiáng)度稍大，大概比揮舞方向振動強(qiáng)度大30%。這可能是旋轉(zhuǎn)時重力在葉片擺振方向的作用更加強(qiáng)烈所造成的結(jié)果，葉片的重力在葉片旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)時忽然改變作用方向，引起葉片擺振方向的振蕩；也可能是葉片旋轉(zhuǎn)時某些空氣動力學(xué)因素所造成的結(jié)果；這方面還有待進(jìn)一步的研究。

2.2.2 振動頻域分析

風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時，通過對濾波后信號進(jìn)行頻譜分析，可以得到如圖7至圖9所示的頻譜圖。

圖7 濾波后葉片1振動信號頻譜圖

圖8 濾波后葉片2振動信號頻譜圖

圖9 濾波后葉片3振動信號頻譜圖

測試數(shù)據(jù)中葉片振動的主要頻率比較明顯，統(tǒng)計3支葉片兩個方向的振動主要頻率值如表3所示。

表3 風(fēng)電機(jī)組3支葉片振動主要頻率值

從表3 可以看出3 支葉片揮舞方向的振動頻率主要是0.36 Hz、0.71 Hz、0.89 Hz 等，分別接近此時葉片轉(zhuǎn)頻的2 倍頻率、4 倍頻率和5 倍頻率。另外1.42 Hz和1.24 Hz處頻率不集中，受噪聲影響較大，較為接近揮舞方向的2階固有頻率。所以在風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時揮舞方向振動主要表現(xiàn)為葉片轉(zhuǎn)頻的倍頻和揮舞2階固有頻率。

擺振方向振動頻率中較為一致頻率分別是0.71 Hz、1.34 Hz 和1.93 Hz，分別接近葉片擺振方向1 階固有頻率、揮舞方向2階固有頻率和擺振方向的2階固有頻率。

無論是揮舞方向還是擺振方向，頻率0.71 Hz都比較突出，此頻率比擺振方向1 階固有頻率仿真值大4.7%，同時此頻率與葉片轉(zhuǎn)頻的4 倍頻0.711 Hz非常接近。

從以上分析可以看出，風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時葉片兩個方向振動的2 階固有頻率都比較突出，另外葉片轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)頻的倍頻也在振動信號中比較常見。風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)頻對于葉片振動的影響較大，為了解低轉(zhuǎn)速時風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)頻對于葉片振動的影響，繪制低轉(zhuǎn)速時1號葉片振動的頻譜圖如圖10所示。

從圖10 可以看出風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速在7.48 r/min時，葉片振動的主要頻率值與滿發(fā)時有所不同，擺振方向主要頻率值是1.927 Hz，接近擺振方向的2階固有頻率。揮舞方向的主頻值分別為0.375 Hz 和0.5 Hz，分別是葉片轉(zhuǎn)頻的3倍頻和4倍頻。

圖10 低轉(zhuǎn)速時1號葉片振動頻譜圖

通過風(fēng)電機(jī)組葉片振動的頻譜分析可以看出風(fēng)電機(jī)組在滿發(fā)時或者低轉(zhuǎn)速時，葉片擺振方向振動主要集中在葉片2 階振動頻率處，而揮舞方向的振動頻率都表現(xiàn)為較明顯的轉(zhuǎn)頻倍頻。另外風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時葉片兩個方向受0.71 Hz 的主頻值影響都較大，此頻率接近風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)頻的4倍頻。

3 葉片振動的相關(guān)因素分析

與葉片振動相關(guān)的因素較多[10–11]，最主要有外部驅(qū)動因素—風(fēng)速，其次是自身的轉(zhuǎn)速和功率。因為3支葉片振動趨勢基本一致，本節(jié)以1號葉片的振動情況為例進(jìn)行展示，為了研究葉片振動強(qiáng)度與這些因素的關(guān)系，一方面繪制30 s 振動有效值與這些工況數(shù)據(jù)30 s 均值之間的散點圖，同時對工況數(shù)據(jù)30 s均值進(jìn)行分段，風(fēng)速每0.5 m/s為一個倉段，風(fēng)速跨度為3.5 m/s～18 m/s；轉(zhuǎn)速每0.25 r/min為一個倉段，轉(zhuǎn)速跨度為7 r/min～10.7 r/min；功率每250 kW為一個倉段，功率跨度為0～6 700 kW。再對每個倉段的所有振動有效值數(shù)據(jù)求平均值，作為這個倉段振動水平的表征值，繪制這些數(shù)據(jù)隨著工況數(shù)據(jù)變化的趨勢曲線，具體如圖11至圖13所示。

圖13 振動強(qiáng)度隨功率變化的散點圖和趨勢圖

從圖11 可以看出此臺風(fēng)電機(jī)組葉片的振動強(qiáng)度隨風(fēng)速變化較為明顯，風(fēng)速在3.5 m/s～18 m/s 變化過程中，葉片振動強(qiáng)度幾乎呈現(xiàn)直線增長，揮舞方向振動水平的表征值也從0.003 74 g 增長到0.010 4 g，增長了2.8 倍。擺振方向振動水平的表征值從0.004 9 g增長到0.014 g，大約增長了2.9倍。

圖11 振動強(qiáng)度隨風(fēng)速變化的散點圖和趨勢圖

從圖12 可以看出此風(fēng)電機(jī)組葉片的振動強(qiáng)度隨著轉(zhuǎn)速變化也呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，在轉(zhuǎn)速為9.25 r/min時揮舞方向的振動達(dá)到一個極大值，轉(zhuǎn)速為9 r/min 時擺振方向的振動達(dá)到一個極大值，此后振動強(qiáng)度開始下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至9.5 r/min時，擺振方向達(dá)到振動極小值，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至10 r/min時，揮舞方向達(dá)到振動極小值，然后振動強(qiáng)度又開始上升。從圖12 可以看出轉(zhuǎn)速在9 r/min 左右風(fēng)電機(jī)組存在跳轉(zhuǎn)速的過程，風(fēng)電機(jī)組振動達(dá)到極值可能與風(fēng)電機(jī)組控制策略相關(guān)，風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時振動強(qiáng)度也達(dá)到最大值，因為最后一個轉(zhuǎn)速倉段數(shù)據(jù)較少，所以最后一個倉段的振動數(shù)據(jù)忽然升高的情況可以忽略不計。統(tǒng)計隨轉(zhuǎn)速變化風(fēng)電機(jī)組葉片的振動強(qiáng)度的極值和最值如表4所示。

圖12 振動強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速變化的散點圖和趨勢圖

從表4可以看出葉片振動強(qiáng)度隨著轉(zhuǎn)速增大并非穩(wěn)定上升，振動強(qiáng)度出現(xiàn)極值點的原因可能是由風(fēng)電機(jī)組在9 r/min～10 r/min 區(qū)間內(nèi)運(yùn)行的數(shù)據(jù)較少導(dǎo)致，也可能是由風(fēng)電機(jī)組在9 r/min左右跳轉(zhuǎn)速導(dǎo)致。風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速最大時振動強(qiáng)度是轉(zhuǎn)速最小時振動強(qiáng)度的2.3倍左右。

表4 振動強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速變化的極值點

從圖13可以看出風(fēng)電機(jī)組功率在0～2 500 kW之間時，葉片振動的強(qiáng)度增加較快，葉片揮舞方向振動增加了1.71 倍，葉片擺振方向的振動增加了1.65倍。當(dāng)功率在2 500 kW～6 700 kW 之間變化時，葉片振動強(qiáng)度增加相對較慢，葉片揮舞方向增加了1.5倍，葉片擺振方向增加了1.5倍。振動強(qiáng)度隨功率增加趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文針對一臺新型大容量的風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行了振動測試和分析，通過使用Butterworth 數(shù)字濾波器和傅里葉變換等信號分析手段，對葉片的振動強(qiáng)度、振動頻譜以及振動的相關(guān)因素進(jìn)行了分析。本文的分析有助于學(xué)者了解目前國內(nèi)大容量風(fēng)電機(jī)組葉片的實際振動情況，及時優(yōu)化葉片轉(zhuǎn)動的控制策略，豐富風(fēng)電機(jī)組葉片相關(guān)的研究資料。

通過本文的研究可以得出以下幾個主要結(jié)論：

（1）由于振動傳感器一般為慣性傳感器，在旋轉(zhuǎn)的大型機(jī)構(gòu)上測量時會引入較為強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)頻干擾，本文所研究的葉片轉(zhuǎn)動時的振動信號中就出現(xiàn)了大量的轉(zhuǎn)頻干擾信息，為了有效分析信號需要進(jìn)行高通濾波，濾波截止頻率需要高于葉片轉(zhuǎn)頻。

（2）通過統(tǒng)計所有振動數(shù)據(jù)30 s 平均值，可以看出3 支葉片兩個方向的振動趨勢完全一致，但是擺振方向的振動強(qiáng)度都高于揮舞方向的振動強(qiáng)度，大概比揮舞方向高30%，可能是葉片旋轉(zhuǎn)過程中重力作用方向在葉片旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)時忽然改變導(dǎo)致葉片產(chǎn)生較大強(qiáng)度的振蕩，也可能是由其他空氣動力學(xué)因素造成的。

（3）大型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時葉片擺振方向振動主要集中在2 階固有頻率處，揮舞方向振動頻率主要是葉片轉(zhuǎn)頻的倍頻。由于傳感器安裝角度原因，在風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時常能看到揮舞方向的2 階固有頻率。同時轉(zhuǎn)速較快時無論揮舞方向還是擺振方向葉片轉(zhuǎn)頻的4倍頻對于葉片振動影響都較大。

（4）葉片振動強(qiáng)度與風(fēng)速呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速越大，葉片振動強(qiáng)度越大，在大風(fēng)速條件下（18 m/s 左右）葉片振動強(qiáng)度是小風(fēng)速時（3 m/s）振動強(qiáng)度的2.8倍左右。

（5）此類風(fēng)電機(jī)組葉片振動強(qiáng)度與風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速關(guān)系也較為密切，隨著轉(zhuǎn)速增加振動強(qiáng)度有增大趨勢，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速最大時振動強(qiáng)度是轉(zhuǎn)速最小時振動強(qiáng)度的2.3 倍左右。振動強(qiáng)度隨著轉(zhuǎn)速變化過程中存在極值點，可能與風(fēng)電機(jī)組跳轉(zhuǎn)速的控制策略有關(guān)。

（6）葉片振動強(qiáng)度與功率關(guān)系也較為密切，在功率小于2 500 kW時，葉片振動強(qiáng)度隨功率增加較快；大于2 500 kW時，振動強(qiáng)度增長速率變緩，葉片振動趨于平穩(wěn)。在功率最大時葉片振動強(qiáng)度是功率最小時振動強(qiáng)度的2.5倍左右。