風力發電機組偏航噪聲分析及控制措施*

郭金龍

(協合新能源集團有限公司，北京 100048)

0 引 言

清潔能源，特別是風力發電，作為一種環保的可再生的能源越來越受到關注與重視，近年來國內外新能源行業發展迅速，2020年一季度，全國風電新增并網裝機236萬kW，其中陸上風電新增裝機207萬kW、海上風電新增裝機29萬kW。截止3月底，全國風電累計裝機2.13億kW，其中陸上風電累計裝機2.06億kW、海上風電累計裝機614萬kW。隨著風力發電機組不斷迭代，行業內由一味的追求產量而忽略了品質的精細化把控轉而開始關注風力發電機組整機的制造、使用、維護等細節問題，這其中就包括風機偏航時噪聲問題。

一般情況下，風機在正常出力狀態下大約每8～10 min就要進行一次自動偏航對風(主風向與機艙軸線偏差達到設定值即進行偏航對風)，有數據顯示風機全壽命中有近10%的時間是進行偏航對風動作，由此可見偏航動作相當的頻繁，偏航動作時的噪聲會產生噪聲污染，同時，因為噪聲的產生源于振動，若振動值超標，將觸發風機振動告警，直接導致風機停機，影響機組的正常發電。筆者將對風機偏航噪聲的產生進行系統性分析，尋找噪聲產生機理，為解決此類問題的方向和措施提供參考。

1 偏航系統結構與分類

偏航系統主要結構包括偏航驅動、剎車卡鉗、剎車盤、偏航軸承等。偏航驅動偏是航動作的動力源，剎車卡鉗主要起阻尼制動作用，其摩擦片與對偶件(剎車盤)接觸摩擦，為風機提供偏航時的穩定力矩，保證機組的安全穩定運行。

大多數偏航驅動是電機加減速機的組合形式，按偏航驅動與偏航軸承的齒輪嚙合形式分為內嚙合、外嚙合兩種。剎車卡鉗與剎車盤的組合形式較多，是偏航噪聲產生的主體，常見的風力發電機組(雙饋機組和直驅機組)偏航系統剎車結構主要分為以下兩種：形式一：獨立偏航卡鉗-偏航摩擦盤形式，如圖1、2。

圖1 液壓式剎車卡鉗-剎車盤形式

兩種形式的制動系統基本都是由制動卡鉗配合對偶剎車盤(摩擦盤)組成；形式二：滑動摩擦片-滑動軸承形式，如圖3所示，此種結構是單獨的摩擦片配合對偶摩擦盤，無整體獨立剎車卡鉗結構。

無論哪種形式都是利用摩擦片與對偶摩擦件間的摩擦力產生偏航阻尼力矩保證機艙的平穩偏航。

圖2 彈簧柱塞式卡鉗-剎車盤形式

圖3 摩擦片-滑動軸承剎車盤形式

2 偏航噪聲的產生機理分析

2.1 偏航噪聲的危害

偏航系統產生的“偏航摩擦噪聲”主要在偏航啟動階段、偏航穩速運行階段產生，部分機組伴隨著振動問題，嚴重者引起機組振動告警停機。有些機組噪聲大于《IEC61400風力發電機標準》要求，對周邊的自然環境、居民產生不同程度的噪聲污染，也增加了項目業主因此被起訴風險。

2.2 偏航噪聲的產生機理

消除噪聲的前提是找準振動源頭，由于風機偏航系統構成比較復雜，噪聲產生原因也不盡相同，一般認為是偏航結構接觸面產生摩擦，引起相關零部件振動，振動能量通過周圍介質向外傳播產生噪聲。低頻顫振噪聲(頻率不大于1 000 Hz)的聲壓級一般較低且易于控制，高頻尖叫噪聲(頻率為 1 000～20 000 Hz)[1]危害極大且難以消除，偏航噪聲屬于前者。

筆者結合多年的風電場生產運行、維護經驗，認為偏航噪聲產生的機理涉及結構設計易產生頻率共振；摩擦對偶件表面粗糙度不合理；摩擦片表面清潔度差；摩擦對偶件表面平面度超差；摩擦片壓力與速度關系不合理；系統部件裝配精確差性等幾方面。下面將分別從上述幾方面展開敘述，以求能準確定位噪聲產生的機理原因。

2.2.1 結構設計不合理，產生頻率共振

偏航剎車盤(或者偏航軸承摩擦圈)都有其固有頻率，與整機進行裝配完畢后形成結構部件新的結構固有頻率，若偏航剎車系統設計時摩擦片和摩擦盤間配合設計的不合理，會發生頻率共振，放大噪聲等級。因此設計新偏航系統時必須考慮規避裝配結構固有頻率，避免共振，這需要掌握驅動、軸承、剎車卡鉗、摩擦片等多個廠商的產品參數信息進行綜合考慮，進一步對其提出優化改進建議。

2.2.2 摩擦對偶件表面粗糙度不合理

表面粗糙度和磨損情況對摩擦噪聲的產生及演變有重要影響，在摩擦過程中，光滑表面極易形成明顯的磨屑堆積和黏著剝落等磨損特征[2]，其黏著撕裂作用更易引起摩擦力高頻波動并產生高強度的尖叫噪聲，所以摩擦片廠家單方面要求提高剎車盤表面粗糙度是不妥的，特別是有的廠家要求表面粗糙度達到Ra0.8，這樣除加工成本大幅提升外，后期實踐證明噪聲會在產品使用的初期立即發生。對此，有的摩擦片廠家提出噴砂處理剎車盤表面，目的是形成接觸表面主要以犁溝為磨損特征，而由犁削效應引起摩擦力波動的能量較弱，抑制了摩擦力高頻成分的產生，并達到降低噪聲強度的效果。結合目前機組的運行經驗以及風機制造廠商建議，筆者建議偏航剎車盤的表面粗糙度應該控制在Ra3.2，并且保證表面的硬度，使此表面狀態能較長時間保持，降低噪聲等級，將噪聲發生時間盡可能延遲。

2.2.3 摩擦片表面清潔度差

多數摩擦片是不耐油污的有機復合材料(少數廠家聲稱其摩擦片耐油污，如JHS德爾納)，經常發生表面附著油污，進而粘附磨屑，在壓力作用下牢固的粘附在摩擦片上，形成一層固化硬質層(凹凸不平的光亮摩擦面)，接觸面積大幅減少，滑動過程中產生刺耳的噪聲。對此摩擦片廠商建議定期或者發生此類情況時對摩擦片進行清理，如圖4、5所示。

圖4 銅絲刷初步清理 圖5 毛刷清理表面粉塵

經過實踐證明，此方法對降低振動噪聲有一定效果，但只能保持一段時間，處理后約5個月需要再次進行清理。

2.2.4 摩擦對偶件表面平面度超差[3]

當摩擦片、摩擦盤表面平面度超差，特別是摩擦盤超差時，也會造成波動噪聲，假設表面不平度為q，q是波長為λ、幅值為q0的位置空間正弦函數：

當質量塊m2(摩擦片)以速度v向做勻速運動時，m1(摩擦盤)的表面不平度對m2產生了時變的正弦輸入信號：

接觸表面不平度傾角的正切值隨時間變化的關系為:

通過將接觸表面不平度間信號轉變成時間信號，可以看出接觸表面不平度傾角的正切值的大小與接觸表面不平度的幅值q0、波長λ有關,當接觸表面不平度的幅值q0增大時，增大；當接觸表面不平度的波長λ增大時，減小。當接觸表面不平度傾角增大時，系統趨向不穩定，傾角增大到一定數值時系統不穩定，高頻耦合振動加劇，會激發噪聲；當接觸表面不平度傾角減小時，系統趨向穩定，傾角減小到一定數值時系統穩定，高頻耦合振動減輕，噪聲會減小或消失。因此，摩擦噪聲會由于接觸表面的不平度影響而具有間歇性特點。

剎車盤設計階段必須嚴格控制加工平面度精度要求，結合剎車盤直徑、偏航軸承剛度等控制裝配變形，降低因平面度超差導致的波動噪聲。

2.2.5 摩擦片壓力與速度關系不合理

在摩擦噪聲研究領域中，普遍認同的噪聲產生機理是：摩擦力相對滑動速度關系負斜率機理，即當摩擦力-相對滑動速度負斜率大于系統的阻尼時，摩擦力將對系統作正功從而引起系統的自激振動，這種用于描述低速區的摩擦力行為通常稱為 stribeck效應，可以表示為一個指數模型：

S(v)=sgn(v)·[Fc+(FS-Fc)-ν∕vsδvs]+ηv

式中：Fs是最大靜摩擦力；Fc是庫侖摩擦力；vs是 stribeck 速度；η是粘性摩擦系數；δvs是一個0.5～2之間的常數。

系統設計時必須考慮摩擦壓力與偏航速度之間的關系，否則容易發生stribeck效應。在JB/T10425-2004《風力發電機組偏航系統》第1部分技術條件中，規定1.5MW機組偏航轉速推薦值不大于0.085 r/min，結合多年的風機運行維護經驗，在液壓式剎車卡鉗偏航時工作油壓力不大于30bar時，噪聲、振動均較小，但各整機廠家應根據自己載荷情況合理分配制動阻尼。

2.2.6 系統部件裝配精確性差

偏航摩擦片初裝時應按照要求保證摩擦片與對偶件之間的間隙值，如果產生裝配間隙偏差，極易發生“極值壓縮噪聲”，如圖6所示。

圖6 剎車卡鉗活塞與摩擦盤關系圖

當摩擦片受力時會將力傳遞到活塞上，如果摩擦片與摩擦盤初裝間隙過小，即活塞伸出量很小，受力較大時將導致活塞底部與殼體剛性接觸，此時摩擦片與摩擦盤瞬間壓力陡增，產生刺耳尖叫噪聲，嚴重的情況會直接把摩擦片壓潰斷裂。

摩擦片裝入卡鉗槽時，應保證對正，如果初裝時發生摩擦片裝偏(傾斜)則在實際使用過程中會出現摩擦片偏置使用，所有壓力只有部分區域承擔，導致單位面積壓強過大，摩擦過程中產生噪音。

圖7 實際發生的摩擦片偏置使用

2.2.7 摩擦因數與制動噪聲

文獻[4]的研究表明，制動噪聲是由摩擦激勵引起，因此摩擦因數也是制動噪聲產生的重要因素。在高摩擦因數下，制動系統更容易出現發散振動，同時輻射制動噪聲。降低摩擦因數能有效地預防制動低鳴噪聲的出現，改善制動噪聲性能，但低摩擦因數會降低制動效果，國內廠家考慮到低摩擦因數會導致卡鉗數量增加、成本增加，會更傾向于提高摩擦因數。

2.2.8 溫度對噪聲的影響

有機復合材料磨損率對溫度比較敏感，國外某品牌摩擦片的溫度-磨損率關系曲線見圖8。

可見如果摩擦片溫度處于一個較高值，那其磨損量將明顯增加，經測量實際偏航壓力約35bar壓力下，環境溫度為16 ℃時，單次偏航結束時摩擦片的溫升大約是30～40 ℃，當夏季時，艙內溫度可達40 ℃，對應磨損率可提高約1.2倍，磨耗加快，磨屑增加，發生粘附現象，處理不及時則形成惡性循環。所以選擇溫升磨損優異的摩擦片、合理控制偏航次數、降低艙內溫度也是有效降低偏航噪聲的措施之一。

圖8 摩擦片溫度磨損率關系曲線

3 結 語

綜上分析所述，偏航噪聲的產生是一個復雜的過程，其產生產的原因也是多種多樣，不僅僅是摩擦片與摩擦盤間摩擦問題，這涉及到偏航系統設計、摩擦片材料、摩擦盤加工水平、整機裝配等等一系列配套措施，需要深入分析，綜合治理，只從某一方面來解決現場噪聲問題無法起到根治作用，必須有針對性的結合現場機組特性及運營環境，參考本文中提到的相關因素，采用適合的措施才能徹底解決噪聲問題，確保風力發電機組安全、穩定、高效的運行。