一種風(fēng)電機(jī)組偏航振動(dòng)故障的診斷與分析*

高俊云

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

偏航系統(tǒng)是現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組的主要構(gòu)成之一，是連接機(jī)艙與塔筒的重要部件。偏航系統(tǒng)的主要作用是保持風(fēng)輪對(duì)風(fēng)，提高風(fēng)能捕獲效率以及機(jī)艙發(fā)生扭攬時(shí)通過(guò)反向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行解攬。

從工作原理區(qū)分，偏航系統(tǒng)分為主動(dòng)偏航和被動(dòng)偏航。目前，主流的上風(fēng)向水平軸風(fēng)電機(jī)組均采用主動(dòng)偏航系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)輪方向與風(fēng)向偏差超過(guò)一定角度時(shí)，主控系統(tǒng)啟動(dòng)偏航驅(qū)動(dòng)，使風(fēng)輪方向與風(fēng)向保持一致。由于偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、維修成本高、占用時(shí)間長(zhǎng)，因此對(duì)偏航系統(tǒng)的可靠性提出了極高的要求。

但根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維數(shù)據(jù)等相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，偏航系統(tǒng)故障為年均發(fā)生故障次數(shù)與單位容量年損失電量的前三位。特別是隨著采用長(zhǎng)葉片、大功率機(jī)組的低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)承受的載荷更為惡劣，增加了故障發(fā)生的概率。近年來(lái)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)故障診斷的研究不斷受到主機(jī)制造商和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的重視，偏航系統(tǒng)故障機(jī)理、診斷方法等成為主要的研究重點(diǎn)。鄧子豪等[1]分析了風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)型主動(dòng)偏航系統(tǒng)故障類型及對(duì)應(yīng)的故障機(jī)理、常用的故障診斷技術(shù)及方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述；王朝東等[2]針對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)在偏航過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)超標(biāo)、噪聲過(guò)大問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)合有限元分析，提出了解決方案；趙麗軍等[3]針對(duì)風(fēng)輪質(zhì)量不平衡和氣動(dòng)不平衡兩種現(xiàn)象引起的機(jī)組不平衡載荷情況，通過(guò)GH Bladed風(fēng)電機(jī)組載荷仿真軟件，對(duì)塔筒頂部的機(jī)械載荷變化及振動(dòng)時(shí)域特性進(jìn)行了分析；張羽[4]對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片不平衡的原因及導(dǎo)致機(jī)艙振動(dòng)的檢測(cè)等進(jìn)行了研究。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)合理論和仿真分析，對(duì)一種偏航系統(tǒng)振動(dòng)故障進(jìn)行了診斷分析，找到了產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因。

1 故障現(xiàn)象描述

某風(fēng)場(chǎng)一臺(tái)2 MW風(fēng)電機(jī)組，在發(fā)電過(guò)程中發(fā)生了機(jī)艙前后方向晃動(dòng)過(guò)大、偏航系統(tǒng)打滑、偏航驅(qū)動(dòng)損壞等一系列故障，即使采取限功率措施，仍然存在機(jī)艙晃動(dòng)較大、偏航打滑、偏航速度不穩(wěn)定的故障，導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常發(fā)電。

2 故障原因初步診斷分析

如果機(jī)組傳動(dòng)鏈上的軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等存在故障、機(jī)組控制參數(shù)不當(dāng)?shù)龋伎赡芤饳C(jī)艙振動(dòng)過(guò)大，但其對(duì)偏航系統(tǒng)影響較小。由于故障發(fā)生點(diǎn)在偏航系統(tǒng)，且產(chǎn)生了偏航打滑的異常現(xiàn)象，而通過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)偏航制動(dòng)器壓力以及與制動(dòng)盤(pán)接觸均正常，說(shuō)明偏航系統(tǒng)在正常發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生了超過(guò)制動(dòng)力矩的非正常偏航轉(zhuǎn)矩。找到產(chǎn)生這一非正常載荷的原因，成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

3 偏航產(chǎn)生的振動(dòng)測(cè)試

對(duì)偏航過(guò)程中塔筒頂部前后方向和左右方向產(chǎn)生的振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。可見(jiàn)，正常發(fā)電過(guò)程中由于偏航系統(tǒng)的振動(dòng)和滑移，使得塔筒頂部產(chǎn)生了非常大的不穩(wěn)定振動(dòng)，且具有很大的波動(dòng)性。前后方向的振動(dòng)速度最大值為128.6 mm/s，約為左右方向振動(dòng)水平的2倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了正常振動(dòng)水平。

4 理論分析

風(fēng)電機(jī)組的載荷主要來(lái)源于風(fēng)輪葉片。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，三只葉片所受載荷可以分別等效為風(fēng)輪面外軸向推力Fx1、Fx2、Fx3和風(fēng)輪面內(nèi)切向力Ft1、Ft2、Ft3，如圖2所示。其中，風(fēng)輪面外軸向推力產(chǎn)生偏航轉(zhuǎn)矩，并使塔筒產(chǎn)生傾覆彎矩載荷，風(fēng)輪面內(nèi)的切向力則主要產(chǎn)生風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩[5]。

偏航轉(zhuǎn)矩Mz主要由風(fēng)輪面外軸向推力Fx1、Fx2、Fx3產(chǎn)生，見(jiàn)式(1)：

(1)

其中：a1、a2、a3為三個(gè)葉片軸向力作用點(diǎn)到風(fēng)輪中心的距離；ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；t為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

不考慮風(fēng)切變和葉片制造誤差的影響時(shí)，若葉片三個(gè)槳距角相同，三個(gè)葉片具有相同的氣動(dòng)特性，則有Fx1=Fx2=Fx3和a1=a2=a3。由式(1)可求得偏航轉(zhuǎn)矩Mz=0。但是，若三個(gè)葉片槳距角出現(xiàn)偏差，即三個(gè)槳距角不同時(shí)，各葉片的氣動(dòng)特性就有所不同，圖3為不同槳距角對(duì)應(yīng)的推力系數(shù)曲線。當(dāng)槳距角增大時(shí)，葉片的推力系數(shù)明顯減小，這種風(fēng)輪氣動(dòng)不平衡現(xiàn)象在三只葉片之間產(chǎn)生推力差，隨著風(fēng)輪的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)造成偏航轉(zhuǎn)矩的劇烈波動(dòng)，對(duì)偏航機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊載荷。當(dāng)這一推力差產(chǎn)生的附加偏航轉(zhuǎn)矩動(dòng)載荷超過(guò)偏航制動(dòng)器的摩擦轉(zhuǎn)矩時(shí)，就會(huì)發(fā)生偏航滑移的故障，同時(shí)還會(huì)造成機(jī)組發(fā)電功率下降，振動(dòng)過(guò)大和載荷增加。

5 仿真分析及故障識(shí)別

采用DNV Bladed軟件，對(duì)穩(wěn)態(tài)風(fēng)速(10 m/s)下，葉片1槳距角分別為0°、5°、10°，葉片2、葉片3槳距角為0°，即葉片1與葉片2、葉片3槳距角誤差分別為0°、5°、10°三種工況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 不同葉片槳距角對(duì)應(yīng)的推力系數(shù)曲線圖4 不同葉片槳距角誤差產(chǎn)生的偏航轉(zhuǎn)矩圖5 不同葉片槳距角誤差產(chǎn)生的機(jī)艙前后振動(dòng)速度

通過(guò)對(duì)葉片不同槳距角誤差工況的仿真，表明隨著葉片槳距角誤差的加大，機(jī)艙前后方向振動(dòng)、偏航扭矩Mz等的幅值及波動(dòng)顯著增加，會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生較大的附加疲勞載荷，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

基于理論分析及仿真結(jié)果，對(duì)機(jī)組三只葉片槳距角進(jìn)行了仔細(xì)檢查。發(fā)現(xiàn)一只葉片由于0°標(biāo)記誤差及現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定誤差，槳距角存在約10°的偏差。對(duì)葉片槳距角重新進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整后，偏航故障消除，機(jī)組運(yùn)行恢復(fù)正常。

6 結(jié)論

基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論分析和仿真分析，對(duì)一種由葉片槳距角誤差造成的偏航系統(tǒng)故障進(jìn)行了診斷。產(chǎn)生這一故障的本質(zhì)是葉片槳距角偏差造成的風(fēng)輪氣動(dòng)不平衡，在偏航機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了不正常的偏航轉(zhuǎn)矩，其幅值和波動(dòng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常范圍。由于風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)剛?cè)狁詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，特別是機(jī)組運(yùn)行工況的多樣性及機(jī)組控制對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀況和載荷影響的復(fù)雜性，使得風(fēng)電機(jī)組故障診斷需要綜合考慮多方面的因素。因此，必須采用多工況對(duì)比、多信號(hào)融合的分析方法，才能達(dá)到滿意的故障診斷效果。