文 | 王千 董禮 于遲 蘇寶定 程慶陽(yáng)

風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)不平衡分析及診斷

文 | 王千 董禮 于遲 蘇寶定 程慶陽(yáng)

風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分之一，它將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，它是風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力之源。風(fēng)電機(jī)組的大部分載荷也是由風(fēng)輪傳遞過(guò)來(lái)的，風(fēng)輪一般由幾組葉片組成，目前主流機(jī)型基本采用3葉片型式風(fēng)輪。

目前風(fēng)電機(jī)組葉片的故障也越來(lái)越多，葉片的故障將直接影響機(jī)組轉(zhuǎn)化風(fēng)能的效率，同時(shí)使機(jī)組產(chǎn)生額外載荷或者載荷失衡。所以葉片故障不但會(huì)影響自身的動(dòng)力性能同時(shí)會(huì)給風(fēng)電機(jī)組其他部件產(chǎn)生較大的損傷，如對(duì)變槳系統(tǒng)的損傷、對(duì)主軸承的損傷、對(duì)偏航系統(tǒng)的損傷等。

葉片在實(shí)際運(yùn)行中主要存在以下幾方面問(wèn)題：運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的葉片內(nèi)部配重塊脫落；葉片開(kāi)裂或者雷擊造成損傷；現(xiàn)場(chǎng)吊裝葉片時(shí)，葉片安裝角錯(cuò)誤；葉片出廠時(shí)零位線標(biāo)記錯(cuò)誤；隨著變槳系統(tǒng)的累計(jì)誤差，3個(gè)葉片出現(xiàn)槳距角差異過(guò)大。

葉片存在上述故障的直接表現(xiàn)就是造成葉片的質(zhì)量不平衡和氣動(dòng)不平衡，目前質(zhì)量不平衡故障利用常規(guī)的診斷方式可快速進(jìn)行診斷進(jìn)行重新配重，但是氣動(dòng)不平衡故障前期不容易被發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)的診斷方法很難診斷葉片是質(zhì)量不平衡還是氣動(dòng)不平衡。

機(jī)組不平衡分析

首先分析葉片的受力，如下圖1所示截取葉片的一個(gè)弦面，當(dāng)該截面以旋轉(zhuǎn)速度u運(yùn)行，外界風(fēng)速v時(shí)，葉片將受到一個(gè)合成氣流w的作用，合成氣流的大小w。

當(dāng)葉片受到合成氣流w時(shí)，葉片將產(chǎn)生一個(gè)垂直葉片弦線的氣動(dòng)力F，氣動(dòng)力F沿著合成風(fēng)速w方向分解為升力Fl，阻力Fd， Fl升力分解為平行于旋轉(zhuǎn)平面的力Fu和垂直于旋轉(zhuǎn)平面的Fa，F(xiàn)u將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，F(xiàn)a則作用風(fēng)輪上產(chǎn)生軸向推力。

圖1 葉片截面受力示意圖

圖2 風(fēng)輪受力示意圖

不考慮湍流、風(fēng)切變等影響，正常情況下風(fēng)輪受力如下圖2所示，主要為3個(gè)葉片的徑向力Fu，和軸向力Fa。由于3個(gè)葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)互120°，所以軸向力在XZ平面內(nèi)時(shí)產(chǎn)生力矩也相同，正常運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該處于此狀態(tài)。當(dāng)3個(gè)葉片的氣動(dòng)性能不同時(shí)，3個(gè)軸向力在XZ平面內(nèi)將產(chǎn)生額外力矩，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)平面XY內(nèi)造成沖擊，使風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)上下點(diǎn)頭和左右搖擺的現(xiàn)象，這種運(yùn)動(dòng)也造成了軸向載荷隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生規(guī)律性沖擊。正常運(yùn)行機(jī)組受塔影效應(yīng)影響，同樣從圖2所示的風(fēng)輪受力圖中可以看出，當(dāng)葉片發(fā)生質(zhì)量不平衡時(shí)，由于質(zhì)量引起的慣性力只會(huì)在旋轉(zhuǎn)平面XY內(nèi)造成沖擊，不會(huì)影響對(duì)風(fēng)輪軸向造成影響，或者影響很小。

通過(guò)葉片和風(fēng)輪的受力分析，可看出葉片的質(zhì)量不平衡和氣動(dòng)不平衡都會(huì)造成旋轉(zhuǎn)平面的振動(dòng)沖擊，但是只有氣動(dòng)不平衡會(huì)造成風(fēng)輪出現(xiàn)軸向沖擊。所以本方法采用同步采集風(fēng)電機(jī)組主軸承徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)的方法，通過(guò)分析軸向和徑向振動(dòng)的1倍轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值及幅值和葉片通過(guò)頻率的關(guān)系從而區(qū)分葉片的質(zhì)量不平衡和氣動(dòng)不平衡。

當(dāng)葉片出現(xiàn)質(zhì)量不平衡時(shí)主軸承徑向會(huì)出現(xiàn)較大的1倍頻轉(zhuǎn)頻沖擊，但是軸向沖擊較小；當(dāng)葉片出現(xiàn)氣動(dòng)不平衡時(shí)主軸承在徑向和軸向都會(huì)出現(xiàn)較大的1倍頻沖擊，而且徑向和軸向1倍頻沖擊都明顯大于葉片通過(guò)頻率3倍頻沖擊。

案例實(shí)測(cè)分析

某1.5MW型變槳距雙饋風(fēng)電機(jī)組，12m/s風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)能明顯聽(tīng)見(jiàn)偏航軸承位置處有異響，檢查偏航制動(dòng)器、液壓系統(tǒng)、偏航軸承后故障均未解決，懷疑機(jī)組可能有載荷失衡原因，隨按本方法進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試。

安裝有3個(gè)葉片的風(fēng)輪通過(guò)2個(gè)主軸承支撐在機(jī)架上，為了分析風(fēng)輪的振動(dòng)情況在2個(gè)主軸承的4個(gè)方向安裝低頻加速度傳感器. 傳感器類型見(jiàn)表1，安裝位置如圖3所示。

對(duì)該機(jī)組在10min平均風(fēng)速約15m/s的風(fēng)速下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試時(shí)主軸轉(zhuǎn)速17.4r/min，振動(dòng)時(shí)域波形和頻譜圖如圖4所示，從浮動(dòng)主軸承水平位置所測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)域波形中可以看出主軸承存在明顯沖擊，而頻譜圖中主要主軸轉(zhuǎn)頻0.29Hz和塔筒1階固有頻率0.48Hz為主要振動(dòng)。為了進(jìn)一步分析低頻振動(dòng)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分，積分后速度譜圖如圖5所示。從速度譜可以明顯看出主軸承的主要振動(dòng)為轉(zhuǎn)頻和塔筒固有振動(dòng)。正常風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)頻及1倍頻應(yīng)該比3倍頻低，1倍頻較大。

表1 傳感器類型及采樣頻率

圖3 傳感器安裝位置

圖4 浮動(dòng)主軸承水平方向（加速度頻譜）

圖5 浮動(dòng)主軸承水平方向（速度頻譜）

圖6 推力主軸承軸向（速度頻譜）

對(duì)該機(jī)組推力軸承軸向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推力軸承軸向振動(dòng)時(shí)域波形和頻譜圖如圖5和圖6所示，譜圖中可以明顯看出軸承軸向存在1倍頻沖擊，且1倍頻沖擊遠(yuǎn)大于葉片通過(guò)頻率。

葉片專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)某一支葉片零位標(biāo)記錯(cuò)誤一個(gè)螺栓位置和正確零位相差6.6°，導(dǎo)致實(shí)際的3個(gè)葉片實(shí)際槳距角相差6.6°，槳距角的差異導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)氣動(dòng)不平衡。調(diào)整葉片角度后機(jī)組運(yùn)行正常。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)葉片及風(fēng)輪進(jìn)行受力分析，在受力分析的基礎(chǔ)上采用同步采集機(jī)組徑向和軸向振動(dòng)的方式能有效分析機(jī)組的質(zhì)量不平衡故障和氣動(dòng)不平衡故障。質(zhì)量不平衡故障主要表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的轉(zhuǎn)頻沖擊，但是軸向沖擊較小；氣動(dòng)不平衡主軸承在徑向和軸向都會(huì)出現(xiàn)較大的1倍頻沖擊，而且徑向和軸向1倍頻沖擊都明顯大于葉片通過(guò)頻率3倍頻沖擊。

（作者單位: 國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司）