肖振海

（國(guó)華河北分公司黃驊風(fēng)電有限公司， 河北 黃驊 061100）

引言

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型化的發(fā)展，偏航軸承以上的部分，包括機(jī)艙、輪轂、葉片等零部件的質(zhì)量尺寸都在不斷增大，此外，葉片風(fēng)能捕捉的能力在逐漸增強(qiáng)，從而使得偏航軸承所承受載荷性能增大?；谄捷S承所承受的噪音與設(shè)備維護(hù)所存在的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮滾動(dòng)軸承[1]。

1 偏航襯墊更換改造項(xiàng)目概況

圖1是偏航襯墊結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，側(cè)面軸承的5、6號(hào)位置主要靠近輪轂側(cè)，因此承受了較大的壓力，在襯墊更換過(guò)程中，需要將機(jī)艙頂起。而靠近機(jī)艙尾部的 1、2、3、4 號(hào)與 5、6 號(hào)位置不同，不需要頂機(jī)艙就能直接進(jìn)行。本次項(xiàng)目更換襯墊先后順序按照 2、1、6、3、4、5 序號(hào)依次進(jìn)行。將偏航襯墊機(jī)艙懸臂梁進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，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(duì)小吊車(chē)旋轉(zhuǎn)臂支架進(jìn)行固定。固定之后，通過(guò)在側(cè)面軸正下方錯(cuò)開(kāi)塔筒吊物孔來(lái)手動(dòng)更換偏航襯墊。最后，拆除機(jī)艙的踏板后，將千斤頂放置在靠近輪轂側(cè)，頂在頂升軸的平面處。

圖1 偏航襯墊結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)機(jī)偏航襯墊更換過(guò)程中偏航系統(tǒng)載荷特性

2.1 多工況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

組態(tài)特性是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組態(tài)特性中重要的特性之一，這一動(dòng)態(tài)特性主要包括風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)特性、偏航系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性等。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)受到風(fēng)速、偏航速度的影響，在不同工況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性需要對(duì)不同分況、偏航角度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)估算偏航系統(tǒng)疲勞壽命，為下文的偏航系統(tǒng)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(tǒng)的特性主要是在EDC模型進(jìn)行，首先將時(shí)間設(shè)置為20～180 s，風(fēng)向調(diào)整為0°～32.72°。啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)，偏航速度為0.4（°）/s。運(yùn)行81.8 s后，系統(tǒng)的風(fēng)輪與風(fēng)向保持平面垂直的模式，此時(shí)，系統(tǒng)將停止偏航運(yùn)動(dòng)。也就是系統(tǒng)在20～40 s間進(jìn)行功率變動(dòng)，因此，變槳的角度也發(fā)生了細(xì)微的波動(dòng)。

2.3 不同偏航速度的偏航載荷特性

一般風(fēng)機(jī)最大的風(fēng)速為22 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的偏航控制的特性，將控制系統(tǒng)的風(fēng)速設(shè)置為22 m/s，將系統(tǒng)偏航角度設(shè)置為35°。本文通過(guò)計(jì)算不同工況條件下，對(duì)系統(tǒng)偏航的速度與角度以及載荷特性進(jìn)行分析，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1[3]。

表1 工況參數(shù)統(tǒng)計(jì)

正常湍流模型湍流強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差：

式中：Iref為風(fēng)速為15 m/s時(shí)湍流強(qiáng)度平方的預(yù)期值；vav為輪轂處的平均風(fēng)速；vb為風(fēng)速為5.6 m/s的輪轂高度。

因而，湍流強(qiáng)度為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在風(fēng)況相同的條件下，系統(tǒng)的偏航速度主要受到了最大力矩的影響，當(dāng)偏航系統(tǒng)的工況結(jié)束時(shí)，不同工況下偏航軸承載荷的最大值、最小值及標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)圖見(jiàn)圖2。通過(guò)表1的對(duì)比分析結(jié)果可知，在相同的風(fēng)況條件下，偏航速度為0.8（°）/s時(shí)，系統(tǒng)的載荷降低，從而有效降低了系統(tǒng)載荷的作用。

圖2 載荷統(tǒng)計(jì)

3 偏航速度及角度對(duì)偏航軸承載荷的影響

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，偏航的速度會(huì)不斷加快，導(dǎo)致了風(fēng)輪陀螺力矩逐漸增大，針對(duì)風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)的控制，需要合理控制風(fēng)機(jī)偏航的速度。不同系統(tǒng)在不同風(fēng)況條件下，工況1與工況2在正常發(fā)電的條件下，不同偏航角度的偏航系統(tǒng)載荷的特性不同，也就是說(shuō)系統(tǒng)載荷變化規(guī)律不一致，從而影響了偏航軸承載荷的穩(wěn)定性。

4 偏航系統(tǒng)的維護(hù)管理

本文主要以華銳3 MW風(fēng)機(jī)的偏航襯墊更換工程為例，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際更換工程中涉及到零部件的裝配，采用了系統(tǒng)的載荷軟件，并結(jié)合風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)理論對(duì)系統(tǒng)的載荷特性進(jìn)行分析。與此同時(shí)還結(jié)合了風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量情況，對(duì)系統(tǒng)在不同工況條件下，對(duì)風(fēng)機(jī)載荷、風(fēng)速、出力等條件下的受力進(jìn)行分析。從而了解到系統(tǒng)偏航的減速機(jī)、滑板等損壞原因、機(jī)理，針對(duì)這一原因提出了具體的調(diào)整方案和策略。

1）增加系統(tǒng)過(guò)載保護(hù)裝置。通過(guò)對(duì)風(fēng)力偏航電機(jī)偏航減速機(jī)增設(shè)保護(hù)裝置，能夠有效防止元器件發(fā)生燒毀、斷齒等故障。雖然保護(hù)裝置在一定程度上影響了項(xiàng)目更換的效果，但保護(hù)裝置的設(shè)置能夠有效降低風(fēng)機(jī)的發(fā)電量，維護(hù)系統(tǒng)的安全性與可靠性，有效防止偏航系統(tǒng)故障的發(fā)生，在整體上保障系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行。

2）增加在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。嚴(yán)格控制系統(tǒng)在偏航過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偏航電機(jī)的功率，降低偏航噪聲，維護(hù)系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行。

3）改變偏航系統(tǒng)的電機(jī)啟動(dòng)方式。結(jié)合啟動(dòng)過(guò)程中功率曲線來(lái)看，偏航電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到?jīng)_擊電流的影響，因此，可采用軟啟動(dòng)方式來(lái)保護(hù)偏航電機(jī)的啟動(dòng)。

5 結(jié)論

1）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，影響系統(tǒng)偏航軸承載荷特性的主要原因就是變槳速率過(guò)大降低了系統(tǒng)載荷。偏航襯墊更換項(xiàng)目需要考慮不同工況下葉片對(duì)載荷特性的影響，因此在更換過(guò)程中需要選擇適合的變槳速率。

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