白金亮，吳士華，莊勇，車成雨

（國能思達(dá)科技有限公司，北京 100039）

1 引言

近幾年，無論陸上機(jī)組還是海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定功率越來越大，塔筒越來越高，葉片越來越長。這種大機(jī)組振動(dòng)問題頻發(fā)且不易根除，而且無論哪種振動(dòng)問題，如果不徹底解決，不僅影響機(jī)組壽命甚至可能造成災(zāi)難性的事故，這引起了風(fēng)電行業(yè)的廣泛關(guān)注。因此，風(fēng)電場技術(shù)人員必須第一時(shí)間對(duì)機(jī)組振動(dòng)問題進(jìn)行深入分析，徹底解決，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中葉片不平衡是引發(fā)機(jī)組振動(dòng)的主要原因之一，葉片不平衡分為氣動(dòng)不平衡和質(zhì)量不平衡2種類型。下面重點(diǎn)對(duì)葉片氣動(dòng)不平衡振動(dòng)問題進(jìn)行分析。

2 葉片氣動(dòng)不平衡原因分析

葉片氣動(dòng)不平衡的主要原因是葉片0度角發(fā)生偏差，葉片0度角偏差產(chǎn)生的原因主要包括3種。

2.1 工廠制造問題

葉片生產(chǎn)制造和輪轂機(jī)械部件組裝大部分是人工操作，在作業(yè)過程中難免出現(xiàn)失誤，造成產(chǎn)品偏差。

（1）葉片生產(chǎn)制造誤差：葉片出廠前需要標(biāo)定0度位置，生產(chǎn)過程中在葉片合模后需要使用螺孔定位工裝在葉片根部定位螺栓孔位置再進(jìn)行加工，然后根據(jù)螺栓孔或螺孔定位工裝確定葉片0度位置。在多次調(diào)整定位標(biāo)準(zhǔn)或者存在交叉作業(yè)情況下，難免將0刻度標(biāo)尺安裝錯(cuò)位?；蛘叽嬖?刻度標(biāo)尺脫落情況，在復(fù)裝時(shí)未進(jìn)行0度位置確認(rèn)導(dǎo)致安裝錯(cuò)位。

（2）變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤差：電變槳風(fēng)機(jī)葉片角度定位通過槳葉角度傳感器和變槳電機(jī)絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)的。角度傳感器在安裝過程中可能出現(xiàn)錯(cuò)位，導(dǎo)致葉片角度出現(xiàn)偏差。而利用絕對(duì)值編碼器計(jì)算變槳角度時(shí)需要變槳減速器傳動(dòng)比值，由于減速器實(shí)際輸出值與設(shè)計(jì)值存在誤差，同時(shí)減速器與變槳軸承嚙合側(cè)隙較大，在運(yùn)行過程中累計(jì)誤差，從而出現(xiàn)0度角偏差，造成葉片角度不統(tǒng)一。

2.2 吊裝現(xiàn)場葉片安裝問題

（1）風(fēng)機(jī)安裝都是由施工隊(duì)完成，施工過程環(huán)境復(fù)雜，操作不方便，在組裝葉片時(shí)未確定好葉片0度位置，即將葉片與輪轂連接完成，葉片安裝錯(cuò)位導(dǎo)致葉片0度角位置偏差。

（2）風(fēng)機(jī)調(diào)試前要進(jìn)行葉片0度角校準(zhǔn)，通過變槳系統(tǒng)手動(dòng)操作轉(zhuǎn)動(dòng)葉片角度使葉片0度標(biāo)尺和輪轂0度指示標(biāo)對(duì)齊，實(shí)際操作中往往存在葉片0度標(biāo)尺或輪轂0度指示標(biāo)位置不準(zhǔn)確的情況，或者在校準(zhǔn)過程中視覺產(chǎn)生誤差，容易造成葉片0度不統(tǒng)一。

2.3 葉片狀態(tài)改變

葉片表面發(fā)生過損壞進(jìn)行維修，維修過程中會(huì)對(duì)表面重新處理，或者葉片表面有嚴(yán)重污染，這樣會(huì)導(dǎo)致葉片外表面狀態(tài)改變，造成3個(gè)葉片氣動(dòng)外形不統(tǒng)一，此時(shí)葉片0度角也會(huì)隨之改變，如果不進(jìn)行精確測(cè)量調(diào)整，則會(huì)出現(xiàn)葉片0度角偏差。

3 氣動(dòng)不平衡引發(fā)的風(fēng)機(jī)振動(dòng)

葉片在制造、安裝以及運(yùn)行過程中產(chǎn)生0度角偏差不可避免，葉片氣動(dòng)力不平衡也不可能完全消失。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定葉片0度角偏差小于±0.3度為正常，當(dāng)其超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值后，對(duì)風(fēng)機(jī)載荷、振動(dòng)、發(fā)電量都會(huì)產(chǎn)生較大影響。

當(dāng)機(jī)組某一葉片0度角出現(xiàn)偏差，攻角會(huì)發(fā)生改變，葉片推力隨之變化，3支葉片力矩不再平衡，發(fā)生葉片氣動(dòng)力不平衡現(xiàn)象，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉輪在運(yùn)行過程中產(chǎn)生額外的傾覆力矩，該力矩作用在風(fēng)機(jī)塔筒上，使得機(jī)組受到?jīng)_擊從而引發(fā)機(jī)艙振動(dòng)以及塔筒晃動(dòng)。振動(dòng)增大會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)鏈前后竄動(dòng)，機(jī)艙產(chǎn)生點(diǎn)頭現(xiàn)象。對(duì)機(jī)組壽命和穩(wěn)定運(yùn)行影響非常大，所以針對(duì)機(jī)艙問題必須及時(shí)處理。

4 案例分析

某風(fēng)場1.5MW機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)偏航異響，機(jī)艙振動(dòng)等異常情況，在大風(fēng)高速運(yùn)行狀況下振動(dòng)加劇，同時(shí)風(fēng)機(jī)塔筒出現(xiàn)明顯晃動(dòng)。采集槳葉位置0度保持不變及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1760～1800轉(zhuǎn)/分之間的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此階段發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的一倍頻（基頻）是0.293，見圖1 。

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速頻譜

從圖2中可以看出轉(zhuǎn)子波動(dòng)頻率為0.2917，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)一倍頻0.293接近，可認(rèn)為機(jī)艙振動(dòng)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)一致。在圖3和圖4 中X軸方向與Y軸方向的加速度振動(dòng)頻率也是0.2917，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)一倍頻以及轉(zhuǎn)子波動(dòng)頻率一致，機(jī)組振動(dòng)排除共振的可能?？梢耘袛嗍怯捎谕獠苛α吭斐傻恼駝?dòng)，而且可以推斷振動(dòng)能量來源是基頻為周期運(yùn)行的設(shè)備，比如葉輪或主軸等設(shè)備。

圖2 轉(zhuǎn)子波動(dòng)頻譜

圖3 X軸方向振動(dòng)加速度

圖4 Y軸方向振動(dòng)加速度

對(duì)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，X軸和Y軸方向振動(dòng)加速度波形周期相同，相位略有差異。圖5中紅色波形為Y軸方向振動(dòng)幅值，藍(lán)色波形為X軸方向幅值，可以明顯看出Y軸方向的幅值大于X軸方向的幅值。由此可以推斷，機(jī)艙前后方向振動(dòng)幅值明顯大于左右方向，也就是機(jī)艙點(diǎn)頭現(xiàn)象，也能判斷出振動(dòng)能量來源于葉輪或主軸等設(shè)備。

圖5 機(jī)組實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù) 紅色Y軸方向、藍(lán)色X軸方向

依據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對(duì)該機(jī)組的主軸、齒輪箱、偏航和葉輪等設(shè)備進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步懷疑是葉片角度出現(xiàn)異常，利用專業(yè)軟件對(duì)葉片角度偏差6度和7度（大概1個(gè)螺栓間距）進(jìn)行仿真，數(shù)據(jù)分析如圖6、圖7、圖8。

圖6 葉片角度偏差6度波形圖，紅色Y軸方向、藍(lán)色X軸方向

圖7 葉片角度偏差7度波形圖，紅色Y軸方向、藍(lán)色X軸方向

圖8 葉片角度偏差7度時(shí)Y軸方向波形 紅色時(shí)仿真數(shù)據(jù)、藍(lán)色是實(shí)際數(shù)據(jù)

通過仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，葉片角度在偏差6度和7度時(shí)，機(jī)艙在X軸和Y軸方向的振動(dòng)情況與仿真結(jié)果基本一致，如圖6和圖7。圖8 中葉片角度偏差7度時(shí)單獨(dú)對(duì)Y軸方向仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)波形完全一致。說明葉片角度偏差一個(gè)螺栓間距時(shí)實(shí)際的振動(dòng)情況與仿真數(shù)據(jù)一致。

根據(jù)仿真結(jié)果再次對(duì)葉片角度以及0度標(biāo)尺進(jìn)行確認(rèn)，最終確定是一支葉片0刻度標(biāo)尺安裝位置偏差10CM（約7度），造成葉片0度角偏差從而導(dǎo)致葉片氣動(dòng)不平衡，經(jīng)過調(diào)整機(jī)組恢復(fù)正常。

5 結(jié)語

本文針對(duì)葉片氣動(dòng)不平衡造成的機(jī)艙振動(dòng)進(jìn)行了理論分析，并通過案例數(shù)據(jù)分析進(jìn)行了驗(yàn)證。長期機(jī)艙振動(dòng)會(huì)造成機(jī)組傳動(dòng)鏈系統(tǒng)損壞，影響機(jī)組壽命，所以在機(jī)組生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格按照工藝文件執(zhí)行，在機(jī)組運(yùn)行過程中及時(shí)處理振動(dòng)相關(guān)的故障，避免造成更大的設(shè)備事故。