葉輪質(zhì)量不平衡下柔塔機(jī)組的運(yùn)行特征研究

引言

隨著國(guó)家對(duì)綠色能源發(fā)展的支持,除了風(fēng)速較好的"三北"地區(qū),中東南部低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)也越來(lái)越多。低風(fēng)速區(qū)域具有風(fēng)切變較大、年平均風(fēng)速較低等特點(diǎn),因此大切變低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)場(chǎng)普遍采用柔塔設(shè)計(jì)(一般塔架高度在120m以上)。柔塔機(jī)組相對(duì)于鋼塔機(jī)組而言,具有更高的風(fēng)能利用率和經(jīng)濟(jì)效益,但是塔架高度增加會(huì)降低塔架的固有頻率,使塔架對(duì)振動(dòng)的敏感度提高,增大塔架的載荷,縮短塔架的使用壽命。為了保證柔塔機(jī)組的安全性及經(jīng)濟(jì)性,有必要對(duì)機(jī)組的振動(dòng)特性進(jìn)行研究。但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行是多因素耦合的結(jié)果,因此整體的振動(dòng)特征研究非常復(fù)雜,故只能對(duì)單一工況進(jìn)行單獨(dú)分析。本文旨在研究在葉輪質(zhì)量不平衡這一工況下柔塔機(jī)組的振動(dòng)特性,并結(jié)合故障機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡分析。

針對(duì)葉輪質(zhì)量不平衡故障,許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,D.x.Jiang等人對(duì)葉輪質(zhì)量不平衡、氣動(dòng)不平衡以及偏航不對(duì)中三種故障分別進(jìn)行了試驗(yàn)分析,對(duì)葉輪質(zhì)量不平衡引起的主軸振動(dòng)進(jìn)行了理論分析。楊濤等人利用Simulink建立風(fēng)機(jī)葉輪質(zhì)量不平衡狀態(tài)下的機(jī)組模型,并研究了該故障對(duì)發(fā)電機(jī)電功率的影響,推導(dǎo)出了該故障會(huì)在發(fā)電機(jī)電功率信號(hào)中產(chǎn)生葉輪旋轉(zhuǎn)的一倍頻分量,但并未對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的特性進(jìn)行研究。繩曉玲等人分析了葉輪質(zhì)量不平衡故障對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣特性的影響,仿真結(jié)果表明,葉輪質(zhì)量不平衡故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率發(fā)生波動(dòng),頻率為葉輪轉(zhuǎn)頻及其倍頻,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。董禮等人使用風(fēng)力機(jī)專用平衡帶對(duì)600kw小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成功地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡,使機(jī)組徑向水平振動(dòng)幅值比平衡前明顯減小,動(dòng)平衡取得的效果明顯。鄭北超等人針對(duì)柔性塔架開發(fā)過程中亟待解決的塔架共振、塔頂擺幅過大、塔架渦激振動(dòng)等問題,分別提出了通過設(shè)立轉(zhuǎn)速隔離區(qū)域有效避開塔架共振,采用塔架加阻降低塔頂振動(dòng)幅度和載荷,分析及抑制塔架渦激振動(dòng)的方法,并在120m柔性塔架上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

上述文獻(xiàn)的關(guān)注點(diǎn)主要集中于機(jī)組在質(zhì)量不平衡故障下電磁功率等方面的影響,通過理論和仿真手段對(duì)葉輪不平衡故障進(jìn)行分析,缺乏對(duì)實(shí)際運(yùn)行機(jī)組的研究,并且針對(duì)故障機(jī)組的動(dòng)平衡方法也未深入討論。已有的動(dòng)平衡手段也主要應(yīng)用在小容量機(jī)組上,結(jié)構(gòu)與過程都比較簡(jiǎn)單,目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)已達(dá)到兆瓦水平,塔架高度和葉片長(zhǎng)度均出現(xiàn)了大幅增加,機(jī)組的振動(dòng)特性也發(fā)生了明顯變化,因此有必要針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的柔塔機(jī)組在葉輪質(zhì)量不平衡故障下開展振動(dòng)特性分析。本文在理論上對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪質(zhì)量不平衡對(duì)塔架振動(dòng)的影響進(jìn)行了研究,分析了現(xiàn)場(chǎng)該故障狀態(tài)下的柔塔機(jī)組振動(dòng)特性,最后通過動(dòng)平衡手段實(shí)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)水平和振動(dòng)故障率的降低。

1葉輪質(zhì)量不平衡原因及特征

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中葉片是吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件,長(zhǎng)時(shí)間暴露在惡劣的高空環(huán)境中,承受著大氣腐蝕、雷擊或陣風(fēng)等的破壞,同時(shí)葉片持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,會(huì)因疲勞而產(chǎn)生裂紋、砂眼、脫落和折斷等故障。葉片故障會(huì)直接導(dǎo)致風(fēng)輪質(zhì)量不平衡,同時(shí)葉片生產(chǎn)過程中的加工誤差和材質(zhì)不均勻,葉片安裝過程中的安裝誤差以及輪轂偏心等都會(huì)造成機(jī)組葉輪質(zhì)量不平衡。葉輪質(zhì)量不平衡故障會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的巨大振動(dòng),同時(shí)也會(huì)使傳動(dòng)鏈部件產(chǎn)生疲勞應(yīng)力,進(jìn)而影響機(jī)組的壽命。

圖1分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下和葉輪質(zhì)量不平衡狀態(tài)下的示意圖。機(jī)組的葉片可以等效為距離輪轂中心ri(i=1,2,3)的質(zhì)量塊mi(i=1,2,3),機(jī)組在正常狀態(tài)下,三個(gè)葉片受到的重力Gi(i=1,2,3)和離心力Fi(i=1,2,3)相同,此時(shí)葉輪平衡,同時(shí)由于葉輪在幾何上完全對(duì)稱,因此當(dāng)葉輪以角速度o旋轉(zhuǎn)時(shí),三個(gè)葉片的重力相對(duì)于葉輪中心點(diǎn)的合力與合力矩均為0,此時(shí)不會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)。

圖1機(jī)組正常狀態(tài)下和質(zhì)量不平衡狀態(tài)下示意圖

任意時(shí)刻正常機(jī)組的運(yùn)行可表示為:

葉輪質(zhì)量不平衡工況可以等效為在葉輪平面內(nèi)存在一個(gè)距離輪轂r0的質(zhì)量塊m0,方位角為o,該質(zhì)量塊同樣受到重力G0和離心力F0作用。當(dāng)葉輪以角速度o旋轉(zhuǎn)時(shí),作用在機(jī)組上的離心力為:

由于機(jī)組在軸向的剛度遠(yuǎn)大于水平方向,因此質(zhì)量不平衡振動(dòng)主要表現(xiàn)在機(jī)組的水平方向,離心力在水平方向的分量大小為:

該力即機(jī)組水平方向振動(dòng)的激振力,此時(shí)機(jī)組振動(dòng)表現(xiàn)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),頻率為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。因此,葉輪質(zhì)量不平衡主要會(huì)引起機(jī)組的水平方向振動(dòng)增大,其振動(dòng)頻率為葉輪的一倍轉(zhuǎn)頻,而正常機(jī)組的振動(dòng)頻率主要為葉輪的三倍轉(zhuǎn)頻。

2機(jī)組運(yùn)行特性

2.1機(jī)組基本信息

選取現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)存在質(zhì)量不平衡的機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)特性分析,該機(jī)組為典型的柔塔雙饋機(jī)組,塔架高度為120m,機(jī)組容量為2.2MW。此機(jī)組頻繁發(fā)生塔架振動(dòng)超限故障,為了不影響機(jī)組的安全性和發(fā)電量,借此機(jī)會(huì)進(jìn)行葉輪質(zhì)量不平衡下的故障分析和振動(dòng)特性研究。

2.2機(jī)組振動(dòng)分析

首先為確定機(jī)組是否存在質(zhì)量不平衡,對(duì)機(jī)組在運(yùn)行狀況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,圖2為機(jī)組在正常運(yùn)行工況下塔架前后方向和左右方向的振動(dòng)加速度值隨時(shí)間變化的圖像(其中塔架前后方向垂直于葉輪平面,塔架左右方向平行于葉輪平面)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),塔架左右方向的振動(dòng)加速度遠(yuǎn)大于前后振動(dòng)加速度,并且其左右方向振動(dòng)加速度波形表現(xiàn)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),可以排除氣動(dòng)不平衡情況。對(duì)機(jī)組左右方向的振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到該工況下的頻域圖,如圖3所示,從圖中可以看出,主要信號(hào)頻率為0.159Hz,由于當(dāng)前工況為運(yùn)行工況,轉(zhuǎn)速變化較快,同時(shí)柔塔的固有頻率也比較低,因此無(wú)法判斷此頻率為轉(zhuǎn)速頻率還是塔架固有頻率,無(wú)法確定該頻率的形成原因。

為確定塔架的固有頻率,使用ANSYS軟件對(duì)該機(jī)組塔架進(jìn)行模態(tài)仿真,仿真結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果來(lái)看,塔架的一階固有頻率為0.1715Hz,一階振型表現(xiàn)為機(jī)組的左右振動(dòng)。結(jié)合式(3)的理論結(jié)果與圖3的頻譜圖,可以判斷機(jī)組在運(yùn)行過程中的主要頻率為葉輪轉(zhuǎn)速頻率,該機(jī)組葉輪存在質(zhì)量不平衡。

圖2機(jī)組正常運(yùn)行工況下塔架不同方向振動(dòng)加速度

圖3機(jī)組左右方向振動(dòng)加速度頻域圖

為了探究在故障工況下機(jī)組的運(yùn)行特征,基于上述研究進(jìn)行機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)分析。分別對(duì)機(jī)組在2.2、4.4、6.7、8.9r/min轉(zhuǎn)速下水平方向的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖5所示,圖(a)~(d)分別為葉輪轉(zhuǎn)速為2.2、4.4、6.7、8.9r/min時(shí)機(jī)組在水平方向的振動(dòng)加速度值,為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,統(tǒng)計(jì)時(shí)間設(shè)為250S。從圖中可以看出,塔架振動(dòng)加速度波形表現(xiàn)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),同時(shí)隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的增大,塔架的振動(dòng)加速度波形峰值也出現(xiàn)了明顯的增加。

由于機(jī)組振動(dòng)評(píng)估需要穩(wěn)定的運(yùn)行條件,而運(yùn)行工況的變化會(huì)改變運(yùn)行狀態(tài),因此需要將機(jī)組振動(dòng)測(cè)量值在特定時(shí)間段內(nèi)取平均值,形成評(píng)估參數(shù)。機(jī)組振動(dòng)評(píng)估參數(shù)通過"能量等平均"法計(jì)算求得。振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)aw0用振動(dòng)加速度aw(t)時(shí)域測(cè)量值來(lái)定義,振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)計(jì)算公式為:

式中:aw(t)為給定頻率范圍內(nèi)振動(dòng)加速度的時(shí)間函數(shù):T0為評(píng)估周期(S)。

使用式(4)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組的振動(dòng)加速度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,機(jī)組水平方向的振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速的增加明顯加大,質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)加速度應(yīng)與轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系,但圖6的振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)沒有表現(xiàn)出明顯的倍數(shù)關(guān)系,反而表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速越大,振動(dòng)加速度增加越快。

對(duì)不同轉(zhuǎn)速下水平方向的振動(dòng)加速度時(shí)域圖進(jìn)行傅里葉變化做頻域分析,得到不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)加速度的頻譜圖,如圖7所示。

從圖7可以看出,不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組的振動(dòng)均有一個(gè)主要頻率。對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的主要頻率信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出,在轉(zhuǎn)速為2.2r/min和4.4r/min時(shí),主要頻率信號(hào)接近塔架的一階固有頻率,隨著轉(zhuǎn)速的提高,振動(dòng)頻率變?yōu)槿~輪轉(zhuǎn)頻。這表明該機(jī)組的不平衡質(zhì)量較低,因此在低轉(zhuǎn)速下質(zhì)量不平衡引起的激振力較小,由于塔架具有較大的剛度,所以水平方向振動(dòng)主要表現(xiàn)為塔架的一階固有頻率振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高后,不平衡引起的激振力增大,塔架水平方向振動(dòng)主要表現(xiàn)為機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)頻。同時(shí)由于柔塔的固有頻率較低,機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速穿越。機(jī)組轉(zhuǎn)速越接近塔架固有頻率,其振動(dòng)水平越會(huì)被放大,因此出現(xiàn)轉(zhuǎn)速越高,塔架振動(dòng)加速度越大的情況。所以相對(duì)于鋼塔,柔塔機(jī)組對(duì)于葉輪質(zhì)量不平衡更加敏感,尤其是機(jī)組轉(zhuǎn)速接近塔架固有頻率時(shí),這種質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)會(huì)被進(jìn)一步放大。

3機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡

由于該機(jī)組的葉輪質(zhì)量不平衡造成塔架振動(dòng)增加,機(jī)組振動(dòng)超限故障頻發(fā),已影響到機(jī)組發(fā)電量和運(yùn)行安全性,故對(duì)該機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。根據(jù)影響系數(shù)法基本原理,需要做兩次測(cè)試才能實(shí)現(xiàn)機(jī)組的動(dòng)平衡,包括一次試配重和最終配重[20]。配重方式主要是在葉片內(nèi)部21m的位置增加配重塊,該配重塊主要由一個(gè)底座和幾個(gè)配重板組成,底座與葉片通過粘接劑固定,配重板與底座通過螺母固定,通過增減配重板來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的配重控制,由于8.9r/min已接近機(jī)組的固有頻率,因此配重轉(zhuǎn)速工況固定為8.9r/min。

該機(jī)組每次停機(jī)的位置有一支固定葉片朝下,和塔架呈30o夾角,因此決定在其余兩個(gè)葉片上進(jìn)行配重。配重信息如表2所示,首先選擇單個(gè)葉片進(jìn)行試配重,試重質(zhì)量為26kg,配重位置在距離葉根位置21m處的位置,相位為300o,然后根據(jù)試配重的結(jié)果來(lái)進(jìn)行理論配重的計(jì)算。理論配重為35kg,配重位置在距離葉根位置21m處的位置,配重相位為180o。由于機(jī)組已完成組裝,所以將該配重分解為兩個(gè)葉片上的配重,一支葉片配重30kg,相位為300o,另一支葉片配重17kg,相位為90o。配重后不同工況下的振動(dòng)加速度值與配重前的對(duì)比如圖8所示。從試配重的加速度幅值中可以看出,試重對(duì)機(jī)組葉輪質(zhì)量不平衡的改善有一定的效果,可以降低加速度幅值約20%。實(shí)際配重后機(jī)組振動(dòng)加速度降幅明顯,在轉(zhuǎn)速為8.9r/min時(shí)降幅約49%。同時(shí)隨著實(shí)際配重的增加,機(jī)組的振動(dòng)超限故障頻次也從每月的27次降低為0次,表明通過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡成功降低了機(jī)組運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)水平,解決了該機(jī)組的振動(dòng)超限問題。

4結(jié)論

本文主要分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生葉輪質(zhì)量不平衡的原因,介紹了柔塔機(jī)組在葉輪質(zhì)量不平衡下的振動(dòng)特性,并通過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡解決了機(jī)組故障。本文研究可為柔塔風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行、振動(dòng)故障分析以及仿真模擬等提供參考。主要結(jié)論如下:

圖8配重前后不同工況下的振動(dòng)加速度評(píng)估參數(shù)

(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪質(zhì)量不平衡會(huì)引起塔架在左右方向的振動(dòng)加速度值增大,并且振動(dòng)頻率以葉輪轉(zhuǎn)頻為主;

(2)柔塔機(jī)組對(duì)葉輪質(zhì)量不平衡的敏感度更高,當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速臨近塔架固有頻率時(shí),塔架的振動(dòng)加速度會(huì)進(jìn)一步放大,柔塔機(jī)組應(yīng)該具有更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和安裝標(biāo)準(zhǔn);

(3)機(jī)組經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)工作范圍內(nèi)水平方向振動(dòng)加速度的降低,最大降幅接近50%。