風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片氣動(dòng)不平衡研究

李東 李建濤 朱俊 符智

摘 要：針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中常見(jiàn)的葉片氣動(dòng)不平衡故障，分析了氣動(dòng)不平衡產(chǎn)生的原因，利用仿真軟件模擬不同程度的氣動(dòng)不平衡，定量分析其對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷、振動(dòng)及發(fā)電量的影響，利用激光校準(zhǔn)儀測(cè)量葉片攻角，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。分析表明：葉片氣動(dòng)不平衡會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)載荷、振動(dòng)增大，嚴(yán)重影響部件疲勞壽命，年發(fā)電量減少，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 氣動(dòng)不平衡 載荷 振動(dòng) 發(fā)電量

中圖分類(lèi)號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（a）-0096-03

1 氣動(dòng)不平衡產(chǎn)生原因分析

氣動(dòng)不平衡主要是由于葉片0度角偏差導(dǎo)致的葉片氣動(dòng)力不均衡導(dǎo)致，引起葉片角度偏差的原因主要包括：

（1）葉片制造誤差：葉片生產(chǎn)過(guò)程中需要零度定位，在合模后使用工裝定位開(kāi)葉根螺栓孔，再根據(jù)螺栓孔或工作定位葉片零度，多次轉(zhuǎn)換定位標(biāo)準(zhǔn)難免帶來(lái)0度角制造誤差。

（2）葉片安裝誤差：風(fēng)機(jī)安裝后調(diào)試前要進(jìn)行葉片安裝角校準(zhǔn)，依據(jù)為葉片0度標(biāo)尺和輪轂0度基準(zhǔn)，實(shí)際操作中往往存在葉片0度標(biāo)尺不夠準(zhǔn)確和輪轂0度基準(zhǔn)模糊等問(wèn)題，容易造成葉片實(shí)際運(yùn)行0度不統(tǒng)一。

（3）變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤差：電變槳風(fēng)機(jī)角度定位通過(guò)變槳角度傳感器和變槳電機(jī)絕對(duì)值編碼器，絕對(duì)值編碼器計(jì)算變槳角度需要設(shè)置變槳減速器和變槳軸承傳動(dòng)比，一般減速器設(shè)計(jì)值和實(shí)際值均有誤差，而角度傳感器與變槳軸承嚙合側(cè)隙較大，導(dǎo)致運(yùn)行精度降低。長(zhǎng)期運(yùn)行誤差積累，容易出現(xiàn)0度角偏差，造成葉片角度不統(tǒng)一。

（4）葉片狀態(tài)：葉片如果發(fā)生過(guò)損壞維修，表面重新處理，或表面氣動(dòng)磨損，或嚴(yán)重污染，導(dǎo)致葉片外表面狀態(tài)改變，導(dǎo)致三個(gè)葉片氣動(dòng)外形不統(tǒng)一，此時(shí)0度角也應(yīng)該隨之調(diào)整，若未調(diào)整則會(huì)出現(xiàn)0度角偏差。

2 氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)的影響理論分析

葉片制造安裝過(guò)程中各種誤差不可避免，氣動(dòng)不平衡不可能完全消失，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定葉片單葉片零度角偏差小于±0.3°為正常，當(dāng)其超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值后，對(duì)風(fēng)機(jī)載荷、振動(dòng)、發(fā)電量會(huì)產(chǎn)生較大影響。

2.1 氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)載荷影響

如圖1所示，升力L與阻力D的合力R可分解為與葉輪旋轉(zhuǎn)平面平行的牽引力PT以及與葉輪旋轉(zhuǎn)平面垂直的推力PN，PT牽引葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，PN作用在底架和塔筒上。

理想情況下，各葉片推力PN相等，葉片均勻分布時(shí)，產(chǎn)生的力矩相互抵消，葉輪不會(huì)產(chǎn)生額外的傾覆力矩。當(dāng)其中一個(gè)葉片0度角出現(xiàn)偏差時(shí)，攻角α改變，葉片推力PN隨之改變，葉片力矩不平衡，葉輪會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的傾覆力矩MΔα作用在底架和塔筒上，隨著葉輪方位角的變化MΔα呈周期性變化，對(duì)底架和塔筒產(chǎn)生一個(gè)周期性載荷。

其中

Mx為底架和塔筒X方向載荷；

ΣPN為葉輪推力合力；

G為風(fēng)機(jī)重力；

h1為風(fēng)輪中心線到偏航中心距離；

h2為整機(jī)中心與塔筒中心的距離；

Mw為風(fēng)切、湍流度產(chǎn)生的葉輪傾覆力矩；

MΔα為氣象不平衡產(chǎn)生的額外傾覆力矩。

利用bladed多體動(dòng)力學(xué)載荷仿真軟件對(duì)單葉片0度角偏差±2.5°（氣動(dòng)不平衡）與單葉片0度角偏差±0.3°（正常）兩種工況進(jìn)行仿真，得到不同0度角偏差下偏航中心傾覆力矩。

由表1可知，0度角偏差增大后，氣象不平衡增大，輪轂中心載荷增加，影響傳動(dòng)鏈和機(jī)艙底架等主要部件，對(duì)齒輪箱、軸承的壽命有較大影響。偏航中心載荷增加，對(duì)偏航系統(tǒng)、塔筒帶來(lái)不利影響，增加偏航制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)，降低部件疲勞壽命。

2.2 氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)影響

氣動(dòng)不平衡導(dǎo)致葉輪產(chǎn)生額外的傾覆力矩作用在底架和塔筒上，根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程可知，激勵(lì)力增大會(huì)導(dǎo)致底架和塔筒振動(dòng)增加。

其中：

m為底架和塔筒剛度矩陣；

c為底架和塔筒阻尼矩陣；

k為底架和塔筒質(zhì)量矩陣；

v為加速度；

v為速度；

v為位移；

P（t）為正常工況風(fēng)機(jī)外載荷；

ΔP（t）為氣動(dòng)不平衡載荷。

通過(guò)仿真模擬單葉片0度角偏差±2.5°（氣動(dòng)不平衡）與單葉片0度角偏差±0.3°（正常）工況下機(jī)艙底架振動(dòng)。

由表2可知，0度角偏差增大后，機(jī)艙底架X（前后）方向振動(dòng)和Y（橫向）方向振動(dòng)加速度峰峰值明顯增大，振動(dòng)增大會(huì)造成齒輪箱前后竄動(dòng)，機(jī)艙左右強(qiáng)烈搖晃，偏航制動(dòng)位置竄動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)在偏航處發(fā)出強(qiáng)烈的噪音，損壞機(jī)艙內(nèi)部件。

2.3 氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電量影響

氣動(dòng)不平衡時(shí)，葉片攻角改變，導(dǎo)致葉輪受風(fēng)面積減小，影響功率吸收，從而影響風(fēng)機(jī)發(fā)電量。利用bladed對(duì)單葉片偏差±0.3°工況和單葉片偏差±2.5°工況下1.5MW風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率曲線計(jì)算。

由圖2和表3可知，0度角偏差增大后，氣動(dòng)不平衡增大風(fēng)能利用率減小，功率曲線下移。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Rayleigh分布風(fēng)頻計(jì)算各不同年平均風(fēng)速下的年發(fā)電量，氣動(dòng)不平衡增大，不同年平均風(fēng)速下的年發(fā)電量明顯下降，單臺(tái)風(fēng)機(jī)年收益損失4萬(wàn)元以上。

3 氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)的影響實(shí)驗(yàn)分析

本文以某風(fēng)場(chǎng)1.5MW風(fēng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用激光校準(zhǔn)儀對(duì)風(fēng)機(jī)各葉片攻角進(jìn)行測(cè)量，得到0度角偏差，對(duì)偏差較大的葉片0度角進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)比分析校準(zhǔn)前后風(fēng)機(jī)各性能參數(shù)的變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響。

3.1 激光校準(zhǔn)儀原理

激光校準(zhǔn)儀采用高頻脈沖激光設(shè)備對(duì)準(zhǔn)葉片兩個(gè)截面，通過(guò)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)掃掠固定照射的激光脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片表面外形的掃描記錄，記錄一定時(shí)間的掃描數(shù)據(jù)，可解析出葉片0度角偏差，如圖3所示。

3.2 氣動(dòng)不平衡校準(zhǔn)前后振動(dòng)參數(shù)分析

由于載荷測(cè)試比較困難，且載荷變化最終會(huì)反映在振動(dòng)上，導(dǎo)致振動(dòng)參數(shù)變化，故本文以底架塔筒振動(dòng)數(shù)據(jù)的變化來(lái)驗(yàn)證氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)載荷和振動(dòng)參數(shù)的影響。利用激光校準(zhǔn)儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)校準(zhǔn)前單葉片初始偏差角為6.7°，更改0度線，校準(zhǔn)后偏差角達(dá)到0.3°以下，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，校準(zhǔn)前后振動(dòng)值對(duì)比如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，通過(guò)激光校準(zhǔn)儀對(duì)偏差角進(jìn)行校準(zhǔn)以后，相近風(fēng)速下，底架塔筒部件周期性振動(dòng)明顯減小，說(shuō)明較大的葉片偏差角導(dǎo)致氣動(dòng)不平衡會(huì)增大風(fēng)機(jī)的周期載荷，使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生周期性振動(dòng)，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)各部件的壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見(jiàn)的氣動(dòng)不平衡故障，分析了氣動(dòng)不平衡故障產(chǎn)生的原因，通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片初始0度角偏差增大，風(fēng)機(jī)發(fā)生氣動(dòng)不平衡時(shí)，風(fēng)機(jī)的周期性載荷和振動(dòng)增大，對(duì)齒輪箱、偏航系統(tǒng)損傷增大，部件壽命降低。除此之外，隨著氣動(dòng)不平衡的增大，風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率下降，功率曲線下移，年發(fā)電量減小，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

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