MW級風(fēng)電機組偏航振動噪音問題分析及改進

王朝東，楊海鋒，王小麗

(1.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼集團研發(fā)中心，河南 許昌 461000)

0 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電成為新能源利用的主要方式之一，裝機容量快速增長。當前風(fēng)力發(fā)電機組均設(shè)計有主動偏航系統(tǒng)，用于驅(qū)動機艙轉(zhuǎn)動，使機組始終處于正對風(fēng)狀態(tài)，獲取最大的風(fēng)能。當偏航系統(tǒng)動作的時候，液壓偏航制動器系統(tǒng)處于半壓狀態(tài)，為機組提供一定的阻尼，保證機組偏航過程的穩(wěn)定性；當機組完成偏航后，液壓偏航剎車系統(tǒng)處于抱死狀態(tài)，借助偏航制動器提供的制動力將機組固定在相應(yīng)的位置上[1-3]。

風(fēng)力發(fā)電機組在偏航過程中出現(xiàn)振動，會引發(fā)機組振動加速度超標故障及其他故障，不但提高了機組的故障率影響機組可利用率，縮短偏航制動器摩擦片使用壽命，還可能影響機組的使用壽命。伴隨振動出現(xiàn)的噪音，特別是分散式風(fēng)電靠近居民區(qū),風(fēng)機偏航產(chǎn)生的噪音很大程度上會影響人們的正常生活。因此，分析風(fēng)力發(fā)電機組偏航振動、噪音產(chǎn)生的原因以及提供有效解決方案，是提高風(fēng)機穩(wěn)定性工作的重要組成部分[4]。

1 偏航剎車系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機組偏航剎車系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組重要組成部分，它由偏航制動器、偏航制動盤、偏航驅(qū)動和偏航軸承組成，安裝在風(fēng)機機艙部分的底座部位，MATLAB如圖1所示。

圖1 偏航剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為避免風(fēng)電機組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動而造成整機的共振，偏航系統(tǒng)在機組偏航時必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據(jù)機艙和風(fēng)輪質(zhì)量總和的慣性力矩來確定。只有在阻尼力矩的作用下，機組的風(fēng)輪才能夠定位準確，充分利用風(fēng)能進行發(fā)電。對于采用了偏航制動器的風(fēng)電機組，需要借助液壓驅(qū)動裝置使摩擦片以一定的壓力壓緊偏航制動盤，進而利用兩者之間的摩擦力來分別實現(xiàn)機艙定位工況所需的制動力矩與偏航工況所需的阻尼力矩[5]。

偏航制動器是主動式制動器，工作壓力為16 MPa，最大壓力為18 MPa 。制動器由2個半鉗體組成，安裝在制動盤上。每個半鉗體由1個缸體構(gòu)成，缸體里有2個活塞和1個制動襯墊。制動襯墊放在缸體的溝槽里，通過改變液壓力實現(xiàn)制動力改變，通過改變活塞的行程來實現(xiàn)襯墊磨損的補償[6]。制動器有足夠大的摩擦片作用在制動盤的兩面，摩擦材料選擇有機復(fù)合材料。制動力直接與液壓站提供的液壓力和摩擦系數(shù)有關(guān)。名義摩擦系數(shù)μ=0.4。摩擦系數(shù)與制動盤的材料、轉(zhuǎn)速和溫度等因素有關(guān)。

2 偏航振動與噪音問題分析

2.1 現(xiàn)場問題排查

為了查明問題原因，對風(fēng)機偏航系統(tǒng)相關(guān)部件和系統(tǒng)進行逐一排查，具體排查情況如下：

a.振動傳感器。對風(fēng)機振動傳感器的接線和固定螺栓進行排查，接線和螺栓確定沒有問題后，使用新的傳感器對現(xiàn)場風(fēng)機振動傳感器進行更換，更換后風(fēng)機依然會出現(xiàn)振動超標故障，因此排除振動傳感器出現(xiàn)故障的可能性。

b.偏航驅(qū)動。對偏航驅(qū)動電流進行檢測，偏航過程中驅(qū)動電流平穩(wěn)未發(fā)現(xiàn)異常。偏航齒輪箱在偏航過程中工作平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)振動和異響情況。檢查偏航驅(qū)動小齒輪嚙合側(cè)隙，所有風(fēng)機偏航齒輪嚙合側(cè)隙均在設(shè)計值范圍內(nèi)，因此排除確定偏航驅(qū)動出現(xiàn)故障的可能性。

c.偏航軸承。對風(fēng)機偏航軸承齒圈進行檢查，齒圈齒面完好，齒表面潤滑脂涂抹均勻。偏航軸承運行過程中未發(fā)現(xiàn)抖動情況，偏航軸承密封圈完好。

d.偏航制動盤。偏航制動盤表面平整，厚度均勻，未發(fā)現(xiàn)變形、損傷情況，但在制動盤上存在明顯浮銹。

在這個大數(shù)據(jù)的時代，機遇和挑戰(zhàn)是共存的，因此，變化是這個時代催生的產(chǎn)物，同時尋求發(fā)展是這個時代永恒不變的話題。當今社會是一個信息化、網(wǎng)絡(luò)化的社會，大數(shù)據(jù)是這個時代最完美的發(fā)明，這項發(fā)明在測繪地理信息中發(fā)揮著巨大的作用，因此，只有合理地運用大數(shù)據(jù)帶來的便利服務(wù)，才能把握好機遇，同時也會將挑戰(zhàn)變?yōu)榘l(fā)展。

e.偏航制動器。偏航制動器未發(fā)現(xiàn)漏油情況，各種工況下偏航制動器壓力穩(wěn)定，但在偏航過程中偏航制動器存在振動和異響情況。對偏航制動器進行拆卸后，發(fā)現(xiàn)偏航摩擦片表面存在一層由鐵銹和摩擦片磨屑壓制成的釉質(zhì)層，如圖2所示。

圖2 摩擦片表面釉質(zhì)層情況

2.2 形成釉質(zhì)層原因分析

風(fēng)電機組在長期運行過程中，摩擦片與制動盤相互摩擦產(chǎn)生磨屑，隨著磨屑積累量增多，磨屑、粉塵及鋼材銹跡在摩擦片與制動盤之間受到壓力和摩擦熱的作用，摩擦片表面會形成類似釉質(zhì)的硬層。釉層使摩擦片與制動盤的對偶特性發(fā)生變化，當釉層越積越厚，摩擦片不均勻磨損，摩擦系數(shù)波動，在阻尼力矩作用下產(chǎn)生的振動頻率與機組的固有頻率發(fā)生共振時，導(dǎo)致偏航過程出現(xiàn)抖動，并伴隨噪音。

2.3 釉質(zhì)層的解決方案

2.3.1 打磨摩擦片

針對偏航制動器摩擦片表面釉質(zhì)層的問題，解決方案為對摩擦片表面進行打磨，將摩擦片表面的釉質(zhì)層打磨干凈后繼續(xù)使用。因打磨厚度不會超過1 mm，因此對摩擦片壽命幾乎沒有影響。

2.3.2 制動盤開槽

為了更好地將偏航摩擦片磨屑排出，將在偏航制動盤上開槽，開槽后能夠有效地將偏航摩擦片表面的磨屑刮掉，避免磨屑在摩擦片表面長時間堆積形成釉質(zhì)層。許繼2 MW風(fēng)機制動盤開槽孔尺寸為 155 mm×4 mm×4 mm，其中，上表面為 4 組雙排槽，下表面為 4 組單排槽。

3 制動盤強度分析

3.1 材料參數(shù)

表1 材料參數(shù)

3.2 有限元計算

整個偏航制動盤采用10節(jié)點4面體單元solid187進行網(wǎng)格劃分[7]，有限元模型如圖3所示。

圖3 偏航制動盤有限元模型

有限元模型中簡化了倒角、螺栓孔等特征。偏航制動盤與卡鉗、偏航軸承、塔筒均采用綁定接觸進行連接。塔筒底部施加固定約束，并施加塔頂中心位置極限與疲勞載荷[8]，偏航制動盤S-N曲線信息如表2所示。極限計算時材料載荷安全系數(shù)取1.1，疲勞計算時取1.25。

表2 偏航制動盤S-N曲線信息

3.3 計算結(jié)果

在工藝孔區(qū)域中，極限強度SRF為1.358，如圖4所示，疲勞SRF為1.546 9，如圖5所示。

圖4 偏航制動盤開槽位置最大S1應(yīng)力云圖

圖5 偏航制動盤工藝孔區(qū)域極限結(jié)果安全系數(shù)

在開槽區(qū)域中，如圖4所示，最大S1為577 MPa，出現(xiàn)在接觸區(qū)域位置，應(yīng)予以排除，其余區(qū)域最大主應(yīng)力均小于制動盤許用應(yīng)力。因此，制動盤開槽位置能夠滿足極限強度設(shè)計要求[9]。對于疲勞強度，由于開槽區(qū)域(未在接觸區(qū)域)的主應(yīng)力小于工藝孔區(qū)域，且工藝孔區(qū)域的疲勞SRF為1.546 9，因此開槽區(qū)域的疲勞SRF應(yīng)大于1.546 9，滿足疲勞強度設(shè)計要求,如圖6所示。

圖6 偏航制動盤工藝孔區(qū)域疲勞安全系數(shù)位置

4 風(fēng)場整改方案

為了解決風(fēng)場出現(xiàn)的偏航振動、噪音問題，設(shè)計專業(yè)工裝，具體的操作方法如下：

a.調(diào)整角磨機，并安裝外徑50 mm和厚度3 mm 的砂輪片，如圖7所示。

圖7 角磨機調(diào)整

b.將開槽工裝固定到制動盤上，如圖8所示。

圖8 開槽工裝的固定

c.調(diào)整工裝上側(cè)調(diào)整螺栓和下側(cè)調(diào)整螺栓，使角磨機轉(zhuǎn)軸與制動盤平面近似平行，角磨機的砂輪片下部與制動盤上表面有 2～3 mm 間隙，如圖9和圖10所示。

d.開槽時角磨機沿著工裝導(dǎo)桿緩慢推進，保持受力均勻，注意隨時測量槽的深度(嚴禁超出 4 mm)。操作前需注意把周圍潤滑管、電纜(線)扯開，確保有足夠安全的作業(yè)區(qū)域，避免作業(yè)時與角磨機干涉。

e.用同樣方法，按照圖紙要求，開制動盤上表面其余槽孔。

圖9 開槽工裝調(diào)整機構(gòu)

圖10 開槽工裝上下調(diào)整

f.作業(yè)完成后需用銼刀去除槽邊緣毛刺等，并把制動盤表面擦拭干凈，按工藝文件要求安裝好拆卸的偏航制動器。

5 改造效果

針對風(fēng)力發(fā)電機組出現(xiàn)振動、噪音問題，按照此方案對1個風(fēng)場的24臺風(fēng)機進行整改。經(jīng)過偏航制動器摩擦片打磨和制動盤開槽后，風(fēng)機的振動加速度值有了明顯的降低，整改前后的振動加速度情況對比，如圖11和12所示。整改后由于振動減小，伴隨振動出現(xiàn)的噪音也明顯減弱。

圖11 整改前振動加速度數(shù)據(jù)

圖12 整改后振動加速度數(shù)據(jù)

為了驗證偏航制動器開槽是否能夠有限抑制偏航制動器摩擦片釉質(zhì)層的產(chǎn)生，在整改1年后，對現(xiàn)場風(fēng)機偏航制動器進行拆卸和檢查。

經(jīng)檢測，偏航制動器摩擦片未出現(xiàn)明顯釉質(zhì)層，并且摩擦片磨損量并未因為偏航制動盤開槽而增加較多，如圖13和14所示。

圖13 整改前摩擦片

圖14 整改后摩擦片

6 結(jié)束語

使用液壓偏航制動器的風(fēng)力發(fā)電機組偏航過程中，出現(xiàn)振動、噪音問題是較為普遍的現(xiàn)象，在國內(nèi)外不同品牌的機組都存在類似情況。由于現(xiàn)有偏航制動器的結(jié)構(gòu)特點和使用工況，以及偏航制動器摩擦片的材料，偏航制動器摩擦片運行過程出現(xiàn)釉質(zhì)層是不可避免的。而偏航制動盤開槽能夠有效避免偏航摩擦片出現(xiàn)釉質(zhì)層，降低風(fēng)力發(fā)電機組因偏航制動器出現(xiàn)振動、噪音問題的概率，有效提高風(fēng)力發(fā)電機組的穩(wěn)定性和運行效率。