風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片質(zhì)量不平衡檢測應(yīng)用

羅浩然 姜吉 范呂

摘要：風(fēng)能作為一種清潔、綠色的可再生能源，已成為世界各國新能源發(fā)展的重要方向。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的持續(xù)增加，如何降低機(jī)組維修成本和停機(jī)時(shí)間以及提高機(jī)組出力成為制約風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵問題。風(fēng)電機(jī)組大多運(yùn)行在環(huán)境比較惡劣的戶外或海上，風(fēng)沙的磨損或結(jié)冰沉積等會造成葉片質(zhì)量不平衡;另外疲勞應(yīng)力的作用會使葉片產(chǎn)生裂紋，灰塵、雜物、雨水等進(jìn)入裂紋也會引起葉片質(zhì)量的不平衡并進(jìn)一步加劇葉片和其他部件的疲勞和振動(dòng)，若繼續(xù)運(yùn)行會對機(jī)組產(chǎn)生非常大的危害，嚴(yán)重時(shí)葉片斷裂造成重大損失。針對風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量不平衡問題，分析了并進(jìn)一步加劇葉片和其他部件的疲勞和振動(dòng)，若繼續(xù)運(yùn)行會對機(jī)組產(chǎn)生非常大的危害，嚴(yán)重時(shí)葉片斷裂造成重大損失。針對風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量不平衡問題，本文分析了葉輪質(zhì)量不平衡檢測原理，提出了方法來診斷葉片質(zhì)量不平衡。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;葉片;質(zhì)量不平衡;塔筒振動(dòng)

近些年，風(fēng)資源作為一種清潔、低成本、可再生的新能源，越來越受到重視，風(fēng)力資源開發(fā)也進(jìn)入了一個(gè)高速成長的階段。隨著風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量的增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵大部件故障開始涌現(xiàn)。其中葉輪作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，長期暴露在惡劣的高空環(huán)境中，經(jīng)受著大氣腐蝕、陣風(fēng)或雷擊等的破壞，并且葉片長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行會因疲勞而發(fā)生諸如裂紋、砂眼、脫落及折斷等故障。

葉片的一系列故障將會導(dǎo)致葉片質(zhì)量發(fā)生變化，造成葉輪質(zhì)量不平衡;在風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)過程中，加工誤差、材質(zhì)不均勻等會造成葉片質(zhì)量不同，不同質(zhì)量的葉片安裝到相同輪轂上，也將導(dǎo)致葉輪質(zhì)量不平衡。在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于葉輪的質(zhì)量不平衡，葉輪將產(chǎn)生離心力，不僅會導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，而且會增加塔筒的振動(dòng)幅度，從而降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性。因此，如何檢測并排除葉輪質(zhì)量不平衡故障是一個(gè)亟待解決的重要問題。

一、葉輪質(zhì)量不平衡檢測原理

本文針對目前流行的三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行探討，將外形、重量、重心位置絕對一致的三葉片組成的葉輪稱為理想葉輪，理想葉輪的旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)與葉輪重心G點(diǎn)是完全重合的。但是由于葉片在運(yùn)行過程中遭受外界因素破壞，或者由于加工制造工藝存在誤差，就會造成實(shí)際葉輪狀態(tài)偏離理想葉輪狀態(tài)，即葉輪重心G點(diǎn)偏離葉輪旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)，如圖1所示。若將G點(diǎn)與O點(diǎn)間距控制在一定距離內(nèi)，機(jī)組可以正常運(yùn)行;一旦G點(diǎn)與O點(diǎn)距離超出設(shè)計(jì)允許值，葉輪旋轉(zhuǎn)過程中輕則導(dǎo)致機(jī)艙晃動(dòng)，重則加劇葉片損壞，直至折斷。

在圖1中，葉片G3由于損壞或者加工制造誤差，導(dǎo)致質(zhì)量偏輕，而其他兩個(gè)葉片G1和G2質(zhì)量相等，從而造成葉輪重心G點(diǎn)落在葉片G3的軸線反向延長線上。此時(shí)，葉輪質(zhì)量不平衡模型可以等效為在理想葉輪模型的G點(diǎn)處增加質(zhì)量為M的虛擬質(zhì)量塊。設(shè)OG距離為R，如圖2所示。虛擬質(zhì)量塊對葉輪產(chǎn)生的扭矩為以含有齒輪箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，設(shè)齒輪箱轉(zhuǎn)速比為1：i，則在虛擬質(zhì)量塊作用下齒輪箱輸出扭矩為：

為了檢測因葉輪不平衡質(zhì)量導(dǎo)致的附加扭矩，本文在低風(fēng)速、停機(jī)狀態(tài)下，利用拉力計(jì)在聯(lián)軸節(jié)半徑r處對齒輪箱輸出軸施加反向扭矩，使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到平衡。通過傳動(dòng)系統(tǒng)平衡時(shí)拉力計(jì)檢測的拉力F，可以計(jì)算出由葉輪不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的附加扭矩。其平衡公式為：

隨著葉輪處于不同位置，在齒輪箱輸出軸聯(lián)軸節(jié)處檢測的拉力不同，其拉力F為：

由上述公式可知，拉力F呈正弦曲線規(guī)律變化。當(dāng)θ為90°或者270°時(shí)，拉力值F最大，即不平衡質(zhì)量處于3點(diǎn)或9點(diǎn)方向時(shí)，拉力值最大;當(dāng)θ為0°或者180°時(shí)，拉力值F最小，即不平衡質(zhì)量處于12點(diǎn)或6點(diǎn)方向時(shí)，拉力值最小。分別對葉輪處于12個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行檢測，可得到最大拉力值F，從而計(jì)算出由葉輪不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的扭矩。

二、實(shí)施方案

針對經(jīng)常報(bào)出塔筒振動(dòng)幅度大故障以及經(jīng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析振動(dòng)幅度大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，按以下步驟進(jìn)行葉輪質(zhì)量不平衡檢測：（1）利用高精度望遠(yuǎn)鏡對機(jī)組葉片進(jìn)行非登機(jī)表面檢查，檢查葉片是否發(fā)生臟污、雷擊、開裂、脫落等現(xiàn)象，并對葉片損壞程度進(jìn)行登記。（2）針對機(jī)組做葉輪質(zhì)量不平衡檢測試驗(yàn)，準(zhǔn)備測量器具如表1所示。

（3）對機(jī)組進(jìn)行登機(jī)檢測，要求測量期間風(fēng)速低于3m/s。（4）利用記號筆在齒輪箱輸入端外圈處均勻標(biāo)記12個(gè)點(diǎn)位，并在主軸上隨機(jī)標(biāo)記一個(gè)H點(diǎn)位，如圖3所示

（5）利用鎖定銷鎖定葉輪，拆除齒輪箱高速軸處聯(lián)軸器防護(hù)罩，在聯(lián)軸器上緊固螺栓（圖4）上固定魚線，并利用皮尺測量、計(jì)算該螺栓中心到聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)中心的距離r。（6）在確保聯(lián)軸器、剎車盤轉(zhuǎn)動(dòng)不會威脅到人身、設(shè)備安全的前提下，保持機(jī)組處于順槳狀態(tài)，退出葉輪鎖定銷，并松開齒輪箱高速軸剎車。（7）對齒輪箱高速軸進(jìn)行手動(dòng)盤車，調(diào)整主軸上的標(biāo)記H點(diǎn)依次對應(yīng)齒輪箱外圈上的12個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。利用拉力計(jì)勾住魚線，保持聯(lián)軸器靜止，測量聯(lián)軸器上的緊固螺栓點(diǎn)處的外切向拉力，并做好記錄。（8）對依次測量的拉力值進(jìn)行描點(diǎn)畫線，驗(yàn)證測量數(shù)據(jù)的正確性。如果測量準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)曲線應(yīng)為正弦曲線。如果不符合理論曲線，則需對聯(lián)軸器的輸出端進(jìn)行拆除，以減少阻尼，重新對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。

（9）根據(jù)數(shù)據(jù)曲線，計(jì)算由葉輪不平衡質(zhì)量引起的扭矩。當(dāng)拉力F達(dá)到最大值時(shí)，若主軸有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢，則說明不平衡質(zhì)量位于3點(diǎn)方向;若主軸有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢，則說明不平衡質(zhì)量位于9點(diǎn)方向。由葉輪不平衡質(zhì)量引起的最大扭矩為：

若對質(zhì)量不平衡葉輪進(jìn)行平衡處理，則需在輪轂上與不平衡質(zhì)量位置相反方向處添加配重。假設(shè)添加配重位置距葉輪中心距離為L，則需添加配重質(zhì)量為：

結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片加工誤差、材質(zhì)不均勻或者葉片損傷故障，均會造成葉輪質(zhì)量不平衡，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中塔筒振動(dòng)幅度偏大或報(bào)警。本文針對傳動(dòng)系統(tǒng)含有齒輪箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，提出了葉輪質(zhì)量不平衡檢測方法和檢測實(shí)施方案，為平衡葉輪提供了理論依據(jù)。針對塔筒振動(dòng)幅度過大的機(jī)組，建議及時(shí)進(jìn)行葉片觀測、檢查和葉輪質(zhì)量不平衡檢測試驗(yàn)，以免因葉輪質(zhì)量不平衡問題使故障擴(kuò)大。

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