风力发电机组振动状态监测与故障诊断

风力发电机组振动状态监测与故障诊断杜稳稳指导教师姓名:安源胜、副教授、华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院申请学位级别:专业名称:化工过程机械论文定稿日期:硕士2011.2.21论文答辩日期:2011.2.26学位授予单位:华东理工大学学位授予日期:答辩委员会主席:评阅人:顾涛、高级工程师何录武、教授顾涛、高级工程师多华东理工大学硕士学位论文3.2.5随机共振...............................……,.............……,.......................……233.3小波分析法研究.........……`..........................……`.........................……263.3.1奇异信号 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ……,,.......……`................……,....................……,,……263.3.2小波能量时谱和能量频谱....................……,.............................……283.3.3小波重构包络谱.…,..…,..............................................……,.........……293.3.4小波消噪..................................................................................……303.4模糊诊断法研究...........................……,.........................……,……,..……犯3.5本章小结....................................................................................……34第4章风力发电机组振动状态监测与故障诊断系统设计.............……364.1系统总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ...............……,..................................................……364.2测量参数和测点选择.....................................................................……364.2.1测量参数选择............................................……,.........................……364.2.2测点选择..........................……,.................................................……364.3硬件选择.................................……,,...........................................……374.3,1传感器选择.....……_.....................................……,.......................……374.3.2接头和电缆选择............................................……,......................……384.3.3DAQ数据采集卡选择...............................……`.............................……394.4软件设计部分.....................................……,................................……,.394.4.1用户登陆系统设计......................................................................……404.4.2在线振动状态监测系统设计...........……,..……,.……,..……,,,...……,..……424.4.3故障诊断系统设计.,..……,.,…,......……,.,.................……、..............……444.5本章小结................................................……,....................……,...……52第5章结论与展望...........................................……`...........……545.1结论..........................................................................................……545.2展望……,.................................................................................……54参考文献............................................................................……56致谢..................................................................................……60文第工页目录第1章绪论........................................................................……11.1风力发电机的发展..........................................................................……11.2风力发电机的结构..........................................................................……11,3风力发电机组存在的问题..……,...........……卜......................................……3l,4风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术…,.....................................……4l,4.1振动状态监测,二,二,,..…,.,.,.,.,.…,.……,二,二,,.,,.....................……,.....……51.4.2故障诊断方法.................……,,.......……,……,.,..............................……51.4.3存在的问题........................................……,二,二,二,二,,,,,……,..........……51.4.4研究意义...............................……、.............……,....……,...……,....……51.5本论文的研究内容.....................................·..·························,······,一6第2章风力发电机组振动研究...............................................……72.1整机系统振动研究..........................................................................……72.2偏航系统振动研究............................……,.................……,...............……92.3叶片振动研究..............................................................................……112.3.1静态发散..................................................................................……112.3.2颤振........................................................................................……112.4齿轮振动研究...............................................................................……132.5主轴承振动研究...........................................................................……142.6发电机振动研究...........................................................................……152.6.1转子线圈匝间短路......................................................................……152.6.2转子和定子之间空气间隙不均匀...........................................……,...……152.6.3发电机定子铁芯引起的振动分析.....................................................……162.7本章小结................................……,,.....……,................................……16第3章风力发电机组故障诊断方法研究..................................……173.1时域参数法研究..............……`......................................................……173.1.1有量纲特征参数.....……,.............................................................……173.1.2无量纲动态指标.........................................……,........................……173.2频谱分析法研究....……,................................................................……183.2.1自功率谱..............................................................……卜.............……183.2.2共振解调..................................................................................……193.2.33.2.4倒频谱二,.....……,..................................................……,..............……21,白2频率细化f文第3页图一2部分集成化传动系统(L嗯WiodDS)Fig.1.2PartialintegrateddrivingsystemofDewindDSwindturbine在恒速恒频风力发电系统中,主要有定桨距失速型风力机、主动失速风力机和变桨距风力机来控制转子在某一速度运行。恒速恒频风力机主要采用异步发电机,同步发电机因在大容量系统中会出现电网故障一般不使用。变速恒频风力机采用变速运行,即风力机叶轮随风速的变化改变其旋转速度,因而保持基本恒定的最佳叶尖速比和最大的风能利用系数[l“]。变速恒频发电风力发电系统可分为:交一直一交系统、无刷双馈电机系统、变流励磁发电系统、开关磁阻电机系统、磁场调制发电系统。以上系统特点各不相同,适用场合也不一样[l'一'21。由于恒速恒频风力发电机有很多缺点,且随着风力机单机容量的增大,变频恒速发电技术有代替恒速恒频发电技术的趋势。3)主轴承风叶主轴由两个调心滚子轴承支撑。由于风叶主轴承受的载荷非常大,而且轴很长,容易变形,因此,要求轴承必须有良好的调心性能,确定轴承内部结构参数和保持架的结构形式,使轴承具有良好的性能和长寿命[”】。(3)偏航系统对于水平轴风机,下风机自动偏航,上风机的风舵偏航都属于被动式偏航。由一个或多个步进电机驱动机舱底部的转动齿圈来偏航的则属于主动式偏航。被动式偏航时,风向突然变化时,机舱摆动太快会产生很大的陀螺力矩l'41。主动偏航即适用于上风机又适用于下风机。主动偏航由于齿轮啮合会有间隙存在,当机舱随风波动时,会造成齿轮的磨损。因此,机舱需要刹车机构来固定,只有在偏航时刹车机构才松开。除此之外,还常采用不松开的附加摩擦刹车装置来辅助刹车,偏航时步进电机必须克服附加的摩擦刹车力矩才能偏航。另外,还可以用多个步进电机来“锁死”机舱1221。需要注意的是:主动偏航系统,塔架的扭转振动会通过塔架与机舱的连接传到机舱上。1.3风力发电机组存在的问题目前我国已建成的风电场的风力发电机组有相当部分是卜世纪90年代中后期由国外购进的,其单机容量为25OKw、300Kw、500Kw、60OKw、660Kw、750Kw等几种2华东理工大学硕士学位一论文机型。这些机组寿命一般为15一20年,保修期为2年,随着机组运行时间的延长,目前这些机组陆续出现了一些故障,包括风轮叶片、齿轮箱、发电机以及控制系统等故障,从而导致机组停止运行,严重影响发电量,造成经济损失l`'】。目前在我国运行的风力发电机组中,出现故障的概率己占了一定的比重,应认真分析研究。各类故障停机次数比例礁涵j蘸减~一瞥馨;各类故障停机次数权重︸戳鬓馨矍叭︸馨撇一一一僵一一%%%%%%%%%O0J005JO.J工工亡J4)1飞︸,艺,﹄月土1山图IJ各类型故障停机次数所占比例Fig.l.3WindturbinehaltnumberProPortionofsomekindsoffaults比如对神华国华能源投资有限公司投运的风力发电机进行的一次故障统计,统计显示:虽然在停机次数上,风力发电机变桨系统、变频器、电气系统和电气控制占61.9%,发电机、主轴承和齿轮箱占18.1%(如图1.3所示),但从停机的时间上后者却占68.7%(如图1.4所示)。因此,保证发电机、齿轮箱、主轴承等机械零部件的安全运行至关重要['6]。各类故障停机时间(时间/h)300025002000150010005000一黯_一彝__一、一_一豪一咬扩才扩尹尹八尹哪娜命欢派肠;粼`浅即邢恻书袄岁砂一-~-护悔九广扩图1.4各类型故障停机时间F19.1.4Windturbinedowntimeduetosomekindsoffaults1.4风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术风力发电机运行是否正常直接影响着风力发电的产量,风机故障可能会导致机组本身的损坏,甚至有可能造成更严重的后果。由于风场的环境恶劣加之自身结构等特点,风力发电机所受的外部激振力和振动自由度相对其他大型旋转机械要多,为了保障风机的安全运行,对其运行状况进行振动状态监测和故障诊断非常重要。文第1页第1章绪论1.1风力发电机的发展风力发电机组是把风能转换为机械能,机械能再转化为电能的设备。近几年来,能源的需求量日益增长,能源危机现象越来越突出,一次性能源消耗所带来的环境污染也越发严重,风力能作为一种新能源因为无污染、可再生、方便而受到人们的重视,风力发电产业得到了迅猛的发展l']。人类利用风能己经有数千年的历史。如波斯风磨是用墙挡住半个叶轮,造成叶轮受力不对称,使风阻力变成风轮的驱动力[2];古老的中国风机则是由帆席转回来时,迎风翻转造成的不对称而产生驱动力;15世纪在荷兰出现了专门用于泵水的摇臂式风机l3];19世纪中期在美国出现了专门用于供给水的美国风机[4]。1891年丹麦PanlLaCour研制了一种四叶片直流发电机I5J。第一次世界(1914一1918)之后,基于民用和军用螺旋桨飞机的设计经验,出现了风力机研发的新热潮,产生了一系列对应的风力机理论。早期风力发电机组样机有美国的Smith一Puinam风力机、丹麦的Gedser风力机、德国的Huetter风力机与丹麦的Tvind风力机。到20世纪60年代初,中东廉价石油进入欧洲,风机研制出现停滞。1973年和1978年两次石油危机后,风能复兴。复兴初期,美、德、瑞典等国家研制的大型风机因太贵、太大、太快而相继夭折,但Maglarp风机,wrs一3;Amateuren的Tvind风机是个例外。与此相反,丹麦的小型农机制造商(vestas、BonuS、Nordtank以及WindW0rd等)研制的直径为12一1sm,功率为30Kw,55Kw,75Kw系列风机在技术上和经济上都很成功。当前,国外风电市场上的主力机型是1一3Mw。随着海上风电的迅速发展,3~6Mw的机组己开始商业化运行。7Mw、SMw和10Mw的风机已分别在美国、西班牙和英国实施之中16一。目前我国1.SMw以下的风电机组已能大批量生产,ZMw风电机组已经小批量生产并成功运行,3Mw机组己经试运行,SMw大功率风力发电机组正在开发之中,2010年后,中国将进入全球风电设备生产大国的前列,可为我国风电场建设提供可靠的装备支持lvl。预测到2020年,中国累计总装机容量可能会超过1.5亿Kw。中国风能产业在今后一段相当长的历史时期内都会持续稳定发展,风能已经成为能源产业中一支越来越重要的力量【8】1.2风力发电机的结构升力风机可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。根据叶轮与塔架的位置关系,水平轴风力发电机可分为上风风机和下风风机。_卜风风机的叶轮在塔架之前迎风运行,下风风机的叶轮在塔架之后迎风运行。目前,上风风机占主导。风力发电机的主要部件有:①叶轮、变桨装置、轮毅和叶尖刹车机构;②由转子轴、了文第5页机组振动状态监测是通过对机组振动信号定期进行监测,掌握机组的运行状态。故障诊断技术是指当发现机组运行状态发生异常或故障时,提取并识别异常或故障特征,早期发现机组潜在的故障的部位。随着大型风力发电机组、海上风力发电机组的批量化生产后,振动状态监测与故障诊断技术在风力发电机组上运用的优越性将表现得更加突出。1.4.1振动状态监测目前风力发电机组按监测时间可以分为连续监测、巡回监测和定期监测,按监测模式可分为单机监测、分布式监测和远程监测。随着计算机技术、网络技术的发展,分布式实时监测诊断系统由分布在现场的下位机进行数据采集,通过网络将数据传送到监诊中心的上位机,对数据进行统一的存储、分析和处理,形成统一监诊网络,具有数据采集的独立性,分析监控的统一性以及结构的开放性等特点,成为当今风力发电机组状态监测研究和发展的主要方向11“]。1.4.2故障诊断方法(l)时域分析法。在时域诊断中,普遍采用的方法有:振动信号的平均值、有效值、峰峰值、脉冲指标、波形因子、裕度指标、歪度指标、峭度指标、自相关函数、互相关函数、概率密度函数、概率分布函数、包络解调等。(2)频谱分析法。频谱分析方法包括幅值谱、相位谱、自功率谱、倒频谱、包络谱和细化谱等。频谱分析是故障振动信号处理最常用和最重要的方法。(3)时频分析法。时频分析法在设备状态监测与故障诊断中具有明显的优势。因为时频分析能够识别由设备故障引起的非平稳或时变信号,可以兼顾时域和频域的全貌和局部化特性,从而更加准确有效地对故障进行诊断。常用的时频分析方法wigner一Ville分布、短时傅里叶变换、小波分析等l'7]。1.4.3存在的问题长期以来,风力发电机组一直采用 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 维修的方式,即一般风力机运行25O0h或S000h后进行例行维护。这种维修方式无法全面的、及时地了解设备的运行状况,而事后维修则由于事先的准备不够充分,造成维修工作的耗时太长、损失严重。目前状态监测系统,如果发现了某些测量点的数值超出报警限值,也仅能做出一个早期故障的判断,而对于故障的具体来源及原因便无从得知。这时就需要借助更为先进的工具来做进一步的分析,以便对故障做出准确判断177]。这是在线监测和故障诊断系统设计时应该考虑的问题。1.4.4研究意义风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术在工程中应用的重大意义:(l)提高机组运行的可靠性、安全性振动状态监测与故障诊断技术能够及时、正确地对机组的各种异常状态或故障状态做出诊断,预防或消除故障,避免重大事故发生,保证风力发电机组安全,可靠地运行。(2)给企业带来可观的经济效益华东理工大学硕士学位论文齿轮箱、发电机、主轴承、联轴器、刹车装置构成的传动系统;③偏航系统;④塔架和基础;⑤控制和并网所用的电器器件。主要介绍以下几个部件。(l)叶轮叶轮可把风能转换为旋转的机械能,是风机的核心部件,主要用玻璃纤维GRP制造。叶尖速比入=舰八1是叶片气动设计作重要的参数。因为风机噪声与叶尖速度的5次方成正比,所以叶尖速比不能太大,并网风机设计叶尖速比入=5一8,叶尖最大速度不应超过80一90m/s。(2)传动系统传动系统的结构形式有很多种,主要分为分离式结构、集成化结构和部分集成化结构形式。分离式结构是指所有部件都单独固定在机舱承力结构上。分离式结构的优点是所有部件具有可换性,无需分解整个机器。缺点是安装误差、对中不良等可能会产生附加载荷,造成机组振动过大或提前磨损等故障。集成结构是指把多个功能集成在一个部件上。在对于出口的机器以及按生产许可权制造的风机,它具有结构紧凑、运输方便以及安装简单等优点,如图1.1所示。缺点是,齿轮箱需特殊加工,还须承受支撑转子的大载荷。另外,不分解整个结构,齿轮无法更换。叶片轮毅主轴承行星齿轮发电机图l一集成化传动系统(MultibridM,”0)F19.1·1IntegrateddrivingsystemofMultibridM5000windturbine部分集成化传动系统大多采用“三点支撑”形式,如图1,2所示。转子主轴承承担大部分转子重力载荷以及转子轴向推力。转子通过“热套”配合一与齿轮箱低速输入轴相连,转子的部分载荷由此传到齿轮箱。齿轮箱的转矩由两个弹性支撑或减振器来承担。l)齿轮箱风力发电机组常用圆柱齿轮、行星齿轮或圆柱与行星齿轮的组合。某2.SMW风机选用的多级齿轮传动型式有:①2级:圆柱齿轮;②3级:圆柱齿轮;③2级:1级行星齿轮,1级圆柱齿轮;④3级:2级行星齿轮,1级圆柱齿轮;⑤3级:行星齿轮。2)发电机根据发电机的运行特征和控制技术,风力发电技术可分为恒速恒频发电和变速恒频发电两大类I9]。华东理工大学硕士学位沦文由于振动状态监测与故障诊断能避免因突发性故障发生造成的经济损失,延长机组使用寿命。还能为制定有计划的维修提供依据,可在无风期安排维修,缩短维修时间,减少备件数,降低风力发电设备的维修费用,能给企业带来巨大的经济效益。1.5本论文的研究内容本文主要研究内容包括:(l)风力发电机整机、偏航系统、叶片、齿轮箱、主轴承和发电机的振动。(2)分析研究风力发电机组故障诊断方法。本文将着重研究时域诊断、频域诊断、小波分析和模糊诊断在风力发电机故障诊断中的应用。(3)设计完成风力发电机组状态监测系统。包括振动传感器选择、测点布置、信号采集与处理等系统架构。(4)基于Labwindows/Cvl软件平台,设计开发风力发电机组振动在线监测与故障诊断系统软件。软件包含两个功能:在线监测和离线故障诊断。在线监测可实现对振动和转速信号进行采集、存储及图形显示,对超过振动闽值的信号进行报警。离线故障诊断包含多种故障诊断方法,可以对风力发电机组进行故障特征提取并进行模糊诊断。文第7页第2章风力发电机组振动研究长期以来,振动是风电发电机组运行中最常见的主要故障之一,又是原因最复杂、最不容易解决的问题,严重时会形成振动事故,造成设备损害。为了保证风力发电机组稳定运行和高效的利用风力资源,有必要对风力发电机组振动进行研究。2.1整机系统振动研究为确定部件的动态特征,本文从整机系统中选择分离的子系统来予以研究:塔架-机舱系统、根部刚性固装的叶片与传动系统(扭转振动)三大部分。子系统的坎贝尔图,如图2.1所示,不仅可以考察可能发生的共振,而且也可以估计相互临近的自振频率的影响。作用在风机上的一系列动载荷,例如风载、叶轮的转动、开关和控制过程等都有可能激起风力机剧烈振动。风力机振动会导致轴承、齿轮副、联轴器、叶片和塔架等部件的损坏,降低整机的可靠性,缩短风力机的寿命。因此,须对风力机的激振源进行研究,图2.2为风力机所受激振力和振动自由度。塔塔筒扭振(]st)))//////2////////滋杯/////不不不拼交交交叶叶片摆振(lst)))挤挤一下三``叮叮万刁圣摊L15[)))名厂产/{{{一一歼共/二一丁丁一一--一一-一~~~~~~~传传钻盆性钾全于(1st)))))))传传动东统扭振(lst)))优交交多宾多二一二葺葺叶叶片挥舞振动tlst)))))))叶叶片挥舞振动tlst)))乙丫乙少了了…二`三三`二二一一一一一飞渭膺涵万I雨-一一—//产产产产不不嘿瓮蕊了乡乡今钻关关迄全二之二二二``些竺丝竺华宾之二二二二币二卢丁厂///子一二二二二一一一一一一~岑祥架乡f井~~~~声)代厂////一一一一一一三三鑫秦鑫鑫幕鑫纂纂燕胜若笋一一少一一一一一一飞飞夔攀董兰兰兰兰尹夕事毯毯一一~一一一二二二二二一一毛二兰二=`一一一一一区区//,///二二乙二二Z二二2二二又二二卫二二︵=目︶﹄讲枯家呵0101620233040转子转速n(r/口in)图2.1具有三叶片和柔性塔架的wKA初型上风机共振图F19.2.1ResonaneediagramoftheWKA一60withthreebladesontheuP一windsideandsofttower徉开变招图2.2风力机所受激振力和振动自由度图F19.2.2Exeitingforeesanddegreesofvibrationalfreedomofawindturbine文第9页12倍频等高频分量也会出现。对于双叶片风力机会产生2、4、6、8倍频振动。③斜流和气动不平衡山于风力机轴与水平轴之间的倾角、山丘、偏航滞后等原因,吹向叶轮的来流总有斜度。叶片上的载荷随着转频变化,塔架一机舱系统受叶片通过频率成分的激励。在安装或制造过程中,叶片攻角可能会产生误差,造成叶片上的气动力不平衡。这种气动力不平衡会引起塔架一机舱系统在轴向和侧向发生1倍频振动。④阵风偏载阵风的持续时间一般为3一205,宽度约为10一100m,激起结构振动的频率为0.2-IOHz。如果阵风从叶轮面局部吹过,则转速为12一30r/min的转子旋转一周每个叶片都会有几次通过阵风区,引起IX、Zx、3x等激振力[,91。⑤瞬态气动载荷在风力机运行过程中,可能会出现极端的阵风条件,如果不通过快速变桨或气流分离(失速型风力机)或者刹车来加以限制,则气动载荷会增加数倍,风向也急剧变化。特别是对于变桨风力机,这种极端风况容易产生瞬态载荷。与质量不平衡相比,气动力不平衡所引起的激振力是不可避免的。风力发电机叶片数目不同,则塔架一阶弯曲固有频率与激励频率的距离远近也会不同,因此风力发电机的振动强弱也会不同。塔架一阶弯曲固有频率在任何情况下都不能与主激励频率相重合,也应该远离转子频率的其它倍频。对于速度不断变化的转子,容易发生共振现象。防止共振发生有以下两种方法:(l)根据固有频率的位置来限制转子运行的速度(2)通过对速度的控制,使转子快速的通过临界速度区域,不允许在临界速度区域内停留。2.2偏航系统振动研究在风力发电机故障统计中显示,偏航系统构件发生故障的频率很高。特别是小型风力发电机通常会出现偏航系统使用寿命短的问题。因此,分析研究偏航系统的动载荷和振动特性是绝对有必要的。偏航系统所受载荷取决于风力发电机的结构特点,特别是风力发电机转子叶片的数量、转子相对于塔架的位置、轮毅的形状、转子平面到塔架轴线的距离。在偏航系统中,不断变化的偏航力矩会引起扭转振动,因此偏航系统必须具有足够的扭转刚度,在特定的方位角处也应该具有足够的摩擦阻尼和合适的牵制力。当风力发电机在运行时偏航,围绕偏航轴线会产生以下力矩:(l)气动力矩气动力矩对于偏航起到助动还是抑制作用取决于风力发电机是上风机还是下风机。但是,无论是对于卜风机还是下风机而言,当循环气动载荷强烈波动或交替出现时,所产生的围绕偏航轴线的气动力矩都是有害的。华东理工大学硕士学位论文(2)陀螺力矩旋转中的转子在进行偏航时,会产生围绕机舱俯仰轴的陀螺力矩。因为风力发电机的偏航率很小,所以陀螺力矩的作用不是很大。但是对于小型风力发电机自动偏航来说,风向突然变化,偏航系统快速的偏航运动所产生的陀螺力矩的危害性是非常大的。(3)转子扭矩部分如果转子轴线发生倾斜,转子扭矩的一部分会发展成为围绕偏航轴的力矩。(4)偏航系统轴承摩擦力矩对于常用的风力发电机,滚动轴承的摩擦力矩是非常小的。对没有刹车闸的风力发电机,常用摩擦滑动轴承或带阻尼部件的滚动轴承来产生摩擦力来刹车,其摩擦力矩不能忽略。(5)刹车闸摩擦力矩大型风力发电机都会有一到两个刹车闸,用来抑制风力发电机在偏航时产生的振动。因此,刹车闸摩擦力矩也不能忽略。其中,风切变或塔架尾迹所产生的循环变化气动力和气动力矩是引起转子或机舱偏航振动的主要原因。对于双叶片风机,随着叶轮的旋转,围绕俯仰轴和偏航轴的惯性矩发生变化,在偏航时会产生参数激振。偏航系统有其固有频率,当与转子周期变化的旋转力产生共振时,则风力发电机部件会很快发生损坏,故偏航系统振型的特征应该引起重视。在偏航驱动装置中,作用在机舱或塔架齿圈上的驱动齿轮与摩擦刹车装置会对偏航系统的振型产生影响。转转速范围围{{{{{夔夔蒸纂纂】】霎霎:::///{{{///多多方{带””一睿薯簇覃玺急若若蒸蒸拼拼令令丁之冷动含含含含含井井价价;;;~一一一一一一一一一相对转子转达n/n,图23Aeroman风力机偏航运动共振图(有无齿轮作用的固有频率范围)F192.3ResonaneediagramoftheyawmotionofAeromanwindturbine在共振图中,如图2.3所示,若不考虑齿轮的影响,偏航系统固有频率范围在临界激振力频率范围之外。当考虑齿轮影响时,齿轮运行数百小时之后,偏航系统固有频率会大幅度的降低,会与转子气动力矩产生共振。如果没有刹车闸或摩擦阻尼的存在,这种振动会使偏航系统在很短的时间内就会损坏。文第11页23叶片振动研究叶片是风力发电机的关键部件,它展向长、弦向短、柔性较好,是一个容易发生振动的细长弹性体,其性能好坏直接影响整机运行的稳定性。叶片在不停旋转中,无论是叶片质量惯性力和重力,还是不均匀流场所引起的激振力,几乎都是通过叶片传递进去的,它是风机受力最复杂的部件。由机械振动所引起的弹性构件的变形和由弹性构件的变形所引起的气动力之间的相互作用,会带来气动弹性问题。如果这种相互作用是相互减弱的,则振动稳定;否则会出现发散和颤振。以下仅对两种最重要气动弹性不稳定现象展开讨论。2.3.1静态发散当风力发电机以某一速度运行时,风机叶片会产生扭转不稳定现象。这种现象取决于弹性轴和空气动力中心的相对位置,如图2.4所示。如果气动中心在弹性轴之前,气动升力所产生的扭转力矩会使攻角变大。此扭转力矩与自由流速度的平方成正比。但是由机翼的扭转刚度所产生的恢复力矩(弹性力矩)与速度无关,所以在某一速度下会产生扭转不稳定性现象【'l。对于大多数风力发电机叶片,这种静态发散不会构成威胁。气动力矩气动升力图2.4风机气动和弹性力矩分析图Fig.2.4Aerodynamieandelasticmomentsinablade2.3.2颤振颤振是由气动力、惯性力和弹性力交互作用的结果,可分为“经典颤振”和“失速颤振”。叶片的主要振动形式有:挥舞振动、摆振和扭转振动。挥舞振动是指叶片在垂直于旋转平面的弯曲振动;摆振是叶片在旋转平面内的弯曲振动;扭转振动是指叶片绕其变桨轴的扭转振动。“经典颤振”是风机叶片扭转和挥舞产生的自激不稳定振动,即弯曲一扭转两自由度祸合系统的自激振动,颤振会从气流中吸收能量而扩大振幅,导致风机叶片剧烈突发振荡,并增长达到破坏性的幅度。经典颤振发生原理如下:当叶片受扰动向上偏离平衡位置后,弹性恢复力使它向下方平衡位置运动,同时产生作用于叶片重心的向__卜惯性力。由于叶片重心在扭心之后,惯性力产生对扭心的力矩会使叶片攻角减小,引起向下的附加气动力,加快叶片向下运华东理工大学硕士学位论文当子系统的振型发生变化时,自振频率也将发生变化。例如在简化的模型中,把叶片处理成刚体,但对于大型风力机这种假设是不恰当的。事实上,叶片的第一阶摆动自振频率明显降低,落在传动系统第一阶扭振自振频率范围,叶轮相对于发电机扭振,叶片和传动系统的动态特性不可分割的祸合在一起【'8]。在大型风力发电机中,传动系统的的第一阶固有频率的范围只有几赫兹。而循环变化的气动力(如塔架尾迹干扰或垂直风切变)的频率范围也在此。因此,激励频率与传动系统扭转频率发生共振的危害性是非常大的。防止转子激励与塔架弯曲固有频率发生共振,可使风力发电机的整体振动控制在允许的范围之内。塔架一阶弯曲固有频率与转子激振频率的相对位置决定了风力发电机振动的强弱。转子激振力可以归纳为以下两类:(1)激振力由质量不平衡故障引起。对于三叶片风力机,在叶片旋转时,三个叶片产生的离心力相互平衡。如果一个叶片比其他两个叶片重■m时,质量的增量要产生1倍频的离心激振力■F二■mrsoZ。其在水平方向上的分力为Fs二■mrs。“sinot,它将激起塔架和机舱横向振动。因塔架在垂直方向上的刚度较大,离心力在垂直方向的分力所引起的振动很小,可不予考虑。(2)激振力由塔架尾迹与风切变等非对称气流引起。风力机的气流激振力形式很多,下面介绍由不均匀流场所引起的周期激振力,然后再描述随机的风载(湍流场)和瞬态气动力。值的注意的是,根据空气动力学,由于空气密度与温度和海拔高度有关,故在不同的风场,气动载荷可能会变化20%一30%。①风切变引起的激振力由于风切变的影响,作用在叶片基元上的风速为v:=vm+彻cosot。随着叶片角位置。t的变化,风速v:、攻角aA和来流速度c发生变化。升力和阻力系数CA和Cw随着aA的变化具有非线性,以及气动力和来流速度的平方关系(升力d“=号“Zt“rCA(aA),阻力dw=号CZtdrCw(aa)),气动力将会产生`倍频及其高阶谐波频率,但一般高阶谐波频率很微弱。双叶片风力机会产生2倍频的俯仰力矩和扭转力矩,转轴上产生1倍频的弯曲交变载荷。且塔架与机舱的自振频率与叶片的转角有关,会产生参数激振。②塔架前扰、尾迹产生的激振力塔架会对前方来流产生阻滞,使其绕塔架流过,并在塔架之后产生分离,形成湍流。由此会产生塔架前扰和尾迹。塔架前扰对上风风力机叶片和塔架一机舱系统会产生很强的激扰,而塔架尾迹则只对下风风力机叶片造成影响。对不转动的塔架一机舱系统,叶片每通过塔架转动一周时,叶片上的气动力在短时间内会突减一次。对于三叶片风力机会使塔架一机舱系统产生3倍频为主的振动,6、9、文第巧页fn一吧厘习`P(2一7)式中:r为滚珠的半径,p为材料的密度,E为弹性模量。轴承内外圈在圈平面内的固有频率:fn=n(nZ一i)2兀了nZ+1二巨aZ习M(2一8)式中:n为固有频率的节数,I为套圈界面绕中性轴的惯性矩,a为回转轴线到中性轴的半径,M为单位长度的质量。(2)滚动轴承振动的频谱结构如图2.7所示轴承振动的频谱结构分为低频、中频和高频三部分。粕承故障特征频率轴承元件表面损伤引起的轴承元件的固有频率李划,堡塑丝(O一1kHz)__中箱段___...……(l一20kHz)一鱼鲤与(>20kHz)图2.7轴承频谱结构图Fig.2.7FrequeneysPeetrumstruetUreofbearing2.6发电机振动研究发电机的振动很多情况下会由电气故障引起。如果振动与励磁电流有关,则发电机的振动会随励磁电流变化而变化。常见的电气缺陷包括转子线圈匝间短路、转子定子之间空气间隙不均匀和发电机定子铁芯引起的振动等。2.6.1转子线圈匝间短路发电机转子绕组匝间短路将导致转子的振动、发电机失磁、转子接地、发电机部件磁化、转子绕组烧损等,从而危及电机和系统的安全[27l。在常规的监测与诊断系统中,主要是测量和分析发电机电气参数变化128],而对发电机振动的研究仅仅局限于机械故障中,故现在讨论转子线圈匝间短路故障对发电机振动的影响。转子线圈匝间短路后,部分线圈失去作用,会产生不均匀的电磁力,其大小取决于励磁电流的大小和失去作用的线圈匝数。转子线圈匝间短路会产生局部过热点,导致转子截面温度分布不均与,造成转子热变形。因转子线圈匝间短路引起的振动会随励磁电流增大而增大,但是具有一定的滞后性。2.6.2转子和定子之间空气间隙不均匀发电机正常运行时,作用在转子上的电磁力是对称、均匀分布的。如果转子与定子之间的气隙不均匀,当磁极经过最大和最小间隙时,单向磁极吸引力分别为最小和最大,华东理工大学硕士学位一论文当调制信号为单一频率成分时,会形成很多的边频成分。当调制信号较复杂,为多个频率成分的组合时,会形成无穷多的更密集的边频成分。实际的齿轮振动信号往往幅值调制与频率调制同时存在,当二者的边频间距相等,且对于同一频率的边带谱线的相位相同时,二者的幅值增加:相位相反时,二者的幅值相减。这就破坏了边频带原有的对称性,所以齿轮振动频谱中啮合频率或其高阶谐频附近的边频带分布一般是不对称的126](2)故障齿轮振动信号主要特征①以啮台频率为基频,并含有其各阶谐波;②以啮合频率为载频、转轴频率为调制频率的调幅和调频波,并含有其各阶谐波;③周期与轴的旋转周期相同的衰减振动。2.5主轴承振动研究滚动轴承的振动是由滚动轴承各个部分的结构、工作状态、表面损伤和装配情况等各种因素所决定的,而且还与轴承座传递过来的外界载荷和激励信号有关,其振动时随机的,其主要频率成分为滚动轴承的特征频率。(l)轴承特征频率特征频率可根据轴承结构参数计算如下:①内圈旋转频率:fi=f=N/60(2一l)②保持架旋转频率或滚动体公转频率:fc=奋(`一舍。05。)fi滚珠自传频率或滚动体上一点通过内圈或外圈频率:(2一2)③丘=竺「1一uZdL嘿`1fi(2一3)④保持架通过(内圈)频率:fci=z个滚珠通过内圈频率:几i二z个滚珠通过外圈频率:奋(`+舍。。s。)fi(2一4)⑤zfci号z(`+苦co邓)fi(2一5)⑥式中,d为滚珠直径,p为接触角径。另外,滚动轴承运行过程中,有振动,滚珠的固有频率为:、。一zfc号z(`一昙。o邓)fi,z为滚珠数量,N为轴的转速(2一6)(r/min),D为轴承节由于滚动体与内圈或外圈冲击而诱发轴承各元件的固文第13页有足够的结构阻尼镇定,叶片就会以自振频率失稳,以至于叶片在很短的时间即出现裂纹或断裂。这种现象出现时除了伴随有嗡鸣和尖啸声外,并无任何先兆,是突发性的[22l。叶片切向速度要比叶轮面风速大得多,摆振引起的攻角变化很小,几乎不引起气动力的变化,几乎不引入气动阻尼,失稳的风险较大。有时在风力机叶片尖部加装阻尼器来抑制叶片摆振。叶片振动过程中的能量主要集中于低频处,所以挥舞和摆振是风机叶片的主要振动,扭转在高阶不是主要振动队24]。2.4齿轮振动研究风力机中齿轮箱较其他部件寿命较短,齿轮箱故障一般会导致其他部件发生并发故障。而且更换齿轮,大多数要拆下叶轮,不仅维修费用高,而且常常由于恶劣天气和不易抵达,使停机时间加长,造成发电损失。因此,风力机齿轮振动的研究具有重大的意义。(l)齿轮故障中的调制现象在齿轮箱的振动频谱中,常见到啮合频率或其谐频附近存在一些等间距的频率成分,这些频率成分称为边频带,边频带反映了振动信号的调制特征。边频的增多在某种程度上揭示了齿轮故障的发生,边频的距离反映故障的来源。调制可分为幅值调制、频率调制等[25]。①幅值调制幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造成的。比较典型的例子是齿轮偏心使两齿轮的中心距随转速周期变化,从而节线冲击或啮合冲击的强弱也随之发生周期变化。设齿轮的啮合振动载波信号为x(t)二xsin(2:fct+甲),没有高阶频谱成分,fc为啮合频率。偏心啮合时两齿轮的中心距可表示为A(l+ecos27tfrt),fr为齿轮轴旋转频率,e为齿轮的中心距。受上式的调制,偏心啮合时的振动信号为:x(t)=AX(1+eeos27tfrt)sin(2:fct+甲)x(t)在频谱中可表示为:IX(0}=AX6(f一fc)+AXe6(f一fc一fr)2.AXe6(f一fc+fr)十—Z调制后的信号,除了含有啮合频率fc成分外,还增加了fc一fr和fc+fr边频成分。实际的齿轮振动信号,载波信号和调制信号都含有高阶谐频,所以在频谱上会形成围绕啮合频率及其高阶谐频两侧的边频族。②频率调制调频波是瞬时频率按调制信号变化。当齿轮齿距不均匀时,啮合冲击的间距也不均匀,这就导致啮合频率受到齿距误差分布函数的调制;若主动轮转速忽快忽慢,也会使啮合频率受到调制。华东理工大学硕士学位论文动;当叶片运动到下方极限位置而返回向卜运动后,出现相反的情况120]。叶型扭心、气动中心、重心分布图如图2.5所示。整个过程中,空气动力是激振力,与叶片转动速度的二次方成正比,与空气对叶片的阻尼力成反比。使叶片中心前移以减小惯性力矩可以防止叶片经典颤振发生。弹性线}1{重心线旨三瓮气动「朴心一重心压力线图2.5叶型扭心、气动中心、蚕乙分布图Fig.2.5Elastic,aerodynamieandmasseenierofablede“失速颤振”是一种特殊的颤振。当攻角比较大,大于临界攻角时,气流沿翼型的流动不再平滑,而开始分离。升力系数和气动阻尼随攻角的增大而减小。当气动阻尼为负值,风机叶片在挥舞和摆振方向容易发生失稳[2'l。a小于临界攻角时a大于临界攻角时图2.6叶片挥舞振动受力分析图F19·2·6WindbladeflaPvibrationforees如果风力发电机在设计点附近运行,如图2.6左图所示,当叶片发生挥舞振动,叶片弯曲方向与转子流面处的风速方向相同时