文 | 王千 董礼 于迟 苏宝定 程庆阳

风电机组气动不平衡分析及诊断

文 | 王千 董礼 于迟 苏宝定 程庆阳

风轮是风电机组的重要组成部分之一，它将空气的动能转化为旋转的机械能，它是风电机组的动力之源。风电机组的大部分载荷也是由风轮传递过来的，风轮一般由几组叶片组成，目前主流机型基本采用3叶片型式风轮。

目前风电机组叶片的故障也越来越多，叶片的故障将直接影响机组转化风能的效率，同时使机组产生额外载荷或者载荷失衡。所以叶片故障不但会影响自身的动力性能同时会给风电机组其他部件产生较大的损伤，如对变桨系统的损伤、对主轴承的损伤、对偏航系统的损伤等。

叶片在实际运行中主要存在以下几方面问题：运行时间较长的叶片内部配重块脱落；叶片开裂或者雷击造成损伤；现场吊装叶片时，叶片安装角错误；叶片出厂时零位线标记错误；随着变桨系统的累计误差，3个叶片出现桨距角差异过大。

叶片存在上述故障的直接表现就是造成叶片的质量不平衡和气动不平衡，目前质量不平衡故障利用常规的诊断方式可快速进行诊断进行重新配重，但是气动不平衡故障前期不容易被发现，采用常规的诊断方法很难诊断叶片是质量不平衡还是气动不平衡。

机组不平衡分析

首先分析叶片的受力，如下图1所示截取叶片的一个弦面，当该截面以旋转速度u运行，外界风速v时，叶片将受到一个合成气流w的作用，合成气流的大小w。

当叶片受到合成气流w时，叶片将产生一个垂直叶片弦线的气动力F，气动力F沿着合成风速w方向分解为升力Fl，阻力Fd， Fl升力分解为平行于旋转平面的力Fu和垂直于旋转平面的Fa，Fu将产生旋转力矩推动风轮旋转，Fa则作用风轮上产生轴向推力。

图1 叶片截面受力示意图

图2 风轮受力示意图

不考虑湍流、风切变等影响，正常情况下风轮受力如下图2所示，主要为3个叶片的径向力Fu，和轴向力Fa。由于3个叶片在旋转平面内互120°，所以轴向力在XZ平面内时产生力矩也相同，正常运行的风电机组应该处于此状态。当3个叶片的气动性能不同时，3个轴向力在XZ平面内将产生额外力矩，同时在旋转平面XY内造成冲击，使风电机组出现上下点头和左右摇摆的现象，这种运动也造成了轴向载荷随风轮转动发生规律性冲击。正常运行机组受塔影效应影响，同样从图2所示的风轮受力图中可以看出，当叶片发生质量不平衡时，由于质量引起的惯性力只会在旋转平面XY内造成冲击，不会影响对风轮轴向造成影响，或者影响很小。

通过叶片和风轮的受力分析，可看出叶片的质量不平衡和气动不平衡都会造成旋转平面的振动冲击，但是只有气动不平衡会造成风轮出现轴向冲击。所以本方法采用同步采集风电机组主轴承径向振动和轴向振动的方法，通过分析轴向和径向振动的1倍转频振动幅值及幅值和叶片通过频率的关系从而区分叶片的质量不平衡和气动不平衡。

当叶片出现质量不平衡时主轴承径向会出现较大的1倍频转频冲击，但是轴向冲击较小；当叶片出现气动不平衡时主轴承在径向和轴向都会出现较大的1倍频冲击，而且径向和轴向1倍频冲击都明显大于叶片通过频率3倍频冲击。

案例实测分析

某1.5MW型变桨距双馈风电机组，12m/s风速以上运行时能明显听见偏航轴承位置处有异响，检查偏航制动器、液压系统、偏航轴承后故障均未解决，怀疑机组可能有载荷失衡原因，随按本方法进行布点测试。

安装有3个叶片的风轮通过2个主轴承支撑在机架上，为了分析风轮的振动情况在2个主轴承的4个方向安装低频加速度传感器. 传感器类型见表1，安装位置如图3所示。

对该机组在10min平均风速约15m/s的风速下进行振动测试，测试时主轴转速17.4r/min，振动时域波形和频谱图如图4所示，从浮动主轴承水平位置所测数据时域波形中可以看出主轴承存在明显冲击，而频谱图中主要主轴转频0.29Hz和塔筒1阶固有频率0.48Hz为主要振动。为了进一步分析低频振动对加速度信号进行积分，积分后速度谱图如图5所示。从速度谱可以明显看出主轴承的主要振动为转频和塔筒固有振动。正常风电机组的转频及1倍频应该比3倍频低，1倍频较大。

表1 传感器类型及采样频率

图3 传感器安装位置

图4 浮动主轴承水平方向（加速度频谱）

图5 浮动主轴承水平方向（速度频谱）

图6 推力主轴承轴向（速度频谱）

对该机组推力轴承轴向振动数据进行分析，推力轴承轴向振动时域波形和频谱图如图5和图6所示，谱图中可以明显看出轴承轴向存在1倍频冲击，且1倍频冲击远大于叶片通过频率。

叶片专业设计人员进行检查，发现某一支叶片零位标记错误一个螺栓位置和正确零位相差6.6°，导致实际的3个叶片实际桨距角相差6.6°，桨距角的差异导致机组出现气动不平衡。调整叶片角度后机组运行正常。

结论

通过对叶片及风轮进行受力分析，在受力分析的基础上采用同步采集机组径向和轴向振动的方式能有效分析机组的质量不平衡故障和气动不平衡故障。质量不平衡故障主要表现在旋转平面内的转频冲击，但是轴向冲击较小；气动不平衡主轴承在径向和轴向都会出现较大的1倍频冲击，而且径向和轴向1倍频冲击都明显大于叶片通过频率3倍频冲击。

（作者单位: 国电联合动力技术有限公司）