【技術交流】風力發電機組齒輪箱軸系扭振故障分析

07-14

肖澤殷偉呂志遠

(觀為監測技術無錫股份有限公司江蘇無錫 214000)

摘要：隨著風力發電技術的發展，其裝機量越來越大。部分風力發電機組齒輪箱軸系出現扭轉共振(扭振)故障，如處理不當，可能嚴重影響齒輪箱的安全運行。本文通過實際案例，介紹了一起風力發電機組齒輪箱扭振共振的分析過程，準確地找到故障的根本原因，提出消除故障的方法，經實際驗證取得了非常好的效果。

關鍵詞：扭振相位擺振固有頻率卡門渦街效應

1. 測試背景

　　貴州某風電場2MW雙饋風力發電機組，2015年初大量機組出現振動異常，表現為3～5m/s風速區間範圍內，齒輪箱出現異常的周期性振動衝擊雜訊。主機廠家歷時6個月、邀請業內多家專業振動分析公司，對機組進行振動監測和分析，試圖查找機組異常振動雜訊來源、確定故障原因，均未能準確定位故障原因、消除機組故障隱患。觀為監測技術無錫股份有限公司設備健康體檢中心(簡稱：MHCC)，應主機廠家要求，派出專業的技術團隊到達故障機組現場，為確定機組故障原因，對故障機組進行全面振動測試和相關數據採集。

2. 振動測試

　　第一天(2015年10月31日)：對異響最為嚴重的15號機組進行檢測，風速>6m/s，但異響未能再現，機組運行平穩正常(如：圖3～圖5所示)，初步排除齒箱齒輪損傷的可能。

　　第二天(2015年11月1日)：15號機組、風速4m/s，機組持續異響，傳動鏈各測點振動衝擊頻率為1.26Hz(如：圖6～圖10所示)，疑似機組軸系可能存在扭振故障。為確認是否存在軸系扭振，分別測試主軸承座(如：下圖測點A、B)、齒輪箱扭力臂(如：下圖測點C、D)在傳動鏈軸系兩側垂直方向的振動相位，其相位差均為反相;發電機在其轉軸兩側的地腳部位測量獲得的相位差也是反相(如：下圖測點E、F)，這是扭振的典型表現，由此判斷軸系存在1.25Hz的扭轉振動(如：表1、圖11～圖13所示)。

　　為進一步，導出15號機組異響時發電機轉矩、轉速、風速、槳角數據，分析發現轉矩、轉速波形可見明顯周期性波動，其轉速波動主要頻率分量為0.76Hz、1.25Hz，且0.76Hz幅值相對較高;轉矩波動頻率為1.25Hz，未見0.76Hz。由此判斷：發電機轉速存在0.76Hz的周期性波動;軸系轉矩存在1.25Hz的周期性波動。問題：導致發電機轉速出現0.76Hz的波動原因何在?軸系轉矩1.25Hz的周期性波動如何產生(如：圖14～圖17所示)?

　　第三天(2015年11月2日)：獲得該風電場機組所使用的兩種葉片的固有頻率，其中11號、15號機組使用A型葉片，其一階擺振固有頻率(葉片在其旋轉平面的一階彎曲振動固有頻率)為0.77Hz，與實測發電機轉速波動頻率高度吻合(如：表2所示)。據初步統計，使用A型葉片的7台機組(2號、6號、11號、12號、14號、15號、16號)均存在相同的異響問題，且上述機組均在4～5m/s風速時出現異響，而使用B型葉片的23台機組均未見異常。

　　第四天(2015年11月3日)：再次針對性地檢測15號機組。當機組出現異響時，齒輪箱扭力臂與發電機沿軸系同側測點垂直方向相位差均為同相(如：上圖測點C和E、D和F)，由此判斷機組聯軸器並非軸系扭振節點，據此懷疑齒箱軸系扭振節點發生在齒輪箱動力輸入端的行星級部位(聽診可辨行星級衝擊雜訊最強)，由於衝擊與風速大小密切相關，初步判斷衝擊異響原因與「卡門渦街效應」(氣動耦合)有關。

3. 「卡門渦街效應」

　　卡門渦街效應：當氣流吹過「桿狀」物體時，在其背風面交替產生渦旋，形成特有的壓力脈動，可引發周期性振動，其振動頻率與風速緊密相關(如：圖2所示)。分析認為使用A型葉片的機組，其葉片在4～5m/s風速時，葉片背風面在「卡門渦街效應」的作用下，其壓力脈動頻率與葉片擺振固有頻率(葉片在其旋轉平面的一階彎曲振動固有頻率)重合，引發葉片共振。

　　「卡門渦街效應」引起建築物損壞最著名的事件當屬美國塔科馬海峽大橋(Tacoma Narrow Bridge)風毀事故。「卡門渦街效應」，如圖2所示：

4. 振動分析

　　1) 分析(以15號機組為例)

　　a) 風速>6m/s時，機組運行平穩，未見異常;

　　b) 風速較小時(4m/s)，可見異常振動衝擊，衝擊頻率約為1.25Hz，現場聽診雜訊明顯;

　　c) 沿主傳動鏈軸系兩側，主軸承、齒輪箱、發電機垂直方向相位差測試結果均為反相位(180°)，與軸系扭轉振動特徵相符;

　　d) 獲取機組控制系統發電機轉速及轉矩數據，可見發電機轉速波動為0.76HzHz和1.24Hz，且轉速波動頻率以0.76Hz為主，與A型葉片一階擺振固有頻率0.772Hz高度吻合;轉矩波動頻率約為1.24Hz，與傳動鏈振動衝擊頻率吻合，分析軸系轉矩波動是導致齒輪嚙合異常衝擊的根本原因;

　　e) 現場統計，採用A型葉片的7台機組(2號、6號、11號、12號、14號、15號、16號)均存在類似異響特徵，疑似發電機轉速異常波動與葉片一階彎曲擺振相關;採用B型葉片的23台機組未見異響，

　　2) 數據(以15號機組為例)

　　a) 風速>6m/s時傳動鏈振動分析

　　b) 風速4m/s時傳動鏈振動分析

　　3) 相位測試

　　4) 機組發電機轉矩、轉速分析(風速3~5m/s、變槳角度-0.04°)

　　5) 葉片特徵參數

5. 分析結論

　　1) 故障作用機理分析：A型葉片在風速4～5m/s時(葉片未變槳)，其葉片背風面由於「卡門渦街效應」(氣動耦合)的壓力脈動頻率與其固有擺振頻率過於接近，引發葉片共振(如：圖18所示)，該擺振沿葉片旋轉的切向以順轉子旋轉方向和逆轉子旋轉方向呈周期性交替變化，對齒輪箱軸系施加正向扭矩和負向扭矩，造成發電機轉速以葉片一階擺振固有頻率波動;機組控制系統檢測到發電機轉速出現周期性波動，判斷機組軸系出現扭振，為消除扭振而施加了反向扭矩補償，但該扭矩補償則是按照事先計算的齒輪箱軸系一階扭振固有頻率施加的，導致齒箱軸系發生扭轉共振。

　　2) 實驗：如異常衝擊的根本原因確為「卡門渦街效應」引發該型葉片出現擺振，則可通過提前變槳，改變葉片背風面「卡門渦街效應」引發的壓力脈動頻率，使其頻率遠離葉片一階擺振固有頻率以消除該扭振;通過提前變槳實驗，確實達到了預期效果，表明振動分析結論是正確的。

　　3) 建議：修正機組扭矩「加阻補償」策略，以消除或降低軸系扭振風險。

6. 結語

　　本案例證明：振動監測與故障分析診斷技術的應用，為查找風力發電機組的振動異常提供了高效、可靠的現代化技術手段。通過對異常機組的振動監測和分析，將振動分析的相關理論與現場實際相結合，以理論指導實踐，再由實踐驗證和豐富理論，為準確判定機組振動異常的根本原因，並以此為依據指導科學檢修，檢修方向直指故障部位，避免了盲目檢修，節省了人力、物力，提高檢修的準確性和有效性，並為機組及其相關部件的設計和製造改進提供了有力的實際驗證。

　　振動監測與故障分析診斷技術得到現場設備管理人員認可，並得到越來越廣泛地應用。通過對振動異常的機組，及時進行相關振動數據的採集、分析和診斷，準確定位故障部位、判斷故障原因，據此制定可靠、有效的檢修維護策略，避免機組故障隱患發展成設備事故;保證風力發電機組安全運行、提高機組運行維護管理水平奠定了有效的技術保障。

參考文獻：

　　1. Vibration Training Course Book-Category ? [M]，Mobiues Institute，2014

　　2. Vibration Training Course Book-Category ? [M]，Mobiues Institute，2014

　　3. Vibration Training Course Book-Category Ш [M]，Mobiues Institute，2014

　　4. 張碧波主編.設備狀態監測與故障診斷.北京：化學工業出版社，2004

　　5. 沈慶根、鄭水英主編.設備故障診斷.北京：化學工業出版社，2005

　　6. 鍾秉林、黃仁主編.機械故障診斷學.北京：機械工業出版社，1997