（机械工程专业论文）基于钢塔架风力发电机组振动性能研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着技术的不断发展，风力发电机组日益向大功率、高塔架、大叶片的方向 发展，而风机的振动问题也日益凸显，研究风机的振动性能并对相关部件进行振 动控制就显得尤为必要。国内风力发电场基本上都采用的是钢塔架结构风力发电 机组，由于钢筋混凝土塔架风力发电机组在经济性及安装方面的优势，但是国内 又无法应用钢筋混凝土塔架风机进行实验研究，所以本文从钢结构塔架风机出发， 对混凝土塔架风机也进行了振动研究。 本文对大唐国际风电场的国内主流1 2 5 m w 风机进行了机舱内齿轮箱振动试 验测试，得出了本次试验风机的一些具体结构形式和参数，同时对风场的四个典 型区域的四台机组进行了实时监测，得出了风力发电组的时域响应。 对使用大唐1 2 5 m w 风机的全功率试验平台进行在线状态监测，对风力发电 组内部的关键部件，主轴、齿轮箱、发电机、发电机底架等进行了振动测试，得 到了发电机底架的固有频率和主要部件齿轮箱、齿圈、发电机及发电机底架的时 域、频域响应。通过两次实验，初步找出了机舱内的振动特性。 对实验风场的钢塔架风机进行了虚拟机仿真，找出了风机主要部件的振动特 性，基本完备了整个风力发电机组的机舱、塔架等振动性能研究；同时基于钢塔 架的风力发电机组，本文对钢筋混凝土塔架风机进行了仿真分析，初步确定了其 振动性能，期望为钢筋混凝土结构风机的设计与建造提供理论依据。 通过以上的试验研究与虚拟机仿真，得到机舱内振动敏感部件的结构特性和 振动性能以及钢塔架、钢筋混凝土塔架风力发电机组的结构特性和振动性能。 关键词：风力发电；风电场试验研究；钢塔架；钢筋混凝土塔架；振动性能 a bs t r a c t w i n dt u r b i n ei su n d e r g o i n ga no b v i o u sd e v e l o p m e n ti nh i g hp o w h i g ht o w e r , l a r g e b l a d ew i t ht h eu p d a t eo ft e c h n o l o g y , v i b r a t i o np r o b l e mo fw i n dt u r b i n ei si n c r e a s i n g l y p r o m i n e n t ，i ti sv e r yn e c e s s a r yf o rs t u d yo nt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dv i b r a t i o n c o n t r o lo nt h er e l a t e dc o m p o n e n t s s t e e lt o w e rw i n dt u r b i n eb a s i c a l l yi su s e di na l l d o m e s t i cw i n df a r m s ，r e i n f o r c e dc o n c r e t et o w e rw i n dt u r b i n eh a so b v i o u sa d v a n t a g e s t h a ns t e e lt o w e rw i n dt u r b i n eo nt h ee c o n o m ya n di n s t a l l a t i o n ，b u ti ti sn or e i n f o r c e d c o n c r e t et o w e rw i n dt u r b i n ef o re x p e r i m e n t a ls t u d yi nd o m e s t i cw i n df a r m s ，s ot h e a r t i c l eh a ss t u d yo nv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fr e i n f o r c e dc o n c r e t et o w e rw i n dt u r b i n e ， b a s e do nt h es t e e lt o w e rw i n dt u r b i n e t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ev i b r a t i n gt e s to fg e a rb o xi nt h ee n g i n e r o o mo f1 2 5 m w w i n dt u r b i n ei nw i n df a r mo fd a i ：_ n gi n t e r n a t i o n a lp o w e rg e n e r a t i o n c o ，l t d ，a n do b t a i n st h ed e t a i l e ds t r u c t u r ef o r ma n dp a r a m e t e r so f t h ew i n dt u r b i n e , a n dh a sr e a l - t i m em o n i t o r i n go nf o u rw i n dt u r b i n e so ff o u rt y p i c a la r e ai nt h ew i n df a r m ， a n dg e t st i m ed o m a i nr e s p o n s eo f w i n dt u r b i n e t 1 1 eo n - l i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gw a sa p p l i e do nf u l lp o w e rt e s tp l a t f o r mt h a tu s e s 1 2 5 m ww i n dt u r b i n eo fd a t a n g , v i b r a t i n gt e s tw a su s e df o rk e yp a r t si nt h e e n d n e r o o mo fw i n dt u r b i n e , s p i n d l e ，g e a r b o x ，g e n e r a t o r ，g e n e r a t o ru n d e r f r a m e ， a n ds o o n , a n dt h en a t u r a lf r e q u e n c yo fg e n e r a t o ru n d e r f r a r n ea n dt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n r e s p o n s e o fg e a r b o x ，r i n gg e a r , g e n e r a t o ra n dg e n e r a t o ru n d e r f r a m ea l eo b t a i n e d t h r o u g ht w ot e s t s ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci nt h ee n g i n e r o o mi so b t a i n e d v i r t u a lm a c h i n et e c h n o l o g yi sa p p l i e do nt h es t e e lt o w e rw i n dt u r b i n ei nt h et e s tw i n d f a r m , t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fw i n dt u r b i n e sm a i nc o m p o n e n t si so b t a i n e d ， v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fe n g i n e r o o m ，t o w e ro fw i n dt u r b i n ei sb a s i c a l l yc o m p l e t e ；a t t h es a m et i m e ，b a s e do nt h es t e e lt o w e rw i n dt u r b i n e ，t h ea r t i c l eh a ss i m u l a t i o na n a l y s i s o nr e i n f o r c e dc o n c r e t ew i n dt u r b i n e , a n di t sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sc o n f i r m e d p r e l i m i n a r i l y , a n di tp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i s f o rd e s i g na n db u i l do fr e i n f o r c e d c o n c r e t ew i n dt u r b i n e t h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d ya n dv i r t u a lm a c h i n et e c h n o l o g y , s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs e n s i t i v ep a r t si nt h ee n g i n e r o o mo fv i b r a t i o n ，s t e e l t o w e rw i n dt u r b i n ea n dr e i n f o r c e dc o n c r e t et o w e rw i n dt u r b i n ea l eo b t a i n e d k e y w o r d s ：铀dp o w e r ；, w 矾f a r me x p e r i m e n t a ls t u d y ；s t e e lt o w e v , r e i n f o r c e d c o n c r e t es t e e l ；v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c v 致谢 本论文的工作是在导师杨飞副教授的悉心指导下完成的。杨老师对待问题的 严谨性以及对待实际工作处理过程的见解，都使作者终生受益。在本次毕业设计 中，杨飞老师对作者提出了严格的要求和偏向工程实际的方向，从杨飞老师身上， 作者不仅得到了丰富的科研学术知识，而且深刻体会到工程实际的重要性，以及 对试验的一些体会。在此论文收稿之际，谨向导师杨飞副教授致以崇高的敬意和 衷心的感谢! 感谢内蒙卓资大唐风电场的项目经理梁有栋。自从去年去内蒙大唐卓资风电 场做实验，受到了校友梁经理的热情接待，同时梁经理也给予了大力的支持与协 助。在此，谨向梁经理，致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢风电场的工程师。在齿轮箱的测试阶段，风电场的工程师给予了作者热 情的指导和帮助。对于试验方案的确定，安装，软件调试都给予了很大的帮助， 才使得整个试验得以很好的进行，达到了非常有用的现场第一手资料。当然在做 实验的过程中，也耐心的听取了工程师对风电的一些看法和见解，使作者眼界豁 然开朗，学习到了很多工程实际中经常遇到的问题。在此，向风电场的工程师们 表示衷心的感谢! 感谢济南风电研究所质量部的张春雨经理，在克服了重重困难的前提下，整 个试验及其机密的前提下，给予了作者在机舱重要部件的试验过程的一些建议和 意见，以及一些非常宝贵的现场实验数据，在此向张经理表示诚挚的谢意! 感谢陈梅倩教授在论文撰写的整个过程以及对整个风电试验过程的建议和意 见，以及平时陈教授的悉心指导和严格要求。在此，向陈教授表示由衷的感谢。 感谢9 0 6 实验室的全体同学。他们和作者共同营造了良好的学习，在学习方 面都曾给予作者极大的帮助和支持。作者向他们表示由衷的感谢和良好的祝愿! 最后，感谢我的父母和亲戚朋友。他们多年来对理解和教育，才使我对科研 学术及工程实践应用有了执着的追求精神。 绪论 1 绪论 1 1 风力发电现状与发展趋势 1 1 1 我国风力发电资源与利用现状 中国具有丰富的风力资源，风电产业的发展有良好的资源基础。根据第三次 风能资源普查结果，中国技术可开发( 风能功率密度在1 5 0 w m 2 及其以上) 的陆 地面积约为2 0 万k m 2 。考虑风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照低限 3 m w k m 2 、高限5 m w k m 2 计算，陆上技术可开发量为6 亿 - - 1 0 亿k w 。根据全 国海岸带和海涂资源综合调查报告，中国大陆沿岸浅海0 - - 2 0 m 等深线的海域面 积为1 5 7 万k m 2 。2 0 0 2 年中国颁布了全国海洋功能区划，对港口航运、渔业 开发、旅游以及工程用海区等作了详细规划。如果避开上述这些区域，考虑其总 量1 0 - - - 2 0 的海面可以利用，风力发电机组的实际布置按照5 m w k m 2 计算，则 近海风电装机容量为1 亿 - - 2 亿k w 。综合来看，中国可开发的风能潜力巨大， 陆上加海上的总量有7 亿1 2 亿k w ，风电具有成为未来能源结构中重要组成部 分的资源基础f 1 1 。 我国的风能资源分布十分广泛，其中资源较为丰富的地区主要集中在东南沿 海一带及附近岛屿以及北部( 东北、华北、西北) 一些地区，同时在对风能资源 的利用方面，我国的发展趋势令人瞩目，装机容量不断上升。而且我国政府为了 推动并网风电的商业化发展，2 0 0 3 年9 月国家发改委明确提出我国风电发展的规 划目标：2 0 0 5 年全国风电装机容量达到1 0 0 万千瓦，2 0 1 0 年全国风电装机容量达 到4 0 0 万千瓦，2 0 1 5 年全国风电装机容量达到1 0 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年全国风电装 机容量达到2 0 0 0 万千瓦，占全国总装机容量的2 左右。这就意味着在今后5 年 时间内，每年平均装机容量需达到近6 0 万千瓦，2 0 1 0 到2 0 1 5 年，需达到近1 2 0 万千瓦，2 0 1 5 到2 0 2 0 年，需达到近2 0 0 万千瓦。可以预计，中国即将成为世界风 电发展最令人瞩目的国家之一】。 北京交通大学专业硕士学位论文 1 1 2 国外风力发电现状 近年来，国外风电发展非常之快，装机容量以每年3 0 以上的速度增长，到 2 0 0 8 年底，全世界风电累计装机容量已达1 2 5 x 1 0 5 m w ，其中发展最快的是美国 2 5 2 1 0 4 m w ，德国2 3 9 1 0 4 m w ，西班牙1 6 8 1 0 4 m w ，英国0 8 7 1 0 4 m w 。 世界各国都在紧密的制定大规模发展风电的计划。在开发陆地风力资源的同时， 不少国家已进行海上风电场的开发和建设。欧盟在2 0 0 7 年3 月份公布的能源发展 报告中，提出了风电在2 0 2 0 年的发电总量中占据1 2 ，其中海上风电达到 8 1 0 4 m w 的目标。世界风电的快速发展给我国提供了经验、机遇和挑战。抓住机 遇迎接挑战，加快我国风电的发展，是风电界肩负的重要责任。 在近二十年的时间内，从国外风机容量由5 5 k w 发展到5 m w ，叶轮直径由 1 5 m 加长到1 2 5 m ，可靠性从5 0 提高到9 8 等事实，可以说明风力发电机组的 发展趋势是功率较大、重量较轻、造价较低、可靠性较高【4 】。 在风力发电机组技术上，现代风力发电机组正在向轻型、高效、高可靠性及 大型化方向发展。单机容量不断增大，逐步由百k w 级向m w 级乃至多m w 级发 展【5 】。风力机桨叶的长度也不断增长，目前2 m w 风机叶轮扫风直径已达7 2 m 。桨 叶材料由玻璃纤维树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维，桨叶也向柔性方向发展。 在大、中型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕获更多的风能。在地处平 坦地带的风机，在5 0 m 高度捕捉的风能要比3 0 m 高处多2 0 。随着电力电子技术 的发展，近几年来发展了一种变速风力机。取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴 直接连接到风机轴上。由于机舱质量减轻并改善了传动系统各部件的受力状况， 可使风机的支撑结构减轻，基础等费用也可降低，运行维护费用也较低，这将是 成为风电产业的发展趋势。 1 1 3 风力发电未来发展趋势 随着各国政策的倾斜和科技的不断进步，世界风力发电发展迅速，展现出了广 阔的前景未来数年世界风力发展的趋势如下【鲫 一、风力发电从陆地向海面拓展 海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海面成为一种趋势目 前只有少数国家建立了海上风电场，但预计从2 0 0 6 年开始，欧洲的海上风力发电将 会大规模地起飞 s - g 。 二、单机容量进一步增大 2 绪论 自m w 级风力机出现后，风力机的尺寸和发电机组的单机容量增长速度加快 截至2 0 0 3 年，商品化的风力机风轮直径达到12 0 m ，单机容量达到4 5 m w 随着各项 技术的成熟，更大容量的风力发电机组将从实验室走向工业应用1 1 0 1 。 三、新方案和新技术不断被采用 在功率调节方式上，变速恒频技术和变桨距调节技术将得到更多的应用；在发 电机类型上，控制灵活的无刷双馈型感应发电机和设计简单的永磁发电机将成为风 力发电的新宠；在励磁电源上，随着电力电子技术的发展，新型变换器不断出现，变换 器性能得到不断的改善；在控制技术上，计算机分布式控制技术和新的控制理论将 进一步得到应用；在驱动方式上，免齿轮箱的直接驱动技术将更加吸引人们的注意。 四、风力发电机组更加个性化 适合特定市场和风况的风力机将被更多地推出，目前，德国的r e p o w e r 公司已经 推出了这方面的产品。 五、风力发电机监测系统逐步完善 而针对风机故障，需要建立风机的监测系统。风力发电机的远程监测系统主 要针对大型的风电机，特别是兆瓦级的风电机，由于兆瓦级的设备近几年才投入 使用，因此针对大型风电机的状态监测系统开发较晚，国内外相关的研究文献较 少。y a m i r a t n 】等指出为了降低维修成本，有必要对风电机的运行状态进行监测， 由于风力发电机的塔架较高，海上风电机又远离陆地，对设备的监测工作造成了 一定的困难，因此开发出一套风电机的远程状态监测系统已成当务之急，同时分 析了风电机的故障模式及监测方法，并引用工程应用实例加以说明。g m j o s e l i n h 剐1 2 】等指出检测技术是故障诊断的关键技术，是风电领域的研究热点。作者依 据振动测试的基本理论，根据机组性能要求和机组认证检测规范，针对风力发电 机组设计了相应的测试方案，并且应用该测试方案对机组进行实时检测，最后说 明了所设计的检测方案有助于解决工程实际中状态监测与故障诊断问题。 s g h a r t 1 3 】等针对风力发电机组的主轴、齿轮箱和风电机出现的一些问题，结合 机械故障诊断理论，对1 2 5 m w 风电机组进行了故障诊断，并且利用现场实测数 据，参照相关标准，结合风力发电机的结构和运行特性，做了“1 2 5 m w 风力机状 态监测系统”概念设计。但随着风机容量的加大，特别是运行方式和控制方法的变 化，风机振动情况会发生变化，所以国外风机振动监控技术仍存在着不断完善的 问题【l 6 】。李虎旧介绍了风电机组传动系统结构及对应的典型故障，对常见的振动 故障诊断方法进行了研究和比较，并详细研究了独立成分分析和倒频谱分析方法 在故障诊断方面的应用，最终开发了风电机组状态监测系统，并完成了系统软硬 件设计，系统采用l a b v i e w 软件进行开发，功能主要包括：数据采集、数据分析、 数据显示、数据存储和报警等。侯君1 1 8 】比较了基于b s 模式与基于c s 模式的 3 北京交通大学专业硕士学位论文 风电机监测系统，指出了传统的c s 模式监测系统可扩展性和重用性差，无法满 足现在的需要，开发基于b s 模式的风电机监测系统成为必然。并在此基础上给 出了一个基于b s 模式的风电场远程监控系统的构架设计，对数据读写模块和监 测显示模块进行了具体的设计。 风力发电机组是风力发电的主要装置，它的研究和开发是风电技术的核心。 风力发电机组的设计主要包括三个方面的内容，一是输电线路设计，包括输电设 计和电力存储设计两个部分；二是发电机组设计，包括发电机参数选择、叶片设 计、齿轮箱类型和动力系统的布置、桨距控制系统的概念、驱动装置的位置和电 源、刹车轴的额定值、刹车盘和卡点的位置等几个方面；三是支撑结构设计，包 括上部塔架设计和下部基础设计两个部分【1 9 。2 。 1 2 研究背景及意义 塔形高耸结构，在大风和强震作用下的动力响应较大，随着塔形高耸结构高 度的增加和体形的变化，其振动响应将进一步加剧。因此，在大风作用下，塔形 高耸结构除应满足承载能力、变形能力和稳定性要求以外，还要求塔台结构不能 有剧烈的摇晃和过量的变形；在强震作用下，则要求保证其整体结构安全并尽可 能地减少结构构件的破坏【2 2 删。减少建筑物风致振动响应，在结构设计上要求对结 构外形进行控制，通过修改结构横截面的形状或者结构整体外形，以获得较稳定 或更小的风力。而长期以来，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【2 5 - 2 7 。 实践表明，风力发电机运行异常如不及时发现，就会损坏设备，严重影响生 产。风机故障常从振动方面体现出来，根据振动信号进行监测与诊断是目前风力 发电机维护管理的主要手段。可将传感器节点布置在风机的适当位置，实时监测 各个部位的振动状况，并及时提交给监控中心通过振动数据采集和分析，能够 掌握设备的运行情况，及时调整控制方法，并预测、预报设备的未来情况该技 术的发展，将使得设备维修方式从传统的“事故维修”和“定期维修”过渡到现 代的“预知性维修”1 2 8 - 3 0 。这对于风力发电机的安全运行是非常有意义的 风力发电机组属于大型地面工作设备，正常工作时风轮的运转给各部分结构 带来周期性的激励，有必要对风力发电机组进行静、动态特性分析。风力发电机 结构动力学包括的方面很广，涉及的振动部件也很多。风轮塔架系统的耦合对 风力发电机组的运行稳定性有着重要的影响。当风轮的旋转频率接近耦合的固有 频率时就会出现共振现象，产生较大的动应力，导致结构的疲劳破坏，缩短整机 的使用寿命。因此，风力发电机组的稳定性分析成为一个重要的研究内容，但是 4 绪论 国内在此方面的研究还很少，在兆瓦级风力发电机组设计上才刚刚开始。 为了避免共振对风力发电机组产生破坏，必须进行整机的结构静、动力学特 性分析。因此，在风力发电机组的自主设计和开发过程中，进行风轮塔架系统 的静力学、动力学及稳定性分析，对于提高风力发电机组的总体性能以及风力发 电机组的总体优化设计具有重要的理论价值和实际意义。 1 3 本课题的主要研究内容 风力发电技术不断向高塔架、大叶片、大功率方向发展，而风机的振动问题 也日益凸显，研究风机的振动性能并对相关振动问题进行振动控制就显得尤为必 要。国内风力发电场基本上都采用的是钢塔架结构风力发电机组，由于钢筋混凝 土塔架风力发电机组在经济性及安装方面的优势，但是国内又无法找到钢筋混凝 土塔架进行实验研究，所以本文从钢结构塔架风机出发，对钢筋混凝土塔架风机 也进行了相关振动分析。 1 主要研究水平轴风力发电机组的整个系统的关键部件的振动性能。 首先是机舱内部关键部件的振动，并通过风电场试验测试以及机舱内部实验 得到了齿轮箱、齿轮箱齿圈、发电机、发电机底架等一些重要振动数据并进行了 相关振动数据分析，为整个风力发电机组的振动系统的研究提供了依据。 2 对试验测试钢结构塔架风力发电机组进行有限元分析，进行静力分析、模态 分析、动力学响应分析，找出钢塔架结构风力发电机组的结构性能和振动特性。 3 基于钢结构塔架风机对钢筋混凝土塔架风机进行有限元分析，进行静力分 析、模态分析、动力学响应分析，找出钢筋混凝土塔架风力发电机组的结构性能 和振动特性。对两种不同的材料塔架风机进行研究，找出振动性能的异同，为钢 筋混凝土塔架风力发电机组的设计与建造提供理论依据。 5 风力发电机组振动试验研究 2 风力发电机组振动试验研究 风力发电机组主要的振动问题出现在机舱内部，对机舱内的部件进行振动监 测，才能对风机的整个运行状态进行提前预警与控制。本次风力发电机组振动试 验主要集中在机舱内部振动敏感部件，主要包括机舱内的齿轮箱，齿圈，发电机， 发电机底架等的振动测试，进行频域与时域分析，找出其振动特性。 2 1 齿轮箱振动试验 2 1 1 实验方案 ( 1 ) 振动测试的目的 振动测试在于通过传感器、放大仪器及显示或记录仪表，测量风力发电机组 在外界激励恶劣风况条件下或运行工况中其重要部位的位移、速度、加速度等运 动量，从而了解风力发电机组的工作状态及运行情况。通过对这些运动量的测量， 希望了解风力发电机组的一些动特性，如固有频率、固有振型、阻尼以及刚度等 特性参数，通过虚拟机技术进行仿真实验，以期能完整的再现实际混凝土塔筒的 振动情况，并分析振动的各项参数，为风力发电机混凝土塔筒的结构设计和动力 设计服务。 ( 2 ) 振动测试的任务 搞清测试风力发电机振动的各种传感器的安装位置。明确各个安装位置的传 感器的性能及相关参数，测试信号类型。测试传感器及相关测试设备具体数据类 型的确定以及这些原始数据的收集，分类。初步探索振动机理及起因。 ( 3 ) 振动测试实验设备 主要包括各种类型的传感器，如速度传感器，加速度传感器，振动传感器， 位移传感器，数据采集器，工业p c 机。 ( 4 ) 振动测试实验原理 整个振动测试实验系统由各种传感器，数据采集器，p c 机等组成。来测试风 力发电机关键零部件主轴，齿轮箱，发电机，叶片等的运行状况，分析振动信号。 传感器将各种信号量转变为模拟信号，数据采集器将模拟信号转换为数字信号， 7 北京交通大学专业硕士学位论文 主要包括信号放大，模数转换等功能；p c 机存储数字信号，并显示在显示器上。 如图2 - 1 为测试运行框图。 i 传感器一 上 i 数据采集器一 上 l 工业p c 札 图2 - 1 运行框架 ( 5 ) 具体实验测试的实施步骤 根据目前风电机组的实际运行情况，通常齿轮箱齿轮及其轴承、发电机及其 轴承是较容易发生故障的部件，因此在此次实验的测试中，可将齿轮箱前后轴承、 发电机前后轴承等分别作为重点测量点。 如图2 - 2 为齿轮箱内部结构及测点位置图。 齿轮箱 图2 - 2 齿轮箱内部结构及测点位置图 齿轮箱处传感器安装及数据采集。 齿轮箱是受振动相对影响最大的一个。目前国内外的齿轮箱内部的齿轮传动 多采用行星轮传动方式。齿轮箱的振动源主要从两方面产生：一方面是齿轮箱输入 轴端和主轴连接部位：另一方面是齿轮箱的输出轴端和联轴器连接部位这几个部 位是重点测试区域。当然主要的振动源是来自风轮的动力，只要在齿轮箱输入轴 端装上检测系统，基本就能够全面的体现真实的振动情况。 齿轮箱传感器安装位置如图红色标记处安装3 个加速度传感器。该传感器输出 的是电压信号，传给数据采集器，过采集器处理成数字信号。 测试齿轮箱最终的数据整理应该是在基于齿轮箱特征频率表的前提下，提取 出的不同测点的振动幅值位移的大小。 8 风力发电机组振动试验研究 ( 6 ) 数据的初步分析及整理归类 针对不同频段的振动分析，对齿轮箱进行初步的振动数据归类。后期在对整 个系统的测试数据进行统一分析处理。对重要监测部件齿轮箱进行时域分析，频 域分析，时域频域联合分析，频谱分析等，期望找出重点振动部位。 2 1 2 风场齿轮箱振动测试 此次实验选取的是内蒙中部的大唐卓资一号风电场，全部风机配备的都是现 今国内的主流机型1 2 5 m w 风机，风场地处海拔高度约为l7 0 0 r e - - 1 9 8 0 m ，建设容 量4 0 m w ，风电场有效占地面积约为1 2 k m 2 。风电场所在地区属温热带大陆性季 风气候，风电场测风塔7 0 m 、l o m 高度处代表年平均风速分别为1 0 1 m s 、8 0 m s 年 平均风功率密度分别为8 4 5 9 w m 2 、6 1 6 2 w m 2 。风机采用的是进口苏司兰风机， 异步双馈变桨距风力发电机组。 在齿轮箱部位安装测试传感器，通过数据采集模块，传到后台控制室的p c 机 上，整个布线方案采用有线传输方案，将光缆延伸到控制室。当然通过与工程师 商量，考虑在其他机舱内部齿轮箱入口端安装传感器，通过光缆线把信号传到机 舱内控制面板上，利用机舱已有监测设备p h c 平台与光缆线相联，实现信号传到 后台机房控制室。表2 - 1 传感器布置形式。 表2 1 传感器布置形式 n o传感器安装位置测量坐标系方向数量输入形式安装形式 1低频加速度传感器x 向l线缆连接粘贴安装 2低频加速度传感器y 向l线缆连接粘贴安装 3低频加速度传感器z 向1线缆连接粘贴安装 ( 1 ) 布置形式： 粘贴形式布置在齿轮箱入口端 ( 2 ) 传感器的类别： 采用低频加速度传感器，当然由于在恶劣环境下工作，需要全密封的钢表面 壳体的传感器。 ( 3 ) 监测软件s c c o m m a n d e r v 1 7 6 这款软件是配合苏司兰风机使用的，能够实现对风机的几大系统进行实时监 控，并能进行齿轮箱振动位移的监控与预警。能够存储一定量的数据，进行频谱 分析。 9 北京交通大学专业硕士学位论文 2 1 3 齿轮箱振动试验的风机参数及具体结构形式 此次振动测试是针对大唐卓资运行风场进行的测试，风机主要参数如下： 表2 2 为风力发电机组主要结构参数。 表2 2风力发电机组主要结构参数 风机名称苏司兰风轮直径( m ) 6 6 m 水平轴上风向风 风机重量( t )1 6 1 8 0 0 k g风机形式 机 塔高( m ) 6 3 m风轮位置上风向 钢化环氧树脂玻 切入风速3 m s叶片材料 璃 切出风速2 5 m s增速比 7 4 9 1 7 ：1 叶尖速度7 1 8 4 m s叶片长度 3 2 m 额定功率 1 2 5 m w塔筒连接形式4 段，螺栓连接 风轮额定转速 2 0 8 r m i n塔筒材料s 2 3 5 j rg 2 ( r m i n ) 额定风速( m s )1 2 m s风轮仰角( 。) 6 0 叶片数 3偏航角( 。)9 0 。 扫掠面积 3 4 2 2塔筒底部外径4 m 轮毂中心高 6 5 m塔筒顶部内径3 9 6 m 叶片重量( t )1 9 8 0 0 k g塔筒项部外径 3 m 机舱重量 4 4 0 0 0 k g塔筒顶部内径 2 9 8 m 塔筒重量9 8 0 0 0 k g弹性模量 2 1 0 g p a 叶片长度 3 2 m泊松比0 3 此次试验对风场的四个区域的四台机组进行了试验，测试系统采用的是p h c 平台集成测试系统，系统由3 个位移传感器，分析仪，数据采集处理模块组成。 能够直接由后台p c 机输出试验数据及分析图形。 l o 风力发电机组振动试验研究 如图3 3 为风电场水平轴风力发电机示意图。 一 2 1 4 试验结果分析 图2 3 风电场水平轴风力发电机 此次试验采用的是p h c 集成振动测试系统，硬件系统安装在齿轮箱入口端位 置。参考平面为机舱底部平面，亦即塔筒顶端接触平面。 测试分为x ，y z 三个方向的振动加速度，由于在z 轴方向振动因素较少，z 轴振动加度度也较少，传感器测量时计为零。 测试收集了4 台机组正常运行工况不同时间段的振动加速度和典型周期的振 动加速度。分别对3 2 、1 4 、8 、2 5 号机组进行了振动测试。 图2 4 为1 j f i 区域3 2 号机组时域图。 图2 _ 41 区域3 2 号机组时域图 对1 号典型风机进行时域分析，垂直于主轴方向即x 方向的振动冲击比较平 姑 撒 舶 舶 co茹叮l口一ouu 北京交通大学专业硕士学位论文 稳；而在平行主轴方向即y 方向振动比较频繁，出现振动波动而且最大值达到了 0 。6 c m s 2 ，但还未达到y 向设定预警值2 c m s 2 。而且表现为在坐标系的正负向 呈现一定的波动规律，可能受风载荷的影响驱动主轴受力，通过一些列的传动系 统的振动传递，使振动在受测部位出现周期性频繁波动。而x 方向由于处在垂直 于主轴方向，直接受到来自于传动系统的振动较少，在正常工况稳态风作用下由 于齿轮系传动平稳，使得在x 向振动较少，x 、y 向相互影响较少，当风况变化时， x 、y 之间相互作用增强，才会出现x 向振荡。而且图2 4 也可得出最大振幅出现 在y 向负向，达到了0 6 c m s 2 ，x 向最大振幅达到0 2 c m s 2 ，主要需要关注的振 动加速度还是y 向的，所以需要在y 向进行减震处理。x 向的振动则比较有规律 性，在一定范围内沿着x 轴正负摆动，有时需要注意产生的疲劳问题。 图2 。5 为2 j | j 区域1 4 号机组时域图。 重 呈 要 2 0 1 0 - 0 9 - 2 4 t 曩m 玛丑& 2 卸量粥翻昏3 蜘蛐a 曩a 哪斗8 匝b a 5 3 2 0 + k ( ) 0 t i m e 图2 - 52 捍区域1 4 号机组时域图 2 j | l 区域的1 4 号机组在x 向振动依然与1 撑区域的3 2 机组振动规律基本一致， 波动比较平稳，主要是沿着x 向正负摆动，而y 向在9 2 4 与9 2 5 两天振动冲击 比较平稳，在9 2 6 9 2 7 两天振动比较剧烈，有几次波峰一直较大，出现较大振幅， 之后又归于稳定。而x ，y 向之间的相互影响作用不大，在y 向波动比较剧烈的 时间，x 向波动依然比较平稳，没有出现跟随y 向产生较大波动的现象，基本可 以断定在此种风速( 1 0 r e s ) 情况下，x ，y 向相互影响还是比较小的，可能随着 风速增大，二者由于结构之间的关联性会出现互相影响。 1 2 弱弱；5；2曰仔竹：g；窖伯侣筋；：f； o o o o 0 0 o o o o o o o o o o 0 o o 风力发电机组振动试验研究 图2 - 63 群区域8 号机组时域图。 图2 - 63 群区域8 号机组时域图 3 撑区域的8 号机组在振动的整体表现上都比较平稳，没有出现较大振动，x 向都是围绕x 轴在正负振荡，但是振动加速度都相对较小：y 向振幅也比较规律， 都在一定范围内振动，只有在三个时间点出现了0 2 c m s 2 的振动加速度，在这三 个位置出现了振动冲击，其他都相对振动冲击比较平稳。 图2 7 为4 号区域的2 5 号机组时域图。 2 0 1 0 - 0 9 2 4 t 矗h 珥a 曩5 啊堙b 田d 曩册g 强a 誊蝴州蝈j 殴6 4 0 + 0 垂 0 0 t i m e 图2 - 7 4 撑区域2 5 号机组时域图 1 3 co叠一一虫qq 北京交通大学专业硕士学位论文 4 j f 区域2 5 号机组在大多时间内运行平稳，没有受到外界变化载荷的冲击，没 有出现较大的振动加速度。只有在少数几个时间点出现了很小的冲击，也可能是 由于风速等变化引起的，x 与y 向都是规律基本一致的，没有出现明显冲击。 振动冲击在y 向整体高于x 向，这与x 、y 向和风机主轴的方向有关，y 向 平行于主轴传动方向，由于受到风载荷的影响，振动传递的作用使得振动较大， 由于系统之间的相互影响，使得x 向也会出现振动。但是在2 号区域的1 4 号机组 和3 号区域的8 号机组也出现过y 向振动加速度大于x 向振动的情况，这可能与 风机机舱在偏航过程中调整风向角，受到了来自外界风的较大载荷，使得叶片在 侧面位置受到了风的作用力，风在偏向于x 向对机舱和叶片的作用使得主轴在x 向出现较大侧动，主轴受到了来自x 向的力，则出现了x 向的加速度大于y 向加 速度的情况。而在1 # 3 2 号机组和2 # 1 4 号机组y 向还出现了较大振动加速度，出 现了较大冲击载荷，需要在风机运行中进行控制，以免对部件产生疲劳破坏。 2 2 机舱内部振动试验 2 2 1 机舱试验 第二阶段是针对第一阶段现场试验试验进行相关进一步优化测试，测试是在 试验室中进行的，模拟现实环境，经过相关简化，设定条件。模拟机舱内部的机 构进行试验。试验通过设定不同风速下叶片的转速，试验各种工况的测试。 测试样机包括机舱内部构件和主轴( 和轮毂连接的轴) ，主轴轴承、低速轴等 轴承均采用斯凯孚公司的轴承，状态检测系统采用斯凯孚公司的s k fw i n d c o m 3 0 在线状态监测系统。此次试验是针对1 2 5 m w 风机全功率试验平台。试验前期在 风力发电机( 主轴、齿轮箱、发电机等) 预先选定的位置安装振动加速度传感器。 传感器将其采集的信号通过带编织屏蔽电缆接入到智能采集单元i m u ( i m x w ) ， i m u 将处理完的数据通过有线( t c p 佃协议) 网络发送到事先装有分析软件s k f p t i t u d eo b s e r v e r 的服务器中。当然整个过程，s k f 的工程师们提供安装指导、 数据库设置、调试和培训。 1 4 风力发电机组振动试验研究 2 2 2 机舱试验方案 轴承采用的是s k f 公司的瓦轴轴承，此次试验针对1 2 5 m w 风机全功率试验 平台。 图2 8 为机舱内测点的布置情况。 l23456 图2 - 8 机舱内测点位置 机舱内测点总共有7 个位置，分别布置在齿轮箱入口端轴向、齿轮箱齿圈圆 周方向、发电机底架、高速轴输出轴轴向、发电机内侧负载端、发电机外侧负载 端、发电机端，由于发电机端转速计是工装在发电机端的，布置传感器测点位置 时不需要考虑。 表2 3 为传感器具体安装位置及形式。 表2 - 3 传感器具体安装位置及形式 n o传感器安装位置数量模拟通道数字通道安装形式 l齿轮箱入口端轴向1低频加速度传感器粘贴安装 2齿轮箱齿圈圆周方向1加速度传感器粘贴安装 3发电机底架1加速度传感器粘贴安装 4高速轴输出轴轴向1加速度传感器粘贴安装 5发电机内侧负载端 1加速度传感器粘贴安装 6发电机外侧负载端1加速度传感器粘贴安装 7发电机端1转速计工装 平台可以进行发电机起励，信号通过速度传感器和加速度传感器进行测量， 通过w i n d c o n 进行采集和分析，由于采用频域模态参数识别，该方法是在时域内 测得激励和响应的模拟信号转换成数字信号后，再经过傅氏变换转换成频域信号， 求得频响函数估值。故信号分析部分采用频谱分析仪进行信号分析存储。 在试验台上，通过驱动电机将风机主轴、齿轮箱及风力发电机进行驱动，并 1 5 北京交通人学专业硕士学位论文 在达到并网转速后进行并网操作，然后逐步增加转速和转矩，直到发电机出于满 发状态，在满发状态下运行2 小时，通过安装与风机底架、主轴轴承、齿轮箱、 发电机输入轴等部位的低频和高频响应加速度计进行测量，然后通过w i n d e o n 将 数据绘制成频谱，可以用来分析整个系统的各阶振动频率，并可根据相应的频率 及振动幅值大小对风机各个部件运行状态进行评估。 2 2 3 试验结果分析 表2 - 4 和图2 - 9 分别为全功率实验台发电机底架固有频率测试结果和发电机底 架频域。 表2 _ 4 全功率实验台发电机底架固有频率测试结果 l 阶次一阶二阶三阶四阶五阶六阶七阶 八阶 l 频率 4 3 h z8 1 h z1 1 6 h z1 2 3h z1 3 6 h z 2 0 4 h z2 1 6 h z3 1 4 h z 卸n 。- 田。k 6 ，轴n 靓“舶“t 。蚍1 4 i 州、歪曼要堡亘量叵i i i 亘 f ，t 盱；t 冀： 器谁1 三堡要互三亟二二= 二三互至互五互夏互曩 k t ，。；威。1 i l鼓一。矗，【。一。b i l 。 一 02 el 川m4“：。；*j4 40：c 图2 - 9 发电机底架频域 从表2 - 4 和图2 - 9 可以看出，对机架进行八阶模态分析，从频率为零开始的 初始阶段，机架出现较大振动速度，是由于试验仪器在测试之初有个数学变换过 程，导致会出现无限大的振动速度。之后随着频率增加，振动速度较为平稳，当 达到八阶左右即频率达到2 6 h z 左右时出现了本次测试中较大的振动速度 0 4 m m s ，而又因为振动速度表征的是振动的能量大小，能量较大时会出现较大振 动速度。说明在此频率处机架易受外界影响，所以在设计之处应该尽量避开此频 率范围。 1 6 风力发电机组振动试验研究 测试发电机输入时域频域结果如图2 1 0 。 ，一，、 _ 、j ，_ ， 图2 1 0 发电机输入时域 发电机在频率为t = 1 6 s 左右时出现了1 9 8 4 m m s 的振动速度，此后随着时间 推移，振动速度都相对平稳，没有出现大的波动，可见发电机主要的振动速度是 出现在发电机启动初期的。 发电机在刚开始启动阶段，由于发电机自身的旋转，会出现小幅振动现象， 能量积聚，振动速度较大，随着时间推移，运转平稳，发电机逐步趋于稳定。 图2 。1 1 发电机输入频域。 图2 1 1 发电机输入频域 从频率为零开始的初始阶段，发电机出现较大振动速度，是由于试验仪器在 测试之初有个数学变换过程，导致会出现无限大的振动速度。随着频率增大，振 动速度趋于平稳，当处于2 6 0 9 4 h