风电机组振动监1

风电机组振动监测（二）

第二章风力发电机组的振动研究

2.1风力发电机组整机系统的振动研究

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。

当子系统的振型发生变化时，自振频率也将发生变化。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。

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 偏航系统的振动研究

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，围绕偏航轴线会产气动力矩，陀螺力矩，转子扭矩部分，偏航系统轴承摩擦力矩，刹车闸摩擦力矩。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。

2.3叶片的振动研究

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

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。

2.4齿轮箱的振动研究

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。

(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主轴承的振动研究

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。

2.6发电机的振动研究

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。

2.7本章主要研究内容

本章主要研究内容包括: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。