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2013年10月16日下午,北京国际风能暨展览会——风电机组技术。上海电气风能有限公司塔架项目经理唐亮演讲:风电机组轴系扭矩振荡案例分析与研究。以下是全文:
唐亮:大家好,我们这个报告主要是针对非常具体的案例,我们怎么来分析处理的。在我们风电发展过程中,碰到过一个谣言就是风机振荡问题。我的介绍主要分三个方面,第一个是我们振动情况的大概介绍,以及我们分析其他振动的主要特征。第二作为振动来说,和结构特性和振动源两方面相关的,所以我们两个主要方向就是从这两方面进行着手处理的。最后就是我们的原因分析和最终的处理方案。当时我们在现场是这样的,当时他们观察到风机有一个非常明显的振动了,我们当时总结了一下,我作为初步的分析,这个振动具有四个方面的特征。
第一,这个振动在我们风场所有风机都发生了,而且发生的是非常普遍的。第二我们振动有方向性,而且非常明显。第三工况都是相似的工况,第四跟频率是不同步的。
这是我们当时做的风机振动的统计,当时已经安装的是9台机组,我们只列出了10天之内,我们统计出来振动情况,大概是最多的一天发生了20几次。这个是我们按照机组的情况,做的分别的统计,可以看出来,所有的机组在不同的时间都发生过这个问题。关于振动的方向性,我们当时目测观察的时候在机舱横向,振动强度大于前后方向,我们做了实际测试,这个是测试结果。很明显的看到,红色就是横向,蓝线就是前后发生的加速度的情况,这个就说明横向振动强度大于前后振动强度。
我们把发生振动情况的几个主要参数做了一个记录,我们可以看到,发生振动的时候,基本上功率还有风速和转速都在一个比较固定的范围。这个也是我们后续分析的重点,我们当时着重分析,为什么出现这种情况。第四个的话就是我们住里还注意到一个比较有趣的现象就是说,实际上在振动的时候,跟风轮的转速频率是有很大差别的。
因为我们一开始怀疑是因为我们机组的结构频率和风轮EP没有充分的间隔嘛,但是实际上后面我们发现的,刚才视频上是13秒振动4个周期,这样的话,我们振动频率是0.31赫兹。风轮在发生振动的时候是0.23,塔架基频是0.31。可以得出结论,风轮EP不是发生塔架振动的基地源,我们可以得到一个基本结论就是发生了共振情况。
这个振动发展是非常的迅速,当时我们目测的时候,10分钟之内,振动加速度的有效值从0直接到0.28,就是2.8米2次方秒。作为我们当时第一步分析的基础来说的话,振动的话,我们认为就是说,只是跟两个方面有关系,这两个方面也是我们分析的两个主要方向,第一个是我们振动的一个激励源,因为没有激励源肯定不能会发生振动的。第二个我们机组的整体结构特性。因为机组结构特性跟振动源,没有刚好匹配的话,可能会发生共振的问题。这里的话,就是说我们风机设计的时候,为什么塔架基批要避开EP。这两个共同决定振动的特性。我们当时确定这两个方向作为我们分析的重点。
首先我们从结构特性方面做了一个检查,这里写的比较简单,因为当时有很多人怀疑,是塔架或者机组设计原因,实际没有达到设计的要求。我们当时提出的方案就是给风机整体做一个频率测试。主要的原因是什么呢?我们可以从这个公式上可以看到,风机的质量是确定的,不太容易随着外界变化而变化,我们的频率跟总体刚度有关系,这个是很简化的式子,但是这个是很适用的。
我们当时就确定,如果频率满足我们的设计要求,就可以排除结构原因。右面是当时实测的结果,我们可以看出来,在0.317这个地方有一个尖峰,这个就是结构的自振频率就是0.317。但是我们设计频率是0.312,略高于我们的设计频率,这个就说明,最后塔架和机组的总体刚度是符合我们设计要求的。当时我们为了彻底排除这个原因,我们测量运行时候风机的频率情况。停机7台测下来,数据吻合性非常好,都是0.317,运行的时候,我们就测了一台,因为考虑机组安全性的影响,最后结果就是振动前后和振动当中并没有发生更多损失的情况。我们基本上可以排除是结构方面的问题。
接下来的话,我们要排查它的振动源,因为结构方面的问题排除之后就剩下振动源的问题了。振动源的问题,我们充分考虑了振动的特征。因为我们常见的振动源的话,一般最常见的是风轮不平衡,还有高竖轴,高频振动,电机或者齿轮箱弹性支撑破损,这跟我们观察的是不相符的。如果风轮不平衡的话,不会出现在我们特定的工况。这跟我们观察到的现象是完全不符的。如果是轴承和齿轮破损或者弹性支撑的问题也不太可能出现。它也不太可能是普遍性的问题。还有一个它的振幅应该不会达到我们所观测的这么明显的效果,当时观测的话,横向的振幅大概有2米,两边各一米,综合考虑下来,应该不会有这么大的影响。我们还是做了一些检查,检查的结果也符合我们的预期,这些都没有发现问题。
最后我我们考虑到,其实我们一开始考虑的方向,但是我们排除了,风轮控制的话,这跟我们观测到的特征是非常吻合的,如果控制出现问题的话,还有明显的方向性,这个都是可以预期的。这是当时我们从发生共振的情况下截取的数据,这是3号风机振动数据,红色的线是叶片变桨角度,最上面是风轮转速,这个是风机转矩。这个都没有达到满发,按照常规来说它不应该变桨,所以这是异常的现象,而且我们可以看到,这三个变量的话,基本上是同步变化的。
我们对这个东西做了一个滤波和副滤液变化的分析(音译)最后得出变桨较吨0.318赫兹,扭矩也是0.318赫兹。这是转矩,这三个吻合性是非常好的,这就是我们塔架发生振动的根本原因所在。
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