1、风电机组震动监测及载荷估算方法研究北京木联能软件技术有限公司【Millennium Engineering Software】议题一、风力机故障分类二、震动监测三 风力机简介三 、 Tjareborg 四 Tjareborg 风力机模拟四 、 -2-叶片故障-3-知名企业叶片故障印度 SUZLONVESTAS-4-机舱故障-5-机舱故障多以机舱着火为主，主要是齿轮箱及发电齿轮箱及发电机的位置。-6-塔架故障-7-知名企业塔架故障美国 2007年 8月 25日下午 4点左右在位于日下午 点左右在位于Wasco 附近的麦地里属于 PPM能源的 Klondike III风电场一套由 西门子制造的风电
2、机组的塔架倾倒（拦腰折断），致一死一重伤。检查结果 旋转过速： , （ Over speed）风力机操作于正常参数以上。进而有可能产生過度的-8-震动。地基故障-9-国内具体案例分析2010年2月1日3：18，左云风电公司运营的山西某风电厂风机倒塌事故分析（详细报告见文献）塔筒大部分法兰缺失，变形为扁豆型（常规变形为鹅蛋型）报警信息-10-国内具体案例分析-11-二期风力机全部停机检查发现的问题震动监测国内外经验教训证明，为了保证风电机组的安全可靠运行， 必须采取风况预测，预警和制动监控保护措施。下面介绍状态监测系统在风力发电机上的应用。信号检测模块数据采集模块传感器、信号变送、信号预处理对各
3、参数的采集、转换为数字量工控主机模块显示打印模块硬件结构 PC、与各接口模块通信、实时数据交换显示器 、 报警 、 便于人机交互显示打印模块电源模块显示器 、 报警 、 便于人机交互信号操作 数据采集 信号处理 （ 震动信号 ）信号操作状态监测数据采集 、 信号处理 （ 震动信号 ）初始化、状态检测分析诊断状态显示软件结构 各种监测诊断分析方法以图表、解构简图等形式反映-12-其他功能发电机组故障诊断层次结构 传感器应变传感器智能传感器新型数字式传感器 , 基于 M E M S 技术的传感器 , 具有体积小 , 可靠性高 技术附加值高-13-性高 , 技术附加值高 。木联能分析诊断功能包括常用
4、的各种监测诊断分析方法时域波形、轴心轨迹、滤波轨迹、重构轨迹、频谱分析、平面轨迹谱分析、立体轨迹谱分析、时域分析、魏格纳分布、逆谱分析、信号滤 波、时域频域联合分析、自相关和互相关等。智能信息处理智能信息处理例如在变压器故障诊断中 , 将神经网络与粗糙集结合起来 , 就能将复杂的组合神经网络约简并删除其中不必要的属性 , 不仅克服了神经网络规模过于庞大和分类速度慢的缺点 , 同时利用了粗糙集良好的分类能力。测量点测量点的选择-14-Tjareborg Wind Turbine简介TWT位于丹麦西海岸埃斯比约市，是 2.2MW定速变浆型、上风向 3叶片风力机，采用 NACA44系列航空翼采用 系
5、列航空翼型。全球温度分布 全球风功率密度分布所有技术资料均源自 ThilUi i fD k-15-所有技术资料均源自 Techn ca n vers ty o enmar丹麦风能分布-16-TWT所在风场z 风机彼此相距 350m，地形较为平坦，年平均风速为 8.4m/sz 风力机内部及风场装风力机内部及风场装配了较为全面的测量系统，包括风力机上下游位置的两个测风下游位置的两个测风塔z 距风力机 120 两侧分布 两距风力机 m两侧分布 两个 90m高的气象桅杆， 1号桅杆置于前端， 2号桅杆置于后部 ， 覆盖主要风区 ， 构于后部 ， 覆盖主要风区 ， 构成风场测风系统-17-注：以上图片源
6、自GOOGLE EARTH传感器位置及所测量的参数1、机舱转矩、弯矩、风速风向、偏航角度、实测数据丰富 ， 包括长达 5年的风场频率、温度2 塔架实测数据丰富 ， 包括长达 年的风场气象状况测量 (年平均风速为 8.4m/s)以及风力机结构、载荷、电气数据等。、 塔架功率、机舱位置、电压、电网频率3、轮毂压力、弯矩、变桨控制力、桨距角桨距角4、测风塔风速风向 温度 大气压力风速风向 、 温度 、 大气压力 、风剪切、湍流度-18-TWT图纸-19-运行监测记录启动 运行 停机等过程的历史记录 （ 图为启动过程 ） 92年 2月 25日启动 ， 运行 ， 停机等过程的历史记录 （ 图为启动过程
7、） 年 月 日风速、风向、桨距角、高速轴转速、偏航角、挥舞力矩、弦 向力矩、低速轴转矩、风轮倾斜力矩、风轮偏航力矩。-20-故障分析在测试阶段 控制与转向系统损坏 齿轮箱体换为更坚固的材料在测试阶段 ： 控制与转向系统损坏 ， 齿轮箱体换为更坚固的材料 。首次检修：叶根与钢构附件连接部分的填充材料出现裂缝， 为防止冬季叶片结冰，采用较为新型的填充物 ， 敷设外涂层未使用玻璃纤维 。采用较为新型的填充物 敷设外涂层未使用玻璃纤维接入电网期间：发生过两次重大事故，控制系统失误与齿轮箱故障。故障的起因 ？故障的起因-21-木联能引起与某些振型共振的自激共结构动力学空气动力学风力机叶片是弹性体 ,在风
8、载荷作用下 ,作用在风力机叶片结构 上 的空气引起与某些振型共振的自激共振 ,即颤振。该振动是发散的 ,严重时会导致风力机结构破坏。风力发电机组在运行时由于多力机叶片结构 的空气动力、弹性力、惯性力等具有交变性和随机性力的耦合。风力发电机组在运行时由于多种原因 ,使机舱在各个方向有较大的振动 ,振动的频率、幅度超过风机设计要求时会对风机的正常运行产生危害-22-正常运行产生危害 。结构稳定性对于定速风力机而言在正常运行过程中塔架固有频率处于叶片的 1 P 与 3 P 旋转频率之间，处于安全范围之内。基于计算值的叶片塔架共振图-23-基于计算值的叶片塔架共振图模态分析前 3阶部分振型模态类型静止
9、测量值静止计算值旋转测量值旋转计算值Hz Hz Hz Hz模态类型静止测量值静止计算值旋转测量值旋转计算值Hz Hz Hz Hz前 阶部分振型1阶反对称 2.30 2.477 2.34 2.5242阶对称 - 4.407 - 4.4652阶反对称 - 8.434 - 8.4803阶对称频 - 11.480 - 11.5271阶反对称 1.10 1.174 1.24 1.2932阶反对称 3.12 3.370 3.24 3.4981阶对称 1.17 1.174 1.28 1.2932阶对称 3.39 3.370 3.52 3.498-24-额定转速下叶片挥舞方向 4个模态额定转速下叶片摆振方向
10、4个模态载荷分析产生上述震动的原因有多种 其中气动载荷最为关键 但由于流动的不确产生上述震动的原因有多种 ， 其中气动载荷最为关键 。 但由于流动的不确定性往往给研究带来困难。风机日益大型化 对叶片气动性能和结构稳定性的要求越来越高 弯 扭风机日益大型化 ， 对叶片气动性能和结构稳定性的要求越来越高 ， 弯 、 扭、掠、柔性等自适应叶片技术逐渐推广，引起更加复杂的动态响应和流固耦合问题最终造成风力机各部件载荷的增加。载荷的增长使 cost D3 Power D2。风剪切及偏航等不稳定外部条件会使 风力机 产生 动载荷 ， 包括叶片 、 塔架风剪切及偏航等不稳定外部条件会使 风力机 产生 动载荷
11、 ， 包括叶片 、 塔架等的机械结构振动，同时影响产能。-25-风力机受到的周期性载荷周期性气动力载荷其中偏航误差导致切向风速的周期性变化，每个叶片较前一叶片延迟 120，变化仅有 1P分量。-26-CFD气动细节分析数值模型及数值方法应用 NUMECA的应用 的FINETM/TURBO软件包以时间相关法求解雷诺平均 N-S方程并选取 一 方程 S-A湍流方程并选取 方程 湍流模型。-27-速度绝对值叶尖速度绝 值14m/s叶尖速度绝 对 值14m/s速度绝对值-28-风力机截面气动性能不同风速下最大弦长处气动特性工况 1： 5m/s，工况 2： 14m/s，工况 3： 25m/sa）为截面流线， b) 为静态压力， c) 为湍流度-29-叶片载荷叶根载荷随风速的变化趋势 不同风速下叶片展向载荷的变化趋势-30-
