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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、风力机故障分类一、风力机故障分类 ?二、震动监测二、震动监测 ?三三风力机简介风力机简介?三三、 Tjareborg 风力机简介风力机简介 ?四四Tjareborg 风力机模拟风力机模拟?四四、 Tjareborg 风力机模拟风力机模拟 -2- 叶片故障 -3- 知名企业叶片故障 印度SUZLON VESTAS -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
2、架故障 美国2007年8月25 日下午4点左右在位于日下午4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西门子 制造的风电机组的塔架 倾倒（拦腰折断），致 一死一重伤。一死一重伤。 检查结果检查结果旋转过速旋转过速检查结果检查结果：旋转过速旋转过速, （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
3、- 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
4、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,
5、 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NACA44系列航空翼 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Th il U iif Dk -15- 所有技术资料均源自Technical University of Denmark 丹麦风能分布 -16- TWT所在风场 ? 风机彼此相距350m， 地形较为平坦，年平 均风速为8.4m/s ?
6、 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 ? 距风力机120两侧分布两? 距风力机120m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。 2、塔
7、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）92年2月25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
8、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
9、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1P 与3P 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 测量值 静止 计算值 旋转 测量值 旋转 计算值 模态类型 静止 测量值 静止 计算值 旋转 测量值 旋转 计算值 HzHzHzHz 模态类型 静止 测量值 静止 计算值 旋转 测量值 旋转 计算值 模态类型 静止 测量值 静止 计算值 旋转 测量值 旋转
10、 计算值 HzHzHzHz 前3阶部分振型 1阶反对称阶反对称2.302.4772.342.524 2阶对称阶对称-4.407-4.465 2阶反对称阶反对称-8.434-8.480 3阶对称频阶对称频-11.480-11.527 HzHzHzHz 1阶反对称阶反对称1.101.1741.241.293 2阶反对称阶反对称3.123.3703.243.498 1阶对称阶对称1.171.1741.281.293 2阶对称阶对称3.393.3703.523.4983阶对称频阶对称频 11.48011.527 2阶对称阶对称3.393.3703.523.498 -24- 额定转速下叶片挥舞方向4个模
11、态 额定转速下叶片摆振方向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costD3 PowerD2。 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，包括叶片、塔
12、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NUMECA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S A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/s a）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- 尾流分析 -31- 尾流湍流度 14 / 湍流度14m/s湍流度 -32- 木联能 Thank you!y -33-
