液压偏航阻尼器对风电机组振动噪声的影响研究

张森林+刘红

摘 要：詳细阐述了液压偏航阻尼器的结构、功能和特点以及其在风电机组中偏航系统上的应用和使用情况。详细介绍了液压偏航阻尼器对风电机组振动和噪声的影响，并采用相关的分析软件和设备对液压阻尼器对风电机组的振动情况做进一步的分析。

关键词：风力发电机组；液压阻尼器；液压制动器；偏航系统；振动；噪声；优化设计

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.19.097

0 引言

风力发电机组在偏航过程中，往往会产生较大振动和噪声。特别是在机组启停过程中更为严重。由于该问题的存在，造成了风电机组偏航制动器摩擦片磨损严重，损耗率极高。同时也会造成齿轮箱、发电机等关键部件的紧固螺栓损坏严重，甚至会造成机舱的底盘出现裂纹。为解决这一严重问题，对风力发电机组偏航系统的阻尼工艺进行了改进，将原有摩擦片刚性的阻尼方式变为柔性的液压阻尼，以优化解决风电机组在偏航中产生的噪声和振动过大问题。

1 液压偏航阻尼器的结构和特点

液压偏航阻尼器是一种特制的以液压泵为核心元件的液压加载装置。用于风电机组的偏航系统中。它以独有的液压方式在风机机舱偏航运动过程中对其施以阻尼力矩，取代传统的以机械摩擦方式产生的摩擦阻力矩，从而达到风机机舱在偏航运动过程中无摩擦噪声且转动平稳的目的。

液压偏航阻尼器特点：

（1）采用插装集成方式，体积小，重量轻、反应速度快、安装维护方便。

（2）集成油路块结构，连接管路少，现场安装工作量少，可靠性高。

（3）工作温度范围广： -30℃～+50℃，适用于各类高低温风场。

（4）液压泵采用双向高压齿轮泵，能适应机舱双向运动时的加载。

（5）液压站带有蓄能器，用于补充系统的内泄露，达到长时间保压的目的。

（6）阻尼力矩可调，具备超压保护，系统工作安全可靠。

（7）大幅降低偏航系统振动与噪音。

（8）大幅延长偏航摩擦片的更换和维护周期。

2 液压偏航阻尼器的主要应用

液压偏航阻尼器可以广泛应用于各种机型的风电机组上。液压偏航阻尼器主要用于风电机组的偏航系统。液压偏航阻尼器通过键槽连接的方式与偏航电机连接在一起。从而将液压阻尼的扭矩加在偏航电机的主轴上，然后通过偏航减速机传递给偏航小齿轮，然后偏航小齿轮在通过齿轮间的啮合把扭矩传递给偏航大齿圈，从而实现液压阻尼的加载过程。这样能使风电机组的运行更加平稳、机组的振动和噪声都会大大减少，减少机组各个关键部件的损坏。延长机组的使用寿命，提高机组的发电量。

3 液压偏航阻尼器对风电机组振动情况分析

为了验证该措施的效果，辽宁省某技术研究中心以某风场的10#风力发电机为试点，对风电机组增加液压偏航阻尼器前后的振动情况进行了测试，本次测试采用德国普卢福（PRFTECHNIK）双通道振动数据采集器VIBXPERT对该风力发电机的齿轮箱减震器位置、发电机支撑位置、风力发电机机舱等位置进行数据采集，分析的结果如下。

3.1 齿轮箱减震器位置振动分析

图1为偏航系统加液压阻尼器前齿轮箱减震器位置基础的振动信号，系统偏航运行中，振动信号的最大值为19.77m/s2，最小值为-19.78m/s2。

图2为偏航系统增加液压阻尼器后齿轮箱减震器位置基础的振动信号，系统偏航运行中，振动信号的最大值为7.999m/s2，最小值为-7.857m/s2。对比图1与图2，可见增加液压阻尼器后，偏航过程中齿轮箱减震器位置的基础振动明显降低，降低幅度达59.5%。

3.2 发电机支撑位置振动分析

图3为偏航系统增加液压阻尼器前，发电机支撑位置基础的振动信号，风电机组偏航运行中，振动信号的最大值为117.48m/s2，最小值为-117.88m/s2。

图4为偏航系统增加液压阻尼器后，发电机支撑位置基础的振动信号，风电机组偏航运行中，振动信号的最大值为65.676m/s2，最小值为-59.880m/s2。对比图3与图4，可见风电机组增加液压阻尼器后，机组在偏航过程中，发电机支撑位置的基础振动也有一定程度的降低，降低幅度达44.1%。

3.3 风电机组启动时机舱振动的情况分析

图5为偏航系统增加液压阻尼器前，风电机组启动过程中，风机偏航时机舱振动信号，由于原有的摩擦阻尼效果不佳，导致风机在偏航启停瞬间激发了高阶共振频率，引起较高的振动，振动信号的最大值为4.120m/s2。在偏航系统启动瞬间，会对机舱产生强烈的冲击振动，因此考查这个瞬态的冲击所持续的时间长度，也是评价偏航系统阻尼工艺优劣的重要指标，冲击衰减越快，阻尼工艺越好。增加液压阻尼器前，冲击衰减需要1.515s。

图6为偏航系统阻尼工艺改进后，偏航启动过程中风力发电机机舱振动信号，振动信号的最大值为1.673m/s2。偏航系统增加液压阻尼后，偏航系统启动瞬间产生的冲击只在瞬间便衰减结束，衰减时间远小于0.5s，可见偏航系统增加液压阻尼后振动的幅值和衰减时间均明显降低，振动幅值降低幅度达到59.39%，冲击衰减所需时间减少幅度高于67%。不仅如此，增加液压阻尼器后使整个风力发电机组启停时能够更迅速的通过风力发电机的主要共振频率区，对改善风机的整体运行状态效果显著。

3.4 偏航运行中风电机组机舱的振动情况分析

图7为偏航系统增加液压阻尼器前，风电机组在偏航过程中机舱的振动信号，振动信号的最大值为8.875m/s2，最小值为-12.297m/s2。此外，在偏航过程中，伴随着刺耳的高频噪声，这是由于摩擦片与制动盘之间接触不良引起的，在振动信号图中表现为大量的密集的高频、高幅值振动。

图8为偏航系统增加液压阻尼器后，偏航过程中风力发电机机舱振动信号，振动信号的最大值为0.680m/s2，最小值为-0.575m/s2。对比图7与图8，在偏航系统增加液压阻尼器后，机舱振动的幅值大幅度降低。鉴于新的阻尼方法是以液压阻尼代替了原有的摩擦阻尼，因此加液压阻尼器前的高频噪声和异常振动均消失不见了。从振动信号图中可见，机舱振动较为平稳，加液压阻尼器前振动信号中大量密集的高频、高幅值振动也消失不见了。对比阻尼工艺改进前后的振动极值，改进后，振动幅值降低幅度达到92.34%。

4 结论

由于本次测试数据量较大，对测试获得的主要结论、结果汇总于表1。通过表1内容可见，对风力发电机偏航系统阻尼工艺改进后，在偏航启停及连续运行中，风力发电机机舱、齿轮箱、发电机等主要部件的振动幅值明显降低。各部分紧固螺栓所需承受的冲击及剪切力明显降低。显然，风电机组通过增加液压阻尼器，可有效降低风力发电机整体的振动值，减小各部位紧固螺栓的剪切力，降低风发电机偏航制动器损耗。降低风力发电机运行维护成本，提升风力发电机的运行效率，从而提升机组的发电量。增加风电机组的收益。

参考文献

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