风力发电机组叶片气动不平衡研究

李东 李建涛 朱俊 符智

摘 要：针对风力发电机组中常见的叶片气动不平衡故障，分析了气动不平衡产生的原因，利用仿真软件模拟不同程度的气动不平衡，定量分析其对风力发电机组载荷、振动及发电量的影响，利用激光校准仪测量叶片攻角，通过实验验证了理论分析的正确性。分析表明：叶片气动不平衡会导致风机载荷、振动增大，严重影响部件疲劳寿命，年发电量减少，严重影响经济效益。

关键词：风力发电机组 气动不平衡 载荷 振动 发电量

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（a）-0096-03

1 气动不平衡产生原因分析

气动不平衡主要是由于叶片0度角偏差导致的叶片气动力不均衡导致，引起叶片角度偏差的原因主要包括：

（1）叶片制造误差：叶片生产过程中需要零度定位，在合模后使用工装定位开叶根螺栓孔，再根据螺栓孔或工作定位叶片零度，多次转换定位标准难免带来0度角制造误差。

（2）叶片安装误差：风机安装后调试前要进行叶片安装角校准，依据为叶片0度标尺和轮毂0度基准，实际操作中往往存在叶片0度标尺不够准确和轮毂0度基准模糊等问题，容易造成叶片实际运行0度不统一。

（3）变桨执行机构误差：电变桨风机角度定位通过变桨角度传感器和变桨电机绝对值编码器，绝对值编码器计算变桨角度需要设置变桨减速器和变桨轴承传动比，一般减速器设计值和实际值均有误差，而角度传感器与变桨轴承啮合侧隙较大，导致运行精度降低。长期运行误差积累，容易出现0度角偏差，造成叶片角度不统一。

（4）叶片状态：叶片如果发生过损坏维修，表面重新处理，或表面气动磨损，或严重污染，导致叶片外表面状态改变，导致三个叶片气动外形不统一，此时0度角也应该随之调整，若未调整则会出现0度角偏差。

2 气动不平衡对风机的影响理论分析

叶片制造安装过程中各种误差不可避免，气动不平衡不可能完全消失，标准规定叶片单叶片零度角偏差小于±0.3°为正常，当其超过标准规定值后，对风机载荷、振动、发电量会产生较大影响。

2.1 气动不平衡对风机载荷影响

如图1所示，升力L与阻力D的合力R可分解为与叶轮旋转平面平行的牵引力PT以及与叶轮旋转平面垂直的推力PN，PT牵引叶轮转动，PN作用在底架和塔筒上。

理想情况下，各叶片推力PN相等，叶片均匀分布时，产生的力矩相互抵消，叶轮不会产生额外的倾覆力矩。当其中一个叶片0度角出现偏差时，攻角α改变，叶片推力PN随之改变，叶片力矩不平衡，叶轮会产生一个额外的倾覆力矩MΔα作用在底架和塔筒上，随着叶轮方位角的变化MΔα呈周期性变化，对底架和塔筒产生一个周期性载荷。

其中

Mx为底架和塔筒X方向载荷；

ΣPN为叶轮推力合力；

G为风机重力；

h1为风轮中心线到偏航中心距离；

h2为整机中心与塔筒中心的距离；

Mw为风切、湍流度产生的叶轮倾覆力矩；

MΔα为气象不平衡产生的额外倾覆力矩。

利用bladed多体动力学载荷仿真软件对单叶片0度角偏差±2.5°（气动不平衡）与单叶片0度角偏差±0.3°（正常）两种工况进行仿真，得到不同0度角偏差下偏航中心倾覆力矩。

由表1可知，0度角偏差增大后，气象不平衡增大，轮毂中心载荷增加，影响传动链和机舱底架等主要部件，对齿轮箱、轴承的寿命有较大影响。偏航中心载荷增加，对偏航系统、塔筒带来不利影响，增加偏航制动和驱动负担，降低部件疲劳寿命。

2.2 气动不平衡对风机振动影响

气动不平衡导致叶轮产生额外的倾覆力矩作用在底架和塔筒上，根据动力学方程可知，激励力增大会导致底架和塔筒振动增加。

其中：

m为底架和塔筒刚度矩阵；

c为底架和塔筒阻尼矩阵；

k为底架和塔筒质量矩阵；

v为加速度；

v为速度；

v为位移；

P（t）为正常工况风机外载荷；

ΔP（t）为气动不平衡载荷。

通过仿真模拟单叶片0度角偏差±2.5°（气动不平衡）与单叶片0度角偏差±0.3°（正常）工况下机舱底架振动。

由表2可知，0度角偏差增大后，机舱底架X（前后）方向振动和Y（横向）方向振动加速度峰峰值明显增大，振动增大会造成齿轮箱前后窜动，机舱左右强烈摇晃，偏航制动位置窜动，严重的会在偏航处发出强烈的噪音，损坏机舱内部件。

2.3 气动不平衡对风机发电量影响

气动不平衡时，叶片攻角改变，导致叶轮受风面积减小，影响功率吸收，从而影响风机发电量。利用bladed对单叶片偏差±0.3°工况和单叶片偏差±2.5°工况下1.5MW风机进行功率曲线计算。

由图2和表3可知，0度角偏差增大后，气动不平衡增大风能利用率减小，功率曲线下移。根据标准Rayleigh分布风频计算各不同年平均风速下的年发电量，气动不平衡增大，不同年平均风速下的年发电量明显下降，单台风机年收益损失4万元以上。

3 气动不平衡对风机的影响实验分析

本文以某风场1.5MW风机为实验对象，利用激光校准仪对风机各叶片攻角进行测量，得到0度角偏差，对偏差较大的叶片0度角进行校准，对比分析校准前后风机各性能参数的变化，通过实验验证气动不平衡对风机性能参数的影响。

3.1 激光校准仪原理

激光校准仪采用高频脉冲激光设备对准叶片两个截面，通过叶片运转扫掠固定照射的激光脉冲，实现对叶片表面外形的扫描记录，记录一定时间的扫描数据，可解析出叶片0度角偏差，如图3所示。

3.2 气动不平衡校准前后振动参数分析

由于载荷测试比较困难，且载荷变化最终会反映在振动上，导致振动参数变化，故本文以底架塔筒振动数据的变化来验证气动不平衡对风机载荷和振动参数的影响。利用激光校准仪测量实验风机校准前单叶片初始偏差角为6.7°，更改0度线，校准后偏差角达到0.3°以下，满足标准要求，校准前后振动值对比如图4和图5所示。

由图4和图5可知，通过激光校准仪对偏差角进行校准以后，相近风速下，底架塔筒部件周期性振动明显减小，说明较大的叶片偏差角导致气动不平衡会增大风机的周期载荷，使风机产生周期性振动，严重影响风机各部件的寿命。

4 结语

本文针对风力发电机组常见的气动不平衡故障，分析了气动不平衡故障产生的原因，通过理论分析与实验两方面验证了气动不平衡对风机性能参数的影响。当风机叶片初始0度角偏差增大，风机发生气动不平衡时，风机的周期性载荷和振动增大，对齿轮箱、偏航系统损伤增大，部件寿命降低。除此之外，随着气动不平衡的增大，风机风能利用率下降，功率曲线下移，年发电量减小，严重影响企业经济效益。

参考文献

[1] 张丹.风电机组风轮不平衡载荷的影响分析与控制[D].华北电力大学（北京），2014.

[2] 郭元超，许移庆，王凡，等.風轮质量不平衡对风电机组载荷的影响分析[J].风能，2012（2）：70-72.

[3] 杨超.风电机组动态载荷特性及主动抑制策略研究[D].重庆大学，2015.