风机偏航衬垫更换过程中偏航系统载荷特性与维护管理

2019-01-17肖振海

机械管理开发 2018年12期

肖振海

（国华河北分公司黄骅风电有限公司，河北黄骅 061100）

引言

随着风力发电机大型化的发展，偏航轴承以上的部分，包括机舱、轮毂、叶片等零部件的质量尺寸都在不断增大，此外，叶片风能捕捉的能力在逐渐增强，从而使得偏航轴承所承受载荷性能增大。基于偏航轴承所承受的噪音与设备维护所存在的问题，在设计风力发电机的偏航系统时应当重点考虑滚动轴承[1]。

1 偏航衬垫更换改造项目概况

图1是偏航衬垫结构图，从图中可以看出，侧面轴承的5、6号位置主要靠近轮毂侧，因此承受了较大的压力，在衬垫更换过程中，需要将机舱顶起。而靠近机舱尾部的 1、2、3、4 号与 5、6 号位置不同，不需要顶机舱就能直接进行。本次项目更换衬垫先后顺序按照 2、1、6、3、4、5 序号依次进行。将偏航衬垫机舱悬臂梁进行旋转，直到其位置在舱爬梯口处，并用钢丝绳和O型锁安装吊葫芦在衬垫的悬臂梁上，并对小吊车旋转臂支架进行固定。固定之后，通过在侧面轴正下方错开塔筒吊物孔来手动更换偏航衬垫。最后，拆除机舱的踏板后，将千斤顶放置在靠近轮毂侧，顶在顶升轴的平面处。

图1 偏航衬垫结构图

2 风机偏航衬垫更换过程中偏航系统载荷特性

2.1 多工况下风力发电机组偏航系统动态特性

组态特性是风力发电机组态特性中重要的特性之一，这一动态特性主要包括风轮的动态特性、偏航系统的动态特性等。而风力发电机组偏航系统受到风速、偏航速度的影响，在不同工况下，风力发电机组偏航系统动态特性需要对不同分况、偏航角度进行计算，根据计算结果来估算偏航系统疲劳寿命，为下文的偏航系统载荷特性的研究提供可靠性支撑[2]。

2.2 EDC模型下的偏航载荷特性

本文研究的偏航系统的特性主要是在EDC模型进行，首先将时间设置为20～180 s，风向调整为0°～32.72°。启动风力发电机组时，系统开始进行偏航运动，偏航速度为0.4（°）/s。运行81.8 s后，系统的风轮与风向保持平面垂直的模式，此时，系统将停止偏航运动。也就是系统在20～40 s间进行功率变动，因此，变桨的角度也发生了细微的波动。

2.3 不同偏航速度的偏航载荷特性

一般风机最大的风速为22 m/s，切出风速为25 m/s。根据风力发电机系统的偏航控制的特性，将控制系统的风速设置为22 m/s，将系统偏航角度设置为35°。本文通过计算不同工况条件下，对系统偏航的速度与角度以及载荷特性进行分析，具体计算结果见表1[3]。

表1 工况参数统计

正常湍流模型湍流强度标准差：

式中：Iref为风速为15 m/s时湍流强度平方的预期值；vav为轮毂处的平均风速；vb为风速为5.6 m/s的轮毂高度。

因而，湍流强度为：

根据计算结果可知，在风况相同的条件下，系统的偏航速度主要受到了最大力矩的影响，当偏航系统的工况结束时，不同工况下偏航轴承载荷的最大值、最小值及标准差的统计图见图2。通过表1的对比分析结果可知，在相同的风况条件下，偏航速度为0.8（°）/s时，系统的载荷降低，从而有效降低了系统载荷的作用。

图2 载荷统计

3 偏航速度及角度对偏航轴承载荷的影响

系统在运行过程中，偏航的速度会不断加快，导致了风轮陀螺力矩逐渐增大，针对风机偏航系统的控制，需要合理控制风机偏航的速度。不同系统在不同风况条件下，工况1与工况2在正常发电的条件下，不同偏航角度的偏航系统载荷的特性不同，也就是说系统载荷变化规律不一致，从而影响了偏航轴承载荷的稳定性。

4 偏航系统的维护管理

本文主要以华锐3 MW风机的偏航衬垫更换工程为例，结合项目实际更换工程中涉及到零部件的装配，采用了系统的载荷软件，并结合风机设计理论对系统的载荷特性进行分析。与此同时还结合了风机现场实际测量情况，对系统在不同工况条件下，对风机载荷、风速、出力等条件下的受力进行分析。从而了解到系统偏航的减速机、滑板等损坏原因、机理，针对这一原因提出了具体的调整方案和策略。

1）增加系统过载保护装置。通过对风力偏航电机偏航减速机增设保护装置，能够有效防止元器件发生烧毁、断齿等故障。虽然保护装置在一定程度上影响了项目更换的效果，但保护装置的设置能够有效降低风机的发电量，维护系统的安全性与可靠性，有效防止偏航系统故障的发生，在整体上保障系统的经济可行。

2）增加在线监测系统。严格控制系统在偏航过程中的状态参数，通过实时监测偏航电机的功率，降低偏航噪声，维护系统风力机的安全运行。

3）改变偏航系统的电机启动方式。结合启动过程中功率曲线来看，偏航电机在启动过程中会受到冲击电流的影响，因此，可采用软启动方式来保护偏航电机的启动。