風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

發(fā)布時(shí)間：2020-01-09

目前風(fēng)電機(jī)組制造商提供的大型水平軸風(fēng)電機(jī)組類型很多，但其結(jié)構(gòu)相似。風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、變槳系統(tǒng)、機(jī)艙、齒輪箱、偏航系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、電氣系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、塔架和地基等子系統(tǒng)組成，而每個子系統(tǒng)又有若干的零部件構(gòu)成。
　　風(fēng)電機(jī)組通過風(fēng)輪捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)換為動能，通過傳動系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)在電氣控制系統(tǒng)的控制下發(fā)出電能，進(jìn)而通過變壓器和變流器接入電網(wǎng)向電網(wǎng)饋電?？刂葡到y(tǒng)是整個發(fā)電過程的指揮中心，不僅可以控制偏航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的對風(fēng)，同時(shí)控制變流器限度地捕獲風(fēng)能，通過變槳系統(tǒng)使發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定的電功率。風(fēng)電機(jī)組振動故障主要來源于傳動系統(tǒng)，而傳動系統(tǒng)包括葉片、主軸、軸承、齒輪和發(fā)電機(jī)等，因此本節(jié)針對傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析其常見的振動故障及時(shí)頻域特點(diǎn)。
　　(1)風(fēng)輪
　　風(fēng)輪包括葉片、輪毅等，是風(fēng)電機(jī)組接受并捕獲風(fēng)能的部件。葉片和輪毅的主要材料有玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料、鋼和鋁等?，F(xiàn)代的風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)常為1~4枚，一般是2枚或3枚。由于葉片是風(fēng)機(jī)接受風(fēng)能的部件，所以葉片的扭曲、翼型的各種參數(shù)及葉片結(jié)構(gòu)都直接影響接受風(fēng)能的效率和葉片的壽命。輪毅通常是由鋼制造，用于聯(lián)接葉片和主軸傳動扭矩和功率，內(nèi)部安裝有一些用于變槳控制的電氣和機(jī)械設(shè)備。由于風(fēng)電機(jī)組長期工作于雨雪大風(fēng)等惡劣環(huán)境中，易造成風(fēng)輪不平衡、漿葉和輪毅的腐蝕、損傷等故障，葉片的故障率在整機(jī)中占有較高的比重。其中質(zhì)量不平衡引起的振動是葉片的故障類型，因?yàn)槿~片工作時(shí)暴露在空氣中，很容易粘上灰塵、昆蟲尸體、結(jié)冰等固體物質(zhì)，這些固體物質(zhì)就會在葉片轉(zhuǎn)動時(shí)由離心力的作用下向葉尖移動，產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。或者當(dāng)葉片產(chǎn)生腐蝕穿洞、結(jié)冰，或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)松動時(shí)，使得葉片內(nèi)部的質(zhì)量產(chǎn)生不平衡。在葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)量的不平衡會導(dǎo)致葉片的振動，且振動頻率和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，進(jìn)而增加了風(fēng)電機(jī)組損壞的幾率。但相對而言，葉片和輪毅的振動故障發(fā)生率是比較小的，因而對葉片的質(zhì)量監(jiān)測多是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行或定期維護(hù)，很少有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的研究報(bào)導(dǎo)。在振動監(jiān)測時(shí)，由于葉片一直處于運(yùn)動狀態(tài)，對其本身的監(jiān)測很難進(jìn)行，而對其不平衡引起的振動，則可以通過在輪毅主軸承設(shè)置傳感器進(jìn)行檢測，由于風(fēng)電機(jī)組葉片旋轉(zhuǎn)速度一般較低，其不平衡引起的振動多為低頻振動。基于以上考慮，在主軸承座設(shè)置測點(diǎn)并選取低速加速度傳感器對其振動信號進(jìn)行采集。
　　(2)齒輪箱
　　風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱由傳動軸(俗稱大軸)、箱體、齒輪副等組成，外部由聯(lián)軸器連接發(fā)電機(jī)，它將風(fēng)力作用下風(fēng)輪產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。由于風(fēng)速較低，使得風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速偏低以至于達(dá)不到發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速要求，因而通過齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的提高。
　　齒輪箱主軸的前端法蘭與風(fēng)輪相連，風(fēng)輪驅(qū)動齒輪箱主軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動后面的增速機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣齒輪箱就可以把風(fēng)輪所吸收的低轉(zhuǎn)速、大扭矩的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成高轉(zhuǎn)速、小扭矩的機(jī)械能，并傳遞到齒輪箱的輸出軸上。齒輪箱的輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與電機(jī)軸相連并驅(qū)動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將能量輸入給發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)將輸入的動能轉(zhuǎn)化成電能并輸送到電網(wǎng)上。齒輪箱的潤滑重要，許多齒輪箱的故障都是由潤滑不良引起的。由于齒輪箱長期運(yùn)行在變速變載荷的惡劣工況下，振動信號多包含高斯噪聲且具有非線性特點(diǎn)，容易發(fā)生的故障包括：軸不對中、軸不平衡、齒輪損傷、軸承損壞、滲漏油、斷軸、潤滑不良、油溫過高等。因而齒輪箱是振動監(jiān)測的對象，在齒輪的低速輸入軸和高速輸出軸都要進(jìn)行相關(guān)的測點(diǎn)設(shè)置，以監(jiān)測其內(nèi)部的齒輪和軸承等對象。關(guān)于齒輪箱內(nèi)部齒輪和軸的常見故障詳見后續(xù)分析。
　　(3)發(fā)電機(jī)
　　風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)型式多種多樣，主要有雙饋異步機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，同步電機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)變速恒頻系統(tǒng)等。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商采用的是雙饋式異步發(fā)電機(jī)，該類型發(fā)電機(jī)配有增量編碼器來測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其冷卻系統(tǒng)有風(fēng)冷和水冷兩種，并且還配有防雷等保護(hù)裝置。并且由于發(fā)電機(jī)長期工作在電磁環(huán)境中，常見有振動過大、噪聲過大、過熱、不正常雜聲、軸承過熱和絕緣損壞等故障。因此在振動監(jiān)測中需要對發(fā)電機(jī)前端和后端的振動進(jìn)行監(jiān)測，常常在前端軸承座和后端軸承座設(shè)置傳感器監(jiān)測其振動信號。