海上风电机组主要机械故障机理研究

摘要：由于海上天气比较恶劣，维护人员无法快速接近风电场，使海上风电维护比较困难。因此，必须减少维修次数，将维护费用最优化。本文重点对海上风电的检修方案进行分析，并对风电机组的易损部件叶片、齿轮箱、发电机、传动机构等，及主要产生原理进行了分析，为风电机组的运行和维护提供理论指导。

关键词：海上风电机组；机械故障；机理；方案

中图分类号：TM307+.1 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

由于海上环境气候多变，海浪潮汐情况复杂，海上风电机组运行环境恶劣。而且由于机组都位于海上，维修人员只能通过工作艇或直升飞机到达指定地点进行设备维修或更换，所以维护的成本很高。因此对海上风电机组运行的可靠性提出了很高的要求。而设备的可靠性和可利用率需要在机组设计中予以保证。据统计，海上风电场运行中设备故障主要以机组叶片损坏、电缆疲劳损坏、齿轮箱损坏和变压器故障等问题最为常见；这就要求在海上风电机组的设计中避免上述故障的发生，优化结构，合理配置冗余系统；并对主要部件进行有效监控、故障预判和故障诊断。这就对海上机组设计及监控水平提出了更高要求。

2 风电机组维修方案

风电场的维护方案包括：定期维护、停机维护、状态监测三种。定期维护需对系统进行周期性的检查和维护，周期长度按系统设备寿命长短确定，需周期性地接触风电机组。定期维护的优点是：停机几率较小；维护可有计划地执行；配件的补给比较方便。采用定期维护方案，若设备已处于疲劳和磨损状态，但需到周期时才能进行更换。也存在使用寿命还未用尽，或经过维修后还可继续使用的设备，却被更换的现象，造成不必要的浪费。但载重机和维修人员费用花销较大，且受天气影响较大，定期维护不适用于海上风电。

停机检修方案对于风电机组来说使用的概率较小，只有当系统设备发生重大故障后，才不得不进行停机维修。停机检修缺点为，发生大故障的风险较大，停机检修所需时间长；不能按计划进行维修；配件供给比较复杂，需要很长的供应时间。如果受天气影响，运行人员对风电机组及时维修的可能性较低，停机加长，电力损失巨大。因而，对于近海风电场而言，停机维修方案是不可行的。

状态监测是对风电机组主要设备进行实时监测，对各种设备反馈的信号进行实时分析，若发现故障信号，则及时处理。因此，保障设备在限定的疲劳和磨损范围内工作，一旦达到极限就会被更换。状态检测的优点为：部件能最大限度的被利用，停机概率较低，检修方案可计划执行，部件供给比较方便。此外，状态监测可发现极端外部条件下，如因结冰或者海浪导致的风机塔筒振动等，从而可触发风电机组产生控制保护，避免产生重大损坏。缺点为对部件的剩余使用寿命要有可靠的信息；对状态检修的软硬件要求较高。

因此，通过三种维修方案的对比，海上风电机组采用状态检测维护比较可行。

3 风电机组易损部件

风电机组的易损部件主要包括叶片、齿轮箱、发电机、传动机构等。对海上风电机组发生的故障统计分析，齿轮箱为风电机组故障的主要源头，其次是发电机。海上机组大部分是基于内陆机组的设计制造，仅根据海上的气候环境稍做修改，因此并非为最适用于海洋环境的风力发电机组型式。

4 故障原理

4.1风机叶片

每台现有风电机组均采用3个叶片，不同额定功率风电机组的叶片大小相异，设计额定功率3MW风电机组的叶片长约45m，剖面宽度约4.5m，重约10t。叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常运行的决定因素。恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求须有:比重轻且具最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣天气和随机负荷的考验；叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。叶片设计的要求需达到50年的使用寿命。目前，叶片一般全部选用或大部分选用玻璃钢(GFRP)材料，而碳纤维是即将来临的潮流。

经长期旋转后，叶片表面因积灰和粘有昆虫尸体而变得粗糙；油漆破裂、坏洞及结冰均损坏叶片表面，增加表面粗糙度。粗糙度增加会破坏叶片表面空气动力场，从而降低风电机组的电力输出。从长远效应观察，此影响更是不可忽视。

对于变桨距风机，若组装误差导致叶片攻角不一致，则造成空气动力场不对称。制造误差及因运行而造成的永久变形均导致空气动力场的不平衡。这都会导致叶轮振动，增加了风电机组故障几率。攻角和叶型对叶片空气动力场产生重要影响，其不平衡会造成叶片的推力失调。叶轮旋转1周，产生两种振动，一种沿着叶轮轴向的振动，另一种为围绕塔柱的扭转振动，叶片的推力导致机舱和塔柱的弯曲,产生振动。当某一叶片处于垂直向上方向时，其产生轴向振动最大；当叶片处于水平方向时，其产生的扭转振动最大。

4.2 传动机构故障

引起轴故障的原因较多，包括：在设计负荷下工作；扭矩超负荷；材料加工问题；在输送和组装的过程中损坏；由于转子的不对称导致产生弯曲现象；连接部件的轴偏心轴承和支撑部件的组装有误。上述因素都会导致传动机构损坏或者不平衡。可通过2个垂直布置的电涡流传感器对轴振动进行监测，提供轴心轨迹和位移的信息，此故障的特征频率为2倍频。对轴承进行状态监测中2倍频信息，也可以用来评估轴振动中2倍频谱的频幅和相角。采用上述方法来对1倍频信号进行分析，可发现轴质量不平衡故障。

直驱结构的风机省去了风机传动链的齿轮箱，避免了齿轮箱故障引起的风机故障，被认为是海上风机发展的方向之一。但是由于低速发电机磁极数的增加，造成发电机径向尺寸巨大，设计和制造困难。同时，机组重量较大，对于机组结构设计提出更高的要求。

混合传动是将齿轮箱配高速发电机概念与直驱概念进行了综合，平衡了两种方案的优缺点。该方案采用单级齿轮箱和中速发电机，既避免了齿轮箱高速部分故障率较高的缺陷，又解决了直驱风机发电机尺寸巨大的问题，被认为是海上风电发展的一个方向。但是由于中速齿轮箱和发电机综合成本较高，该方案的机组成本较高。

4.3 滚动轴承故障

在风电机组齿轮箱和发电机里有滚动轴承，属于常发生故障部件，为了使风电机组能长期稳定行，必须对滚动轴承常见事故进行分析，以便更好地对其进行维护。给出了轴承常见故障、原因和后果（如表1所示）。

4.4 齿轮故障

由于海上气候和环境的原因，海上风机齿轮装置也是常发生故障的设备。统计表明，减小齿轮箱的传动比有助于提高齿轮箱的可靠性，降低齿轮箱的故障率。而对于低速发电机，增大发电机转速，减少发电机磁极数可以减小发电机径向尺寸。因此，提高风电机组风轮转速成为一个好的选择。但是风轮转速的提高会导

致风机运行噪声的增强，这是一个矛盾。由于海上风电远离居民区，可以放大噪声限制，因此可以设计较高的叶尖速比以提高风轮转速。但是随着叶尖速度的增加，风轮实度随着叶尖速度的平方递减。例如一个按120m/s叶尖速度优化设计的叶片宽度仅为按60m/s叶尖速度设计的叶片宽度的1/4。这就造成了叶片会更加柔软，将很难运用于塔架上风向的风轮设计。下风向风轮则更加适合。但是由于塔影效应的影响，下风向风轮对风机的疲劳载荷提出更高的要求，而且国内风电制造企业没有下风向风机的设计经验，会导致较大的技术风险。

参考文献：

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