液壓偏航阻尼器對風電機組振動噪聲的影響研究

張森林+劉紅

摘 要：詳細闡述了液壓偏航阻尼器的結構、功能和特點以及其在風電機組中偏航系統上的應用和使用情況。詳細介紹了液壓偏航阻尼器對風電機組振動和噪聲的影響，并采用相關的分析軟件和設備對液壓阻尼器對風電機組的振動情況做進一步的分析。

關鍵詞：風力發電機組；液壓阻尼器；液壓制動器；偏航系統；振動；噪聲；優化設計

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.19.097

0 引言

風力發電機組在偏航過程中，往往會產生較大振動和噪聲。特別是在機組啟停過程中更為嚴重。由于該問題的存在，造成了風電機組偏航制動器摩擦片磨損嚴重，損耗率極高。同時也會造成齒輪箱、發電機等關鍵部件的緊固螺栓損壞嚴重，甚至會造成機艙的底盤出現裂紋。為解決這一嚴重問題，對風力發電機組偏航系統的阻尼工藝進行了改進，將原有摩擦片剛性的阻尼方式變為柔性的液壓阻尼，以優化解決風電機組在偏航中產生的噪聲和振動過大問題。

1 液壓偏航阻尼器的結構和特點

液壓偏航阻尼器是一種特制的以液壓泵為核心元件的液壓加載裝置。用于風電機組的偏航系統中。它以獨有的液壓方式在風機機艙偏航運動過程中對其施以阻尼力矩，取代傳統的以機械摩擦方式產生的摩擦阻力矩，從而達到風機機艙在偏航運動過程中無摩擦噪聲且轉動平穩的目的。

液壓偏航阻尼器特點：

（1）采用插裝集成方式，體積小，重量輕、反應速度快、安裝維護方便。

（2）集成油路塊結構，連接管路少，現場安裝工作量少，可靠性高。

（3）工作溫度范圍廣： -30℃～+50℃，適用于各類高低溫風場。

（4）液壓泵采用雙向高壓齒輪泵，能適應機艙雙向運動時的加載。

（5）液壓站帶有蓄能器，用于補充系統的內泄露，達到長時間保壓的目的。

（6）阻尼力矩可調，具備超壓保護，系統工作安全可靠。

（7）大幅降低偏航系統振動與噪音。

（8）大幅延長偏航摩擦片的更換和維護周期。

2 液壓偏航阻尼器的主要應用

液壓偏航阻尼器可以廣泛應用于各種機型的風電機組上。液壓偏航阻尼器主要用于風電機組的偏航系統。液壓偏航阻尼器通過鍵槽連接的方式與偏航電機連接在一起。從而將液壓阻尼的扭矩加在偏航電機的主軸上，然后通過偏航減速機傳遞給偏航小齒輪，然后偏航小齒輪在通過齒輪間的嚙合把扭矩傳遞給偏航大齒圈，從而實現液壓阻尼的加載過程。這樣能使風電機組的運行更加平穩、機組的振動和噪聲都會大大減少，減少機組各個關鍵部件的損壞。延長機組的使用壽命，提高機組的發電量。

3 液壓偏航阻尼器對風電機組振動情況分析

為了驗證該措施的效果，遼寧省某技術研究中心以某風場的10#風力發電機為試點，對風電機組增加液壓偏航阻尼器前后的振動情況進行了測試，本次測試采用德國普盧福（PRFTECHNIK）雙通道振動數據采集器VIBXPERT對該風力發電機的齒輪箱減震器位置、發電機支撐位置、風力發電機機艙等位置進行數據采集，分析的結果如下。

3.1 齒輪箱減震器位置振動分析

圖1為偏航系統加液壓阻尼器前齒輪箱減震器位置基礎的振動信號，系統偏航運行中，振動信號的最大值為19.77m/s2，最小值為-19.78m/s2。

圖2為偏航系統增加液壓阻尼器后齒輪箱減震器位置基礎的振動信號，系統偏航運行中，振動信號的最大值為7.999m/s2，最小值為-7.857m/s2。對比圖1與圖2，可見增加液壓阻尼器后，偏航過程中齒輪箱減震器位置的基礎振動明顯降低，降低幅度達59.5%。

3.2 發電機支撐位置振動分析

圖3為偏航系統增加液壓阻尼器前，發電機支撐位置基礎的振動信號，風電機組偏航運行中，振動信號的最大值為117.48m/s2，最小值為-117.88m/s2。

圖4為偏航系統增加液壓阻尼器后，發電機支撐位置基礎的振動信號，風電機組偏航運行中，振動信號的最大值為65.676m/s2，最小值為-59.880m/s2。對比圖3與圖4，可見風電機組增加液壓阻尼器后，機組在偏航過程中，發電機支撐位置的基礎振動也有一定程度的降低，降低幅度達44.1%。

3.3 風電機組啟動時機艙振動的情況分析

圖5為偏航系統增加液壓阻尼器前，風電機組啟動過程中，風機偏航時機艙振動信號，由于原有的摩擦阻尼效果不佳，導致風機在偏航啟停瞬間激發了高階共振頻率，引起較高的振動，振動信號的最大值為4.120m/s2。在偏航系統啟動瞬間，會對機艙產生強烈的沖擊振動，因此考查這個瞬態的沖擊所持續的時間長度，也是評價偏航系統阻尼工藝優劣的重要指標，沖擊衰減越快，阻尼工藝越好。增加液壓阻尼器前，沖擊衰減需要1.515s。

圖6為偏航系統阻尼工藝改進后，偏航啟動過程中風力發電機機艙振動信號，振動信號的最大值為1.673m/s2。偏航系統增加液壓阻尼后，偏航系統啟動瞬間產生的沖擊只在瞬間便衰減結束，衰減時間遠小于0.5s，可見偏航系統增加液壓阻尼后振動的幅值和衰減時間均明顯降低，振動幅值降低幅度達到59.39%，沖擊衰減所需時間減少幅度高于67%。不僅如此，增加液壓阻尼器后使整個風力發電機組啟停時能夠更迅速的通過風力發電機的主要共振頻率區，對改善風機的整體運行狀態效果顯著。

3.4 偏航運行中風電機組機艙的振動情況分析

圖7為偏航系統增加液壓阻尼器前，風電機組在偏航過程中機艙的振動信號，振動信號的最大值為8.875m/s2，最小值為-12.297m/s2。此外，在偏航過程中，伴隨著刺耳的高頻噪聲，這是由于摩擦片與制動盤之間接觸不良引起的，在振動信號圖中表現為大量的密集的高頻、高幅值振動。

圖8為偏航系統增加液壓阻尼器后，偏航過程中風力發電機機艙振動信號，振動信號的最大值為0.680m/s2，最小值為-0.575m/s2。對比圖7與圖8，在偏航系統增加液壓阻尼器后，機艙振動的幅值大幅度降低。鑒于新的阻尼方法是以液壓阻尼代替了原有的摩擦阻尼，因此加液壓阻尼器前的高頻噪聲和異常振動均消失不見了。從振動信號圖中可見，機艙振動較為平穩，加液壓阻尼器前振動信號中大量密集的高頻、高幅值振動也消失不見了。對比阻尼工藝改進前后的振動極值，改進后，振動幅值降低幅度達到92.34%。

4 結論

由于本次測試數據量較大，對測試獲得的主要結論、結果匯總于表1。通過表1內容可見，對風力發電機偏航系統阻尼工藝改進后，在偏航啟停及連續運行中，風力發電機機艙、齒輪箱、發電機等主要部件的振動幅值明顯降低。各部分緊固螺栓所需承受的沖擊及剪切力明顯降低。顯然，風電機組通過增加液壓阻尼器，可有效降低風力發電機整體的振動值，減小各部位緊固螺栓的剪切力，降低風發電機偏航制動器損耗。降低風力發電機運行維護成本，提升風力發電機的運行效率，從而提升機組的發電量。增加風電機組的收益。

參考文獻

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