CN105320792B - 一种解决风电机组叶轮不平衡故障的方法 - Google Patents

一种解决风电机组叶轮不平衡故障的方法 Download PDF

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Abstract

一种解决风电机组叶轮不平衡故障的方法，通过配重的方式来消除叶轮不平衡故障，其步骤为：（1）将叶片的安装误差角作为气动不平衡的施加参数，结合叶片的设计参数作为建模依据，形成叶片模型；（2）将步骤（1）得到的叶片模型与风机传动链动力学模型、额定转速所需的气动力一起建立风机整机动力学分析模型；（3）利用步骤（2）得到的风机整机动力学分析模型计算发电机功率曲线，并将得到的发电机功率曲线与正常状态下的功率曲线进行对比，找出叶轮不平衡故障所需配重的最佳位置。本发明具有原理简单、精度高、提高叶轮可靠性和稳定性等优点。

Description

一种解决风电机组叶轮不平衡故障的方法
技术领域
本发明主要涉及到风电机组领域，特指一种适用于解决风电机组叶轮不平衡故障的方法。
背景技术
叶轮作为风力机的重要部件，对风力机组安全稳定运行影响很大，叶轮不平衡故障是叶轮的主要故障之一，风力发电机组在常年运行过程中，由于风沙对叶片造成的磨损、在寒冷地区叶片结冰抑或旋转过程中叶片内部填充材料在离心力作用下发生松动朝叶尖偏移等均可能造成风力机的质量不平衡故障，特别是风力机的容量越来越大，叶轮直径越来越大，塔架高度也越高，风力机的柔性也越强，叶轮不平衡故障会造成风力机整体结构的巨大振动，同时也会使传动链部件产生疲劳应力进而影响风力机的寿命。在风电机组整机载荷计算中，根据相关规范或标准，需要考虑风轮的不平衡。
风轮的不平衡故障包括质量不平衡和气动力不平衡，当前针对风力机不平衡故障的研究方法主要沿用了其它旋转机械基于实验的振动信号处理方法，但风机所处的环境恶劣，需要在风力机上安装大量的传感器，方法成本较高同时可靠性也较差；其实验方法也难以获得大量的针对某种故障的典型信号，同时难于从机理的角度对故障的影响进行分析。有学者在试验中发现了可以通过发电机的电功率信号来检测风力机的质量不平衡故障，但未对该诊断方法提供理论解释。另有人从故障建模与仿真的角度研究了不平衡故障，对该故障的形成机理进行了阐述，该方法还可以仿真出足够数量的有代表性的各类故障信号，这些信号可以应用到譬如神经网络的训练等需要大量数据的场合，这些故障数据还可以用来试验和比较不同的故障诊断算法，进而对开发新的故障诊断算法也具有重要意义。
但现有的研究无论是基于振动信号还是基于电信号的故障诊断、还是故障模型等都只能对质量不平衡故障和气动不平衡故障进行诊断，并没有给出解决叶轮不平衡故障的具体方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、精度高、提高叶轮可靠性和稳定性的解决风电机组叶轮不平衡故障的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种解决风电机组叶轮不平衡故障的方法，通过配重的方式来消除叶轮不平衡故障，其步骤为：
（1）将叶片的安装误差角作为气动不平衡的施加参数，结合叶片的设计参数作为建模依据，形成叶片模型；
（2）将步骤（1）得到的叶片模型与风机传动链动力学模型、额定转速所需的气动力一起建立风机整机动力学分析模型；
（3）利用步骤（2）得到的风机整机动力学分析模型计算发电机功率曲线，并将得到的发电机功率曲线与正常状态下的功率曲线进行对比，找出叶轮不平衡故障所需配重的最佳位置。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（3）中，设定一个误差理论允许值，将得到的发电机功率曲线与正常状态下的功率曲线进行对比，如果误差小于误差理论允许值，则计算终止，此时的配重质量、配重距离、叶片编号即为解决不平衡进行配重的具体参数；如果误差大于误差理论允许值，给出新的配重质量和配重距离，风机整机动力学分析模型再根据新的配重值重新计算，按配重叶片的顺序依次进行，直到得到最优的结果，停止计算。
作为本发明的进一步改进：在步骤（3）的过程中，新的配重质量和配重距离是通过ISIGHT参数优化程序给出的。
作为本发明的进一步改进：所述叶片的设计参数为出厂时的叶片质量参数和质心参数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明原理简单、精度高、易实现，借助整机动力学的高精度建模优势，把风力发电机组叶轮的质量不平衡和气动不平衡都参数化加载到模型中，解决不平衡故障的配重也通过在叶片上不同位置固接一质量块的方式体现，通过优化计算可找出叶轮配重的最佳位置和大小。
附图说明
图1是三叶片风力机在正常状态时的示意图。
图2是建立风电机组整机动力学模型的示意图。
图3是进行质量不平衡故障配重的示意图。
图4是本发明在具体应用时的原理示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种解决风电机组叶轮不平衡故障的方法，为配重式解决不平衡的方法。叶轮的不平衡故障包括质量不平衡和气动力不平衡，这两种不平衡故障最终都会在叶轮上形成一个不平衡作用力矩，解决的办法是在不平衡作用力矩的180o相位加一大小相等的配重，使叶轮达到一种新的平衡状态。本发明方法利用专业风机动力学软件（ISIGHT程序）进行高精度建模分析，若干个叶片根据实际质量、质心位置进行真实建模，铰接过程考虑若干个叶片的安装误差角，这样叶轮的质量不平衡和气动不平衡都在建模中通过参数的形式进行了考虑。为保证计算的精度，利用优化软件与动力学软件的联合仿真进行计算，评价的关键指标是发电机的转速和输出功率的稳定性，最优计算结果的值所对应的不平衡量的质量和质心位置即为叶轮配重所需质量的大小和位置。
如图4所示，本发明的一种解决风电机组叶轮不平衡故障的方法，是通过配重的方式来消除叶轮不平衡故障，其具体步骤为：
（1）将叶片的安装误差角作为气动不平衡的施加参数，结合叶片的设计参数（出厂时的叶片质量参数和质心参数。）作为建模依据，形成叶片模型；
（2）将步骤（1）得到的叶片模型与风机传动链动力学模型、额定转速所需的气动力一起建立风机整机动力学分析模型；
（3）利用步骤（2）得到的风机整机动力学分析模型计算发电机功率曲线，并将得到的发电机功率曲线与正常状态下的功率曲线进行对比，找出叶轮不平衡故障所需配重的最佳位置。
本实施例中，在步骤（3）中，可以先设定一个误差理论允许值，将得到的发电机功率曲线与正常状态下的功率曲线进行对比，如果误差小于误差理论允许值，则计算终止，此时的配重质量、配重距离、叶片编号即为解决不平衡进行配重的具体参数；如果误差大于误差理论允许值，给出新的配重质量和配重距离，风机整机动力学分析模型再根据新的配重值重新计算，按配重叶片的顺序依次进行，直到得到最优的结果，停止计算。
在本实施例中，新的配重质量和配重距离是通过ISIGHT参数优化程序给出的。
以三叶片风力机为例，如图1所示，三叶片可以等效为距离轮毂 ri(i=1,2,3)的集中质量块 mi(i=1,2,3)；在正常状态下，风力机叶轮的三个叶片完全相同，因此风力机三个叶片所受重力 Gi(i=1,2,3)相等，离心力Fi(i=1,2,3)也完全相等。由于叶轮机构在几何上的对称性，最终作用到轮毂上的合力与合力矩均为 0，因此不会引起扭矩的波动，也不会引起发电机功率较大的波动。
如图2所示，根据正常情况下的叶片参数（叶片设计模型及风机其他参数）、风机传动链动力学模型可以建立风电机组整机动力学模型，配合施加的额定工况下的气动力矩进行仿真计算，将会得到发电机正常情况下的功率曲线。
如图3所示，假定叶片存在的质量不衡量为mv rv，那么此时就需要对叶轮进行配平。设配重量的大小为mv rv，并位于方向相反及相位相差180o的位置，由于叶轮的配重只可能在叶片上进行，因此叶片3上的A位置放置mv rv是解决叶轮质量不平衡的最佳办法。
但是，在实践过程中，如果考虑到气动力的不平衡的影响，图3中A点的位置和配重的大小就有可能发生变化，因此仍需要通过本发明的方法和具体试验来进一步确定。
在本发明中，把现场叶片安装完成后测得的误差角（即气动不平衡参数）分别加到三个叶片，连同叶片设计参数（按出厂时的叶片质量、质心等参数）一起建模；然后，和风机传动链动力学模型、气动力矩（额定转速所需的气动力）一起组建风机机组整机动力学模型；利用风机机组整机动力学模型计算出发电机的功率曲线，并与正常状态下的功率曲线进行比较；当误差小于理论允许值时，计算终止，此时的m为配重质量，r为配重距离；叶片编号为配重所需放置的叶片，如果误差大于理论值，ISIGHT程序会给出新的m和r值，动力学模型再根据新的配重值重新计算，配重叶片的顺序规定为按1、2、3进行，直到得到最优的结果，停止计算。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种解决风电机组叶轮不平衡故障的方法，通过配重的方式来消除叶轮不平衡故障，其特征在于，步骤为：
（1）将叶片的安装误差角作为气动不平衡的施加参数，结合叶片的设计参数作为建模依据，形成叶片模型；
（2）将步骤（1）得到的叶片模型与风机传动链动力学模型、额定转速所需的气动力一起建立风机整机动力学分析模型；
（3）利用步骤（2）得到的风机整机动力学分析模型计算发电机功率曲线，并将得到的发电机功率曲线与正常状态下的功率曲线进行对比，找出叶轮不平衡故障所需配重的最佳位置。
2.根据权利要求1所述的解决风电机组叶轮不平衡故障的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，设定一个误差理论允许值，将得到的发电机功率曲线与正常状态下的功率曲线进行对比，如果误差小于误差理论允许值，则计算终止，此时的配重质量、配重距离、叶片编号即为解决不平衡进行配重的具体参数；如果误差大于误差理论允许值，给出新的配重质量和配重距离，风机整机动力学分析模型再根据新的配重值重新计算，按配重叶片的顺序依次进行，直到得到最优的结果，停止计算。
3.根据权利要求2所述的解决风电机组叶轮不平衡故障的方法，其特征在于，在步骤（3）的过程中，新的配重质量和配重距离是通过ISIGHT参数优化程序给出的。
4.根据权利要求1或2或3所述的解决风电机组叶轮不平衡故障的方法，其特征在于，所述叶片的设计参数为出厂时的叶片质量参数和质心参数。
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