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风电机组传动系统主要结构

发布时间:2020-01-09
齿轮箱的输出轴通过弹性联轴器与电机轴相连并驱动发电机的转子旋转,最后将能量输入给发..

目前国内外风电机组制造商提供的大型水平轴风电机组类型很多,但其结构相似。风电机组主要由风轮、变桨系统、机舱、齿轮箱、偏航系统、制动系统、发电机、电气系统、主控系统、塔架和地基等子系统组成,而每个子系统又有若干的零部件构成。
  风电机组通过风轮捕获风能转换为动能,通过传动系统传递给发电机,发电机在电气控制系统的控制下发出电能,进而通过变压器和变流器接入电网向电网馈电。控制系统是整个发电过程的指挥中心,不仅可以控制偏航系统实现风机的对风,同时控制变流器最大限度地捕获风能,通过变桨系统使发电机输出稳定的电功率。风电机组振动故障主要来源于传动系统,而传动系统包括叶片、主轴、轴承、齿轮和发电机等,因此本节针对传动系统的结构,分析其常见的振动故障及时频域特点。
  (1)风轮
  风轮包括叶片、轮毅等,是风电机组接受并捕获风能的部件。叶片和轮毅的主要材料有玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、钢和铝等。现代的风机的叶片数常为1~4枚,一般是2枚或3枚。由于叶片是风机接受风能的部件,所以叶片的扭曲、翼型的各种参数及叶片结构都直接影响接受风能的效率和叶片的寿命。轮毅通常是由钢制造,用于联接叶片和主轴传动扭矩和功率,内部安装有一些用于变桨控制的电气和机械设备。由于风电机组长期工作于雨雪大风等恶劣环境中,易造成风轮不平衡、浆叶和轮毅的腐蚀、损伤等故障,叶片的故障率在整机中占有较高的比重。其中质量不平衡引起的振动是叶片最常见的故障类型,因为叶片工作时暴露在空气中,很容易粘上灰尘、昆虫尸体、结冰等固体物质,这些固体物质就会在叶片转动时由离心力的作用下向叶尖移动,产生质量不平衡。或者当叶片产生腐蚀穿洞、结冰,或者内部结构松动时,使得叶片内部的质量产生不平衡。在叶片旋转时,质量的不平衡会导致叶片的振动,且振动频率和旋转速度有关,进而增加了风电机组损坏的几率。但相对而言,叶片和轮毅的振动故障发生率是比较小的,因而国外对叶片的质量监测多是在实验室进行或定期维护,很少有实时在线监测的研究报导。在振动监测时,由于叶片一直处于运动状态,对其本身的监测很难进行,而对其不平衡引起的振动,则可以通过在轮毅主轴承设置传感器进行检测,由于风电机组叶片旋转速度一般较低,其不平衡引起的振动多为低频振动。基于以上考虑,在主轴承座设置测点并选取低速加速度传感器对其振动信号进行采集。
  (2)齿轮箱
  风电机组的齿轮箱由传动轴(俗称大轴)、箱体、齿轮副等组成,外部由联轴器连接发电机,它将风力作用下风轮产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。由于风速较低,使得风轮的转速偏低以至于达不到发电机的输入转速要求,因而必须通过齿轮副的增速作用来实现转速的提高。
  齿轮箱主轴的前端法兰与风轮相连,风轮驱动齿轮箱主轴旋转,进而带动后面的增速机构运转。这样齿轮箱就可以把风轮所吸收的低转速、大扭矩的机械能转化成高转速、小扭矩的机械能,并传递到齿轮箱的输出轴上。齿轮箱的输出轴通过弹性联轴器与电机轴相连并驱动发电机的转子旋转,最后将能量输入给发电机。发电机将输入的动能转化成电能并输送到电网上。齿轮箱的润滑十分重要,许多齿轮箱的故障都是由润滑不良引起的。由于齿轮箱长期运行在变速变载荷的恶劣工况下,振动信号多包含高斯噪声且具有非线性特点,容易发生的故障包括:轴不对中、轴不平衡、齿轮损伤、轴承损坏、渗漏油、断轴、润滑不良、油温过高等。因而齿轮箱是振动监测重点的对象,在齿轮的低速输入轴和高速输出轴都要进行相关的测点设置,以监测其内部的齿轮和轴承等对象。关于齿轮箱内部齿轮和轴的常见故障详见后续分析。
  (3)发电机
  风电机组的发电机负责将旋转的机械能转化为电能,发电机型式多种多样,主要有双馈异步机变速恒频发电系统,同步电机变速恒频发电系统和永磁同步电机变速恒频系统等。目前国内外风力发电机制造商采用最多的是双馈式异步发电机,该类型发电机配有增量编码器来测量发电机转子转速,其冷却系统有风冷和水冷两种,并且还配有防雷等保护装置。并且由于发电机长期工作在电磁环境中,常见有振动过大、噪声过大、过热、不正常杂声、轴承过热和绝缘损坏等故障。因此在振动监测中需要对发电机前端和后端的振动进行监测,常常在前端轴承座和后端轴承座设置传感器监测其振动信号。

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