根據(jù)世界風能源協(xié)會（WWEA）的資料，世界市場中的風力發(fā)電機組安裝量在2011年產(chǎn)生了一個新的記錄—總共達到了42萬千瓦，而2010年的安裝量只有37.6萬千瓦。并且根據(jù)初步的數(shù)據(jù)顯示，世界各地的總安裝量已經(jīng)達到了239萬千瓦左右—占到了全球電力需求的3％。

為了滿足這種日益增長的需求，很快就會需要更多—并且越來越大—的風力發(fā)電機組。但是發(fā)展的加快也面臨著挑戰(zhàn)，因為發(fā)電機的設計日益復雜，而且需要在惡劣的天氣情況下運行數(shù)十年。這意味著每個客戶定制項目的設計都需要進行更多的測試。

Moventas公司是渦輪風力發(fā)電機變速箱的一線供應商之一，了解到在過去的5年里關于噪音和振動方面的測試數(shù)量已經(jīng)翻了4倍，許多的項目也要求進行相應的測試。

Moventas公司研究和試驗組經(jīng)理Jari Toikkanen先生解釋說，進行這些測試主要是為了提高產(chǎn)品的可靠性，并符合如美國齒輪制造商協(xié)會（AGMA）和歐洲ISO標準等機構嚴格監(jiān)管的要求。他補充說：“除了進行最大的努力進行產(chǎn)品開發(fā)，渦輪風力發(fā)電機的原始設備制造商們（OEMs）都要求進行更多并且比以往都要更詳細的振動試驗來檢測產(chǎn)品的性能?！?

變速箱共振

特別需要注意的一點是在渦輪風力發(fā)電機的大型變速箱的振動方面，它結合了行星和螺旋轉子來驅動發(fā)電機。另一個重要的組成部分是連接變速箱與渦輪機的扭矩臂。例如，Moventas公司一個大型的3MW模型，變速箱的重量就達到了30噸，直徑達到2米；長度為2.5米。扭矩臂的套管到套管之間的寬度為4米，0.5米厚，重達5噸。

工程師進行多種的模型沖擊試驗來測試這些組件的共振反應。為什么呢？是為了檢查并避免產(chǎn)生共振反應。

周圍的結構或齒輪嚙合的頻率產(chǎn)生的振動可能會損壞發(fā)電機的框架、葉片、驅動軸以及最高可能超過120米的發(fā)電塔。

Toikkanen先生說：“一般來說，我們的目標是避免扭矩臂產(chǎn)生80~250Hz范圍內(nèi)的震動，其余的結構在400~800Hz的范圍內(nèi)。如果共振的頻率在這個范圍內(nèi)或接近這個范圍，工程師可以通過調(diào)整變速箱內(nèi)組件和扭矩臂的幾何位置來改變模態(tài)頻率—通常改變部分組件的厚度和形狀就能夠優(yōu)化性能。”

Toikkanen先生注意到，由于不同的轉子葉片的轉動速度，使得變速箱扭矩臂的振動方式產(chǎn)生差異，并且齒輪的振動頻率也會發(fā)生變化，因而使得這個過程變得非常復雜—從輸入旋轉每分鐘的轉數(shù)（RPM），微風時或到大風時可能達到10倍的量。

提高測試效率

為了應對各種測試所帶來的挑戰(zhàn)，Moventas公司目前已經(jīng)開始使用LMS Test.Lab軟件—它具有LMS SCADAS 8動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在很短的時間內(nèi)進行各種模式的分析測量。該系統(tǒng)包含模式分析所需的各種集成工具：

● 測試設置；
● 控制；
● 測量；
● 信號調(diào)試；
● 結果分析；
● 數(shù)據(jù)管理；
● 生成報告。

據(jù)Toikkanen先生的介紹，內(nèi)置工作簿和循序漸進的操作方式能夠提示工程師在哪里輸入?yún)?shù)，并顯示整個過程如何進行。這種簡化的操作方式能夠更快地進行測量。

該系統(tǒng)的在線監(jiān)測功能還能夠提高測試的效率，Toikkanen先生說：“我們可以使用實時可視化的功能，在測量的同時馬上看到測量的結果，我們可以在現(xiàn)場驗證測試，得到每一次錘擊后結構如何變形的第一手資料，并了解任何意外共振所產(chǎn)生的原因?！?

這種可視化功能的應用對Moventas公司的工程師來說是非常重要的，動畫模擬狀態(tài)與頻率響應函數(shù)（FRFs）顯示在同一個屏幕上—顯示變速箱關鍵部位的振動幅度。這使得工程師能夠立即了解到變速箱在不同的震動頻率下的結構扭轉和彎曲，因此他們可以識別哪些軸承可以傳輸振動—并確定關鍵的齒輪網(wǎng)諧波。

快速響應工程項目

Toikkanen先生說，不同配置的軟件包可以進行常規(guī)的測試，可以“在幾天內(nèi)而不是幾周”內(nèi)運行。當需要一個更快的周期時，模態(tài)測試可以在早上運行，在同一天內(nèi)得到并記錄分析的結果。

除了使用LMS Test.Lab系統(tǒng)，公司一直與LMS工程服務（LMS Engineering Services）在一些需要額外計算資源的項目—如響應速度較快的項目，需要滿足重點客戶要求的項目上進行緊密的合作。定義耐久性分析計算的范圍和詳細程度，與Moventas公司的首席結構分析師Petri Lahtinen 先生進行相關項目的協(xié)調(diào)。

在一個項目中，LMS工程服務（LMS Engineering Services）提供了一家渦輪風力發(fā)電機生產(chǎn)商所需要的關鍵疲勞壽命分析。這項分析需要檢查兩個主要的渦輪風力發(fā)電機圓柱形的變速箱組件—扭矩臂和齒輪行星架—預計將承受超過20年的運作負載壽命。LMS的工程師為組件和應用單位的負載創(chuàng)建了一個有限要素模型，以確定每一部分的壓力時間序列。這種壓力時間序列連同完整的組件歷史負載時間被使用在耐久性模擬軟件（LMS Virtual.Lab）中，以預測基礎材料的疲勞壽命。

在以后的項目中，LMS測量變速箱在低速輸入和高速輸出時的軸旋轉振動。安裝在低速軸上的加速度計信號直接在系統(tǒng)的分析中使用。高速軸的信號通過激光測振儀測試旋轉速度而直接獲取。一系列的操作響應能夠顯示出所有軸所產(chǎn)生的旋轉振動和相關的共振。

Toikkanen先生相信，隨著渦輪風力發(fā)電機的制造商們對零部件供應商要求的更加嚴格，相關的測試—并且降低項目中的能源生產(chǎn)成本對于推動渦輪機的發(fā)展創(chuàng)新將是至關重要的。(end) 風力發(fā)電機相關文章:風力發(fā)電機原理
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