叶轮故障的原理及优化方案

1.风力机叶片表面粗糙度

风力机叶片的长期旋转导致叶片表面会产生积灰和粘有昆虫尸体，从而造成风力机叶片表面变得粗糙；油漆破裂、坏洞以及结冰均会造成叶片表面损坏，表面粗糙度增加。粗糙度增加破坏了叶片表面有利的空气动力场，从而降低风力机的电力输出。特别从长远效应观察，此影响是不可忽视的。因此，必须对风力机的电力输出特性进行在线监测。

2.转子的不平衡

旋转叶片若产生转子不平衡，则会导致叶轮的振动，增加了风力机损坏的几率。图10-2所示为三叶片风力机的简化示意图。当转子存在不平衡时，可以用叶素质量m来描述其特性。假设旋转速度为ω，距离转子中心r处叶素质量为m，产生的离心力的绝对值为

图10-2　质量不平衡的简化示意图

对于叶片而言，三个叶片的转速相等，因此在平衡条件下，其质量平衡满足如下关系式

m1r1=m2r2=m3r3⇒FC1=FC2=FC3⇒FC1+FC2+FC3=0　　　　（10-3）(www.xing528.com)

从式（10-3）可以看出，质量平衡时，各叶片离心力的绝对值相等。三力的向量和为零，如过参数mi和ri发生改变，这里i=1，2，3，那么风力机叶轮就会产生质量不平衡。引起质量改变的原因多种多样，如叶片腐蚀穿洞、结冰会引起叶片质量的不平衡；某叶片内部结构松动，在转动条件下就会向叶尖移动，也造成质量不平衡。

转子rr处不平衡质量用mr来表示，对转子轴产生一个FCR=mrrrω2的离心力。由于质量不平衡，周期性旋转导致产生振动，其振动频率等于旋转速度，即为一倍频。

3.空气动力场不对称

对于变桨距风力机，组装误差会导致叶片攻角不一致，造成空气动力场不对称。制造误差以及运行中造成的永久变形，也会导致空气动力场的不平衡。空气动力场的不对称导致叶轮产生振动，增加了风力机故障概率。

叶片空气动力决定于攻角和叶型，空气动力场的不平衡造成每个叶片的推力严重失调。如图10-3所示，在设计攻角θ1下的推力FT1要比故障攻角θ2下的FT2大。这样在设计攻角下，产生振动激励力更小，产生的轴和机舱的振动也更小。

图10-3　叶片受力分析图

叶轮每旋转一周，产生两种振动：一种是沿着风轮轴向的轴向振动；另一种为围绕塔柱的扭转振动。在叶片的推力下导致机舱和塔柱的弯曲，从而导致产生振动。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。对于三叶片风力机而言，每旋转一周叶片有三次处于垂直向上的方向，因此轴向振动的频率为三倍频。对于扭转振动而言，每旋转一周同样有三次处于水平方向，因而其振动频率也为三倍频。从机舱顶部观察，逆时针旋转时，叶片对塔架产生最大扭矩时位于左侧水平方向时。而在右侧时，则会产生最大的反作用扭矩。