风力发电机常见故障和分析.docx

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风力发电机常见故障和分析

职业技术学院

毕业设计

题目：

风力发电组轴承的常见失效形式及故障分析

系别：

机电信息系

专业：

机械制造与自动化

班别：

13机械一班

：

何进生

指导老师：

浩川

日期：

2015年7月1日至2016年5月1日

容摘要

随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力，能源问题和环境污染日益突出。

风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源，因其使用便捷、可再生、成本低、无污染等特点，在世界围得到了较为广泛的使用和迅速发展。

风力发电己成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。

随着大型风力发电机组装机容量的增加，其系统结构也日趋复杂，当机组发生故障时，不仅会造成停电，而且会产生严重的安全事故，造成巨大的经济损失。

本论文先探讨了课题的实际意义以及风力发电机常见的故障模式，在这个基础上对齿轮箱故障这种常见故障做了详尽的阐述，包括引起故障的原因、如何识别和如何改进设计。

通过对常见故障的分析，给风力发电厂技术维护提供故障诊断帮助，同时也给风电设备制造和安装部门提供理论研究依据。

关键词

风力发电机;故障模式;齿轮箱;故障诊断

CommonFaultsAndTheirAnalysis

OfTheWindTurbine

Abstract

Withtheglobaleconomicdevelopmentandpopulationgrowth,humanityisfacingwiththepressurefromtwosidesoftheenergyuseandenvironmentalprotection,theenergyproblemandenvironmentalpollutionhasbecomeanincreasinglyprominentissue.Windpowerasaabundantreservesofnaturalresources,becauseofitsconvenientuse,renewable,lowcost,nopollution,hasbeenmorewidelyusedandrapiddevelopmentintheworld.Windpowerhasbeentakenasoneoftheprioritydevelopmentenergysourcesintheworld．Theincreaseofwindpowercapacityandcomplicatedsystemstructurewillnotonlycausepoweroutage，butalsoraiseseriousaccidentswhenthesetisatfault．

Inthebeginning,thedissertationintroducesthepracticalsignificanceofprojectandthecommonfailuremodeofwindturbines,thenresearchesanddescribesthefailureofgearboxindetail,includingthecauseoffailure,howtoidentifyandhowtoimprovethedesign.Basedontheanalysisofcommonfailures,notonlyprovideassistanceforfaultdiagnosistothetechnicalmaintenanceofwindpowerplants,butalsoprovideatheoreticalbasistothewindpowerequipmentmanufacturingandinstallationdepartments.

KeyWords

WindTurbines;FailureMode;GearBox;FaultDiagnosis

目录

风力发电机常见故障及其分析

第一章绪论

1.1风力发电的背景

随着全球人口数量的上升和经济规模的不断增长，世界围对能源需求持续增加，化石能源、生物能源等常规能源使用带来的环境问题日益突出。

在此背景下，低碳经济即以低能耗、低污染、低排放为基础的能源经济发展模式应运而生。

风力发电作为清洁能源的一种，是适应当前经济下国际能源发展的新型发电技术，有着得天独厚的优势：

风能分布广泛，蕴藏量巨大，是一种可再生资源，有利于可持续发展；风力发电无温室气体排放，清洁无污染，完全符合低碳经济低能耗、低污染、低排放的要求；风力发电施工周期短，占地少。

风能作为一种清洁的可再生能源，蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10MW，其中可利用的风能为2×10MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。

自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。

2007年已有9万兆瓦，这一数字到2010年是16万兆瓦。

预计未来20-25年，世界风能市场每年将递增25%。

随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。

在“九五”期间，我国风力发电场的建设开始了快速发展。

2001年底，我国已在、、、、、、、、、、等11个省区建立了27座风电场，总装机容量达40万KW，风电发电量占全国总发电量的0.1％。

过去十年来，风力发电以年均55％的高速增长，按国家制定的“十一五”规划，2010年整机装机容量达到1000万KW，国产化率将达到75％～85％。

风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

风力发电技术是一种利用风能驱动风机桨叶，进而带动发电机组发电的能源技术。

由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点，被各国广泛重视，纷纷投入大量的人力、物力、财力来发展风力发电技术。

根据国际新能源网的有关资料显示，迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。

目前，风电发展正在不断超越其预期的发展速度而发展，并一直保持着世界增长最快能源的地位。

1.2风力发电机故障诊断的意义

风电对缓解能源供应，改善能源结构、保护环境和电力工业的持续发展意义重大。

这些年来，风电机组在我国得到了广泛的安装使用。

随着大型风力发电机组装机容量的增加，其系统结构也日趋复杂，风力发电机的故障也成为一个不容忽视的问题。

随着风电机组运行时间的加长，目前这些机组陆续出现了故障（包括风轮叶片、变流器、齿轮箱、变桨轴承，发电机、以及偏航系统等都有），导致机组停止运行。

当机组发生故障时，不仅会造成停电，而且会产生严重的安全事故。

风电机组的部分部件一旦损坏，在风电场无法修复，必须运到专业厂家进行修理。

因其维修费用高、周期长、难度大，势必给风电场造成巨大的经济损失，严重影响了风电的经济效益。

风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能质量，如电压的偏差、电压的波动和闪变、谐波以及周期电压脉动等。

当风电机组发生故障时，输往电网的有、无功功率发生波动，且造成电网的谐波污染和电压波动。

伴随的危害有照明灯光的闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均和影响电子仪器、计算机、自动控制设备的正常工作状况等。

风电机组的故障也会导致风力发电机从额定出力状态自动退出并网状态，风力发电机组的脱网会导致电网电压的突降，而机端较多的电容补偿高于脱网前风电场的运行电压，引起了电网电压的急剧下降，从而影响接在同一个电网上的其它电气设备的正运行，甚至会影响到整个电网的稳定与安全。

风力发电机组因为长期工作在野外、暴晒和雷雨等恶劣环境中，其损坏率高达40％-50％。

同时，由于风力发电设备的维护技术跟不上风力发电的发展速度，一旦其关键零部件（如齿轮、轴承、叶片等）发生故障，将会使设备损坏、发电机停机，带来严重的经济损失。

例如,2006年，德国北部奥尔登堡的一台风力发电机的转子叶片被强风刮断,长达10米的沉重碎片飞到20米远的田地里，造成了严重的事故;2007年，荣成市港西镇附近的风力发电机因齿轮油泄漏，导致其周围5.07亩的海参饲养池受到污染，造成海参大量死亡。

风机维护主要分为定期检修和日常排故维护两种方式。

定期的维护保养可以让设备保持最佳状态，并延长风机的使用寿命，是重要的维护方式。

但是定期维修可能存在维修不足、维修过剩的问题。

日常排故维护是在风机出现故障时及时去现场进行设备检修，为了避免因故障造成意外停电，还要求维护人员能够实时监测风机的运行状态并预测、诊断故障。

随着野外装机规模的不断扩大，风力发电机系统的故障诊断也就显得越来越重要了。

风力发电系统主要由将风能转换为机械能的风力机和将机械能转换为电能的发电机两大部分组成，其中发电机是整个系统的核心，直接影响整个系统的性能、效率和供电质量，同时也是系统中易发生故障的部分。

由于风力发电机受到的风场切片风复杂多变，且长期工作在野外、暴晒和雷雨等的恶劣环境中，易发生多种机械或电气故障。

因此开展对风力发电机故障诊断的研究，及时发现系统的早期故障并进行维修，提高风力发电机组运行的可靠性，对保证风力发电机的正常安全运行具有重大的实际意义。

第二章风力发电机常见故障模式及机理分析

2.1风力发电机结构

风力发电机由风轮及变桨距系统、轮毂、结构（机舱、地基和塔架）、传动装置、齿轮箱、发电机、电气系统、控制系统、传感器、刹车系统、液压系统和偏航系统等构成。

风电机组首先将风能通过风轮转换成机械能，再借助主轴、齿轮箱等传动系统和发电机将机械能转换成电能，从而实现风力发电。

风力发电机结构图如下图2.1所示：

图2.1风力发电机结构图

其主要部件的功能如下：

塔架：

风力发电机塔架是支撑机舱和风轮的部件，它将风轮支撑到能较好的捕捉风能的高度。

风轮：

主要由叶片、轮毂组成。

风轮一般由3个叶片组成，因为它运行平稳，能输出稳定的转矩。

轮毂是用来连接叶片与轮毂的固定部件，它将来自叶片的载荷传递到风轮的支撑结构上。

风轮的作用是获取风能，并将风能转变成机械能，再由与风轮相连的低速轴将动力输出到传动系统。

传动机构：

主要包括低速轴（主轴）、齿轮箱、高速轴和刹车装置。

齿轮箱用来提高转速和传递动力。

风力发电机齿轮箱大致可分为两类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。

实际应用的风力发电机齿轮系统中，最常见的形式是一个行星齿轮系加上一个或多个平行轮系构成的。

发电机：

发电机是风力发电系统的做功装置。

它的作用是将机械能转换成电能。

风电系统常用两种三相发电机：

一种是异步发电机，另一种是同步发电机。

通过变频器，可以使发电机产生的电流与电网上的电流相适应。

偏航机构：

主要由风向标和旋转马达组成，其作用是保证在风向改变的情况下，使风轮始终与风向保持垂直。

目前大多数大型水平轴风力发电机采用主动偏航来对风，经风向标测定风向后，通过控制旋转马达实现调向。

控制柜：

作用是对风力发电机的工作情况进行控制，保证风力发电机的正常运行。

机舱：

机舱包容并保护着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机和控制器等。

维护人员可以通过风力发电机机塔进入机舱，进行维护工作。

液压系统：

用于重置风力发电机的空气动力闸。

冷却元件：

包含一个风扇，用于冷去热发电机。

此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱的油。

2.2常见故障模式及机理分析

2.2.1叶片故障及机理

风力发电机组通过叶片将空气的动能转化为机械