选择振动传感器来进行风轮机状态监控

ufxk

选择振动传感器来进行风轮机状态监控 [复制链接]

据保守目前已经有一些商用的转子叶片监控系统，但这个领域尚待继续研究。大量相关自动配料系统资料支持在风轮机中使用振动监控系统，包括详细调查和分析各种系统的优势。8但很少有资料会介绍风轮机应用对振动传感器的要求。本文从系统角度，提供关于风轮机组件、故障统计、常见故障类型和故障数据收集方法等的见解。本文从WT组件上的常见故障入手，讨论振动传感器要求，例如带宽、 测量 范围和噪声密度等。

系统组件、故障和传感器要求

图1和图2显示风轮机系统的主要组件，并提供风轮机变速箱的详细结构。下面几节将重点介绍变速箱、叶片和塔架对状态监控的要求，重点介绍振动传感器。对于其他系统，例如偏航驱动、 机械 刹车和发电机，我们一般不使用振动传感器进行监控，而是监控扭矩、温度、润滑油参数和电信号。

变速箱

风轮机变速箱将机械能从低转速的转子轮毂传输到高速发电机。同时，WT变速箱承受着不同风速带来的交替载荷，以及频繁制动导致的瞬变脉冲。变速箱包括一个低速转子轴和主轴承，在风力驱动转子叶片时以0rpm至20rpm（不到0.3Hz）的转速运行。要捕获不断增加的振动信号，需要振动传感器使用直流电运行。行业认证指南特别指出，振动传感器的性能需要达到0.1Hz。9变速箱的高速轴通常以3200rpm（53Hz）的转速运行。为了提供足够带宽来捕捉轴承和齿轮故障的谐波，推荐低速和高速轴振动传感器的性能达到10kHz及以上。9这是因为无论转速多大，轴承谐振一般都在几千赫范围内。10

到目前为止，轴承故障是引发变速箱故障的最大原因。一些研究表明，轴承故障是引发灾难性齿轮故障的根本原因。11当高速轴上的后轴承失效时，高速轴发生倾斜，造成中间（中部）轴齿轮的传输不均。在这种情况下，齿轮的接触齿极易发生故障，如图3所示。

 

轴承润滑（油）不足是导致主轴轴承故障的主要原因。可用的解决方案（例如SKFNoWear）包括特殊轴承涂层，12可将缺油运行时间提高6倍以上。

即使采用特殊的轴承涂层和其他变速箱改进方法，我们仍然需要使用合适的振动传感器来监控变速箱的主要轴承和高速轴承。振动传感器的本底噪声需要足够低，以便能够检测到早期振动幅度（g范围）较低的轴承故障。较老的MEMS技术，例如ADXL001，其本底噪声为4mg/√Hz，足以捕捉轴承外环的故障。13图4显示，外环故障先出现约0.05 5g 的频率峰值，且轴承表现良好，从噪声密度角度来看，本底噪声低于2mg/√Hz。参考的13 数据采集 系统的过程增益导致噪声大幅降低，因此测量得出2mg/√Hz本底噪声。只有在DAQ系统实现了足够的过程增益，且噪声为随机的情况下，才适合使用本底噪声为4mg/√Hz的传感器。一般情况下，最好使用本底噪声为100µg/√Hz至200µg/√Hz的振动传感器，而不是基于过程增益，后者只有在噪声为随机且不相关的情况下适用。

本底噪声在100µg/√Hz至200µg/√Hz之间的传感器在捕捉正常的轴承运行状况方面表现出色，在捕捉mg/√Hz范围内的早期故障时则表现卓异。事实上，使用本底噪声为100µg/√Hz的MEMS传感器甚至能够更早检测出轴承故障。

 

在不到0.1g时，显示初始轴承损坏，而在达到1g时，通常表示深度轴承损坏，这会触发维护。14图5显示，当振动幅值超过6g时，需维护变速箱和更换轴承。如前所述，轴承故障频率会在更高频率下发生。在更高频率下实施测量需要使用g范围规格更大的传感器。这是因为测得的加速度重力值与频率成比例。因此，与在低频率下相比，在更高频率下，相同的少量故障位移会导致更高的重力范围。一般指定在50g至200g时使用测量范围高达10kHz、更高带宽的传感器，尤其指定适用于风轮机应用。由于结构冲击或突然的机械断裂，振动传感器也需要涵盖冲击载荷工况。因此，一般将典型的商用振动监控系统的满量程定为至少为50g至100g。

 

对于风轮机主轴承，要求至少使用一个单轴振动传感器，推荐使用两个，并在轴向和径向上测量。9轴承环上的轴向开裂可能使轴承寿命缩短至仅一到两年。15

由于变速箱本身很复杂，如图2所示，所以建议使用至少6个振动传感器来实施状态监控。9在选择传感器的数量和位置时，应确保能够可靠测量所有齿轮啮合和缺陷/转动频率。监控变速箱的低速级时，需要使用一个单轴传感器，放置在尽可能靠近环形齿轮的位置。监控变速箱的中间和高速级时，需要在中心齿轮、中间轴和高速轴位置使用一个单轴传感器。高速和中速轴承内环的轴向开裂已成为影响风轮机变速箱寿命的主要原因。15

对于变速箱监控，未来要改善的状态监控领域包括无线振动监控系统的采用，但持续研究才能持续为这些解决方案提供支持。8

转子叶片

风轮机的转子叶片和轮毂组件在低速下捕捉风并传输扭矩。导致叶片故障的主要原因包括极端风荷载、结冰或雷电等环境影响，以及不平衡。这些因素导致断裂和边缘开裂，以及径节系统故障。目前只有少量商用振动监控系统，可以分布在叶片外部和内部。8已经使用MEMS振动传感器在叶片上开展大量学术研究，比如Cooperman和MarTInez的工作，16其中还包括陀螺仪和磁力仪。我们使用这些传感器的联合输出来确定风轮机叶片的方向和变形。相比之下，很少有商用振动监控系WeidmullerBLADEcontrol®，17，它使用每个转子叶片内的振动传感器来测量每个叶片的自动振动行为的变化。BLADEcontrol系统主要用于检测引起涡轮过度振动的转子叶片上的极端结冰状况。

一般来说，大型风轮机叶片（即直径40米以上的叶片）的首级固有频率在0.5Hz至15Hz之间。  18对涡轮叶片18上的无线振动监控系统的可行性研究显示，因振动激励导致的叶片频率响应远高于基频。 其他研究19表明，由叶片边缘变形引起的叶片频率与叶片扭转变形引起的叶片频率之间有显着差异。 叶片边缘变形的固有频率在0.5Hz至30Hz之间，叶片扭转变形的固有频率高达700Hz。 用振动传感器测量基频以外的频率需要更大的带宽。   DNVGL状态监控规范认证9建议对转子叶片使用振动传感器，它能够测量0.1Hz至≥10kHz的频率范围，其中一个传感器放在转子轴上，另一个放在横向方向上。 振动传感器在转子叶片上可以实现高频率测量范围，它也必须具备至少50g的大幅度测量范围，与变速箱轴承的要求类似。

带风机的塔

风轮机塔为风机外壳和转子叶片总成提供结构支撑。塔身会遭受冲击损坏，导致塔出现倾斜。塔倾斜之后，叶片与风向之间无法保持最佳角度。测量倾斜度需要使用操作功率可以低至0Hz的传感器，如此在零风条件下，也可以检测到倾斜。

基座部分的结构破坏会导致塔摇晃。塔摇晃监控集成在一些涡轮状态监控系统中，与变速箱振动监控相比，可以商用的选项并不多。8Scaime状态监控系统20使用加速度计、位移传感器、应变传感器和 温度传感器 来监控叶片、塔和基座的状况。根据DNVGL规范，Scaime加速度计的满量程范围为±2g，20监控频率范围为0.1Hz至100Hz。9如前所述，在静态条件下（无风力），当塔架结构发生故障导致倾斜时，频率的最低限值降低至0Hz。要实施倾斜测量，需要使用具有良好的脚手架直流稳定性能的传感器。MEMS传感器，例如ADXL355采用气密封装，可以实现行业领先的0g失调稳定性。