风力发电机常见故障及其分析概要

茂名职业技术学院

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机械一班姓名：何进生指导老师：张浩川日期：2015年7月1日至2016年5月1日

内容摘要

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，在世界范围内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

Common Faults And Their Analysis

Of The Wind Turbine

Abstract

With the global economic development and population growth, humanity is facing with the pressure from two sides of the energy use and environmental protection, the energy problem and environmental pollution has become an increasingly prominent issue. Wind power as a abundant reserves of natural resources, because of its convenient use, renewable, low cost, no pollution, has been more widely used and rapid development in the world. Wind power has been taken as one of the priority development energy sources in the world．The increase of wind power capacity and complicated system structure will not only cause power outage，but also raise serious accidents when the set is at fault．

In the beginning, the dissertation introduces the practical significance of project and the common failure mode of wind turbines, then researches and describes the failure of gearbox in detail, including the cause of failure, how to identify and how to improve the design. Based on the analysis of common failures, not only provide assistance for fault diagnosis to the technical

maintenance of wind power plants, but also provide a theoretical basis to the wind power equipment manufacturing and installation departments.

Key Words

Wind Turbines; Failure Mode; Gear Box; Fault Diagnosis

目录

第一章绪论 (1)

1.1 风力发电的背景 (1)

1.2 风力发电机故障诊断的意义 (2)

第二章风力发电机常见故障模式及机理分析 (5)

2.1 风力发电机结构 (5)

2.2 常见故障模式及机理分析 (7)

2.2.1 叶片故障及机理 (7)

2.2.2 变流器故障及机理 (8)

2.2.3 发电机故障及机理 (10)

2.2.4 变桨轴承故障及机理 (13)

2.2.5 偏航系统故障及机理 (16)

2.3 本章小结 (21)

第三章风力发电机齿轮箱故障诊断 (22)

3.1 风力发电机齿轮箱常见故障模式及机理分析 (22)

3.2 齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略 (28)

3.3 针对齿轮箱不同故障的改进措施 (32)

第四章结论 (36)

致谢 (37)

参考文献 (38)

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，世界范围内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2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，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年内，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，我国已在新疆、内蒙古、辽宁、吉林、广东、福建、浙江、甘肃、河北、山东、海南等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，用于冷却齿轮箱内的油。

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能，再由发电机将机械能转化为电能，风轮及叶片在能量转化中担任着重要角色。

叶片从叶尖到叶根，厚度和弦长都逐渐增加，这是由于叶片尖部的旋转速度高、扫掠面积大，其气动性能对风机性能具有决定性影响，因此使用空气动力特性较好的薄翼型。而叶片根部的载荷较大，因此使用结构性能较好的厚翼型，叶根则呈圆柱形状，方便叶根与轮毂的连接。

在结构上，叶片可以分成三个组成部分：大梁—承载结构、蒙皮—气动结构和叶根—连接结构。大梁由梁帽和剪切腹板组成，梁帽由拉压强度很高的单向纤维复合材料制造，腹板是多向纤维复合材料和泡沫制成的夹层结构，大梁承受了叶片的绝大部分载荷；蒙皮与剪切腹板结构相同，用于构成叶片的气动外形；叶根由多向纤维复合材料制造，将大梁上的载荷均匀分散传递给叶根连接螺栓。

风力发电机组在工作过程中，桨叶的转速是随风速的变化而变。当阵风袭来，叶片受到短暂而频繁的冲击载荷，而这个冲击载荷也会传递到传动链上的各个部件，使得各个部件也受到复杂交变的冲击，对其工作寿命造成极大的影响，使风力机在运行过程中出现各种故障。尤其是风轮以及与其刚性连接的主轴、齿轮箱、发电机等在交变载荷的作用下很容易出现故障，造成机组停机。

叶片常见的故障模式有叶片断裂、偏移、弯曲、和疲劳失效等。

叶片是风力发电机组中受力最复杂的部件。它在不停地旋转, 各种激振力几乎都是通过叶片传递出去的。无论是地球附面层形成的风的不均匀流,还是重力和阵风等影响因素, 都是作用在叶片上。

现实中，风力发电所处环境比较恶劣，风车叶片不能精确地对准风向而存在偏斜，风速在风轮扫掠面上的不均匀，风速的瞬时变化，造成风机叶桨的振动、偏移、弯曲等不正常运行的状态。当风速增大、风速减小、风速不均时都会造成叶桨的振动。

由于叶片较长，刚性较差，旋转过程中自身不规则的振动或强风冲击可能引起叶片断裂。大型的风力发电机都在露天工作，长期旋转后，叶片表面因积灰、粘有昆虫尸体或结冰而起叶片受力不均，导致叶片整体重心偏移，同时叶片长时间受到交变载荷作用，导致工作条件恶化，引起疲劳失效。

2.2.2 变流器故障及机理

目前各大风电场的主力机型大体有3类：鼠笼式风力发电机、直驱式风力发电机和双馈感应式风力发电机。其中除鼠笼式以外，其余两种形式的风力发电机并网时都不可避免地要经过一个电力电子变流器，只不过由于风力发电机结构不同，同样额定功率的机组中，流过双馈式风机变流器的能量大约只占直驱式风力发电机的1/3。

目前国内实现国产化的大型变速风力发电机组采用的发电机主要为双馈发电机，机组的正常并网发电须采用两个变流器。变速恒频双馈风力发电机主电路图如下图2.2所示：

图2.2双馈风力发电机主电路图

风力发电并网变流器是一种运用现代高科技技术，集成现代控制理论、微电子技术及现代电力电子变换技术等交叉学科的高新技术产品，是把风能转化为电能并入电网的纽带，既能对电网输送风力发电的有功分量，又能连结、调节电网端无功分量，起到无功补偿的作用。风力发电机发的是直流电要用蓄电池将风力发电机的电存起来。但我们用的电器大多用交流电，所以要用变流器将直流电变为交流电，变器就是一个逆变器。

变流器常见故障模式有：变流器误动作，与预期效果误差大、过电压、过电流、过热及欠电压等。过电压和过电流可能导致开关管超过耐受极限而击穿或烧毁，有时甚至是永久性损坏。

变流器所处现场往往环境恶劣，高温发热、油水脏污、灰尘以及交变的电磁干扰等都无法估计，既影响变流器性能，也极易导致变流器故障。目前风力发电机中电力电子开关大量使用了绝缘栅双极晶体管，当其两端电压过高或过电流导致温度过高，亦或其运行功率超过了在正常工作温度下允许的最大耗散功率（最大集电极功耗）等，都可能导致开

关管超过耐受极限而击穿或烧毁，有时甚至是永久性损坏。

导致变流器中开关管过电压和过电流的原因是多方面的，常见的有变流器本身的质量问题、元件接触不良以及型号参数不匹配等。此外，风力发电机在运行过程中遭遇电网故障，功率无法馈送入电网，导致功率直流侧和输出侧电压升高，发电机在运行过程中由于负载突变产生过高的冲击电流，发电机及传输电缆绝缘老化导致匝间或相间短路形成短路电流等，如最终超过元件的耐受限度，都会导致变流器元件故障。2.2.3 发电机故障及机理

发电机是风电机组的核心部件，负责将旋转的机械能转化为电能，并为电气系统供电。随着风力机容量的增大，发电机的规模也在逐渐增加，使得对发电机的密封保护受到制约。发电机长期运行于变工况和电磁环境中，容易发生故障。

发电机常见的故障模式有发电机振动过大、发电机过热、轴承过热、转子/定子线圈短路、转子断条以及绝缘损坏等。

风力发电机组振动的大小直接关系到机组能否安全运行，而对于发电厂来说安全就是最大的经济效益。引起机组振动过大或者不正常的原因有很多，既有设计制造方面的原因，也有运行方面的方面的原因，还有安装和检修等方面的原因。

风力发电机转子是一个高速旋转机械，如果转子的质心与旋转中心不重合，则会因为转子的不平衡而产生一个离心力，这个离心力对轴承产生一个激振力使之引起机组振动，如果这个离心力过大，则机组的振

动就会异常。所以，风力发电机转子在装配时每装配一级叶片都应该对该级叶片进行动平衡试验，整个转子装配完成后在出厂之前还应该对整个转子进行低速和高速动平衡，以确保转子的不平衡量在一个合格的范围内。在制造厂家，转子不平衡量较大的原因主要由是机械加工精度不够和装配质量较差引起，所以必须提高加工精度，同时保证装配质量，从而才能保证转子的原始不平衡量不致于太大。另外，如果机组的设计不当也会引起机组的振动。例如，在设计阶段轴承的选用是非常重要的，如果轴承选取不当，则会因为轴承稳定性太差而转子极小的不平衡量也可能引起机组较大的振动，或者油膜形成不好而极易诱发油膜振荡。

电机运行中叶片折断、脱落或不均匀磨损、腐蚀、结垢，使转子发生质量不平衡。发电机转子绕组松动或不平衡等，均会使转子发生质量不平衡。这样，转子每转一转，就要受到一次不平衡质量所产生的离心力的冲击，这种离心力周期作用的结果，就发生振动。转子发生弯曲，即使不引起发电机动静部件之间的摩擦，也会引起振动，其振动特性和由于转子质量不平衡振动的情况相似，不同之处是这种振动显著地表现为轴向振动。尤其当通过临界转速时，其轴向振幅增大得更为显著。如发电机转子和静子之间的空气隙不均匀、发电机转子绕组短路等，均会引起机组振动。

对转动机械来说，微小的振动是不可避免的，振动幅度不超过规定标准的属正常振动。这里所说的振动，系指机组转动中振幅比原有水平增大，特别是增大到超过允许标准的振动，也就是异常振动。任何一种异常振动都潜伏着设备损坏的危险。比如轴系质量失去平衡（掉叶片、

大轴弯曲、轴系中心变化、发电机转子内冷水路局部堵塞等）、动静磨擦、膨胀受阻、轴承磨损或轴承座松动，以及电磁力不平衡等等都会表面在振动增大，甚至强烈振动。而强烈振又会导致机组其他零部件松动甚至损坏，加剧动静部分摩擦，形成恶性循环，加剧设备损坏程度。因此，新安装或检修后的机组，必须经过试运行，测试各轴承振动及各轴承处轴振在合格标准以下，方可将机组投入运行。风力发电机运行中发生振动，不仅会影响机组的经济性，而且会直接威胁机组的安全运行。因此，在发电机运行中，对轴承和大轴的振动必须严格进行监视。如振动超过允许值，应及时采取相应措施，以免造成事故。

由于风力发电机不停的工作，也会出现发电机过热的故障现象：发电机运转时机壳温度很高，超过60摄氏度，触摸有烫手感觉。引起发电机过热故障原因有：轴承缺油或间隙太小，造成轴承剧烈摩擦产生过热现象。轴承严重偏磨或损坏，以及转子轴弯曲或磁片安装有误差，引起转子磁极与定子铁芯发生碰擦，即扫膛。定子线圈匝间短路、开路，或接线错误，使发电机内部产生短路电流。发电机超负荷作业。为了防止发电机过热，必须采取一定的措施：定期保养发电机，发现缺油及时添加复合钙基润滑脂，一般充满轴承腔三分之二即可。检查轴是否弯曲，轴承是否偏磨，必要时更换轴承，校正转子轴、铁芯等。用万用表法或试灯法检查定子线圈是否短路或开路，如是，应重新绕制定子线圈。检查负荷是否与发电机匹配，如不匹配，应更换。

2.2.4 变桨轴承故障及机理

风能是一种绿色的可再生能源, 风力发电也在迅猛发展。但是风速的变化是随机的, 从空气动力学角度考虑，当风速过高或过低时, 只有通过调整桨叶节距, 改变气流对叶片攻角, 从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩, 才能使功率输出保持稳定。同时, 风力机在起动过程也需要通过变距来获得足够的起动转距。

变桨系统的所有部件都安装在轮毂上，风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。风机的叶片通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。

风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置。

目前变桨系统有液压驱动变桨系统和电动变桨系统2种类型。近来, 电动变桨距系统已越来越多地应用于风力发电机组。电动变桨距系统的3个桨叶分别带有独立的电驱动变桨距系统, 其机械部分包括回转支承、减速机和传动装置等。减速机固定在轮毂上, 回转支承的内环安装在叶片上, 叶片轴承的外环固定在轮毂上。当变桨距系统通电以后, 电机带动减速机的输出轴小齿轮旋转,而且小齿轮与回转支承的内环啮合,

从而带动回转支承的内环与叶片一起旋转, 实现了改变桨距角的目的。电动变桨机构传动图如下图2.3所示：

图2.3 电动变桨机构传动图

叶片由变桨电机带动轴承旋转调整叶片的受风角度。3个叶片分别由3台独立的电机带动叶片转动, 它们接受的是同一个旋转信号, 因此3个叶片的旋转是同步的，使3个叶片保持相同的受风角度。变桨电机在接受调整信号后通过变桨齿轮箱减速, 通过齿轮传动带动变桨轴承转过一个角度, 调整叶片的受风角度。

电动变桨风力发电机,在运行过程中主要存在的问题是3个叶片在变桨电机的带动下变换叶片的角度,出现变桨不同步的现象,也就是同时给变桨电机输送变桨信号后,由于变桨轴承发生了故障,只有2个叶片发生了变桨,另外一个没有动,或者3个叶片都不发生动作。使风机的效率大大降低,输出的功率达不到要求,甚至停机。

电动变桨轴承是在不同于一般的条件下工作的。轴承的内外圈不相对旋转,而是在很小的角度范围内摆动,因此它的滚珠不是沿整个滚道滚动,而只移动很小的距离,事实上是在摇动,也就是说永远是同一部分

的滚珠受载荷的作用。轴承发生故障原因: 轴承润滑不好造成的磨损，螺栓松动引起轴承移位，安装不当引起轴承变形。

(1)轴承润滑不好造成的磨损

做摆动的轴承与单向旋转的轴承不同,如果没有很好的润滑,那么

在短时间工作之后轴承就会磨损及损伤.滚道磨损及滚珠损伤将使摩擦

力矩增加。在摆动的振幅相当大的情况下,轴承圈将受到2种载荷的作用, 如下图2.4(a)所示。轴承圈上未被润滑部分边缘一段处在与连续旋转的轴承相似工作滚珠改变运动方向后经过的区域,在被润滑之前将出现压

力峰, 该压力峰的压力比连续旋转时所产生的压力大1倍。当轴承以很

小的摆动振幅工作时,如下图2.4(b)所示。这时相离最远的两接触面也

部分地相互重叠,轴承的工作条件将变得极端不好。

图2.4滚珠及润滑剂运动图

(a) 大振幅摆动时轴承圈载荷图 (b) 小振幅摆动时轴承全载荷图

因为润滑剂不可能流入重叠的接触面,因此该区域内的压力峰将变

得非常大,以至于立刻就会产生了永久变形。在此情况下金属表面由于

猛烈挤压,可能发生分子溶接现象—接触部分烧化,滚道上留下凹坑。轴