并網型風電機組發電機用彈性減振支撐剛度設計淺談

任偉偉

摘 要：該文主要探討風電機組發電機用彈性減振支撐的剛度設計，首先確定發電機的轉速范圍，選取合適的轉頻區間，計算對應的剛度范圍，在盡量避免共振和較大振幅的前提下，所設計的產品垂向剛度應滿足機組的動載、靜載及安全性等要求，通過產品加載試驗校核其名義剛度值。作為傳動系統中的減振元件，不可避免的承受著各種復雜工況甚至沖擊載荷的影響，為達到更好的使用效果，應根據產品試運行及后期的工作狀況調整支撐的結構與各項性能參數，以便更好的實現發電機系統的減振降噪。

關鍵詞：彈性支撐 剛度 頻率

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0041-01

1 確定發電機轉頻范圍

以某兆瓦機組為例，該發電機額定轉速范圍330～1330rpm，對應一階轉頻范圍5.5～22.2Hz，原則上，為避免發電機及支撐系統在工作狀態發生共振，彈性支撐設計剛度對應的發電機系統固有頻率就不應出現在發電機的一階轉頻范圍內，但在設計時不可能完全避開如此寬的轉頻范圍，而是選取靠近發電機額定轉速附近的一部分轉頻區間，如額定轉速1 200rpm，該轉速的0.8～1.2倍即960～1 440rpm，對應的發電機轉頻范圍是16～24Hz，以此范圍確定彈性支撐的剛度值。

2 初步確定發電機彈性減振支撐的剛度

根據固有頻率公式（式中 K′為4個發電機彈性支撐的動剛度，動剛度為靜剛度的1.3倍，單位N/m，M為發電機質量，單位kg），確定上述轉頻范圍對應的動剛度K′值的范圍。

該發電機質量為8 000kg，依次將轉頻16Hz與24Hz代入上式，計算得K′值分別為80.8kN/mm與181.7kN/mm，所以對應的支撐靜剛度K范圍為15.5～34.9kN/mm。

由此，可以進行兩種支撐垂向剛度的選擇。

（1）采用剛度值<15.5kN/mm，垂向剛度偏小，在高轉速時，彈性支撐能起到很好的減振效果，但在低轉速時，可能會引起較大振幅的振動，對傳動鏈系統可能產生破壞。

（2）采用剛度值>34.9kN/mm，垂向剛度偏大，則在發電機整個工作轉速范圍之內，彈性支撐的減振效果都不是很好。

3 計算驗證設計剛度值在極限及疲勞載荷下的應變

根據極限載荷譜，選取垂向極限載荷，計算對應剛度的形變及應變值。

根據疲勞載荷譜，選取合適的沃勒系數，計算疲勞載荷下的形變及應變值。

4 彈性減振支撐樣件生產、性能試驗

按照設計圖紙及剛度等要求，進行產品的樣件加工生產。

4.1 靜態性能試驗

4.1.1 溫度

產品試驗溫度應在（23±2）℃的室內進行。

4.1.2 載荷與形變

試驗設備應能夠測量記錄試驗載荷與形變。采用以縱軸表示試驗載荷，橫軸表示形變的坐標系連續記錄載荷—形變關系曲線。試驗載荷應在試驗設備量程范圍20%-100%以內。

4.1.3 試驗方法及靜剛度計算

（1）加載方式：對試件加載從零開始直到試驗載荷上限，然后快速卸載到零。連續重復上述過程兩次，第三次正式記錄載荷—形變曲線和數據。如圖1所示。

計算載荷范圍一般選取P1=3%P2。靜剛度，即圖中割線的斜率。

（2）加載卸載方式：對試件加載從零開始直到試驗載荷上限，然后以同樣速度卸載到零。連續重復上述過程兩次，第三次正式記錄載荷—形變曲線和數據。如圖2所示。

靜剛度，此載荷范圍與加載方式相同。在指定載荷時，式中載荷與形變選取圖2a中數據；指定變形時，則選取圖2b中數據。在加減載荷時，可采取控制載荷或控制形變，大載荷小變形時宜用載荷控制，小載荷大變形宜用變形控制。

4.2 動態性能試驗

對試件加載正弦波形的載荷或變形，記錄其時域波形或載荷—變形曲線。根據其載荷振幅、變形振幅和周期等計算動剛度及其它參數。根據大量試驗數據可得，橡膠減振元件的動剛度一般是靜剛度的1.3～2.2倍。

其他力學性能試驗方法可參考TB/T 2843的規定執行。

5 運行后調整

通過產品的樣機試運行，若發電機振動正常，則判斷該剛度值適合。若出現振動異常（異常原因：（1）支撐地腳螺栓或中心螺栓未緊固到位或松動；（2）塔架振動迭加；（3）發電機底座結構剛度不足導致的振動；（4）發電機動平衡不好；（5）發電機三相電流不平衡等），則需要查找異常原因并消除，調整支撐的剛度再次驗證，直到正常。

在支撐結構及尺寸不變的情況下，產品剛度的調整一般是通過控制膠料硬度實現的，這是國內減振橡膠行業的普遍做法，而在國外已經采用了提高或者降低產品硫化時的膠料硫化壓力來調整產品的靜剛度。

6 結語

雖然風電機組所受風況復雜，不能簡單的根據理論計算來完全確定其最終剛度及其他性能參數，但可以通過以上設計方法，在明確機組分類標準、傳動方式以及基本運行參數的條件下，按照機組運行工況載荷，初步設計確定發電機彈性減振支撐的剛度值。此設計剛度也只需在后期運行中進行微調，不影響其在發電機系統中的真實可用。

參考文獻

[1] TB/T 2843-2007.機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件[S].