彈性支撐對風力發電機振型影響的仿真分析研究

趙震，譚亮，梁雙全，黃奕

(江蘇中車電機有限公司，江蘇 大豐 224100)

0 引言

國內外風電市場經過前幾年的迅速發展，目前進入穩步發展階段，但是隨著風力發電機市場的發展，也出現了很多意想不到的問題。其中風力發電機作為發電機機組的主要旋轉部件，其運行的穩定性直接影響著整個機組的性能。發電機運行振動大是一種常見的故障，已經成為影響風力發電機機組整體性能的重要因素。振動過大不僅影響到發電機本身部件的結構穩定性、可靠性、疲勞強度等，也會影響發電機機組主要部件的運行可靠性、穩定性及疲勞等問題[1]。

雙饋風力發電機作為一種廣泛應用的旋轉發電機應用于風力發電領域[2]，如果在設計初期不能對發電機每個部件及整體結構進行模態仿真分析，并選擇合適的彈性支撐，一旦裝機后出現發電機振動大，就可能導致零部件損壞、電動機掃膛、主軸彎曲及斷裂等問題，直接影響到風力發電機安全運行等問題。因此對雙饋風力發電機在設計初期進行模態仿真分析，避免發電機運行時出現振動方面的問題尤為重要[3]。

發電機振動評價不僅在電動機行業也在風力發電行業作為評價一個電動機能不能可靠運行的重要指標[4]，目前國內外對發電機振動問題也做了很多研究，而在彈性支撐選擇對發電機振動影響方面研究的還是比較少的。本文以某款雙饋風力發電機為原型，對其在兩種剛度彈性支撐下進行模態仿真分析，對比彈性支撐剛度對發電機振動頻率的影響，進而尋找更有效的減少發電機振動的措施。

1 建立發電機有限元仿真模型[5-7]

用三維軟件建立實體三維模型，在有限元仿真分析軟件中對三維模型進行網格劃分和材料屬性添加。實體三維模型如圖1所示。

圖1 某雙饋實體三維模型

雙饋風力發電機主要部件材料屬性如表1所示。

表1 分析采用的材料力學參數

2 模態仿真分析[8-10]

對發電機進行模態仿真分析，首先對發電機主要部件進行固有頻率仿真分析，其次對發電機在使用剛度為10kN/mm的彈性支撐下進行模態分析，最后對發電機在使用剛度為12kN/mm的彈性支撐下進行模態分析。模態分析時軸承剛度輸入條件如表2所示。

表2 軸承剛度 (N/mm)

2.1 發電機固有頻率仿真分析

對發電機整體進行模態仿真分析，前9階固有頻率如表3所示，前9階固有頻率振型如圖2所示。

表3 發電機整體的固有頻率

圖2 前9階固有頻率振型

2.2 彈性支撐剛度為10 kN/mm時模態分析

對發電機整體在安裝彈性支撐為10kN/mm的彈性支撐時進行模態仿真分析，彈性支撐主要參數如表4和表5所示，前9階振動頻率如表6所示，其中前9階靜態剛度時振型如圖3所示(由于前9階振型一致只是頻率不一致，動態剛度振型圖在此省略)。

表4 彈性支撐為10 kN/mm靜態剛度 (N/mm)

表5 彈性支撐為10 kN/mm動態剛度 (N/mm)

表6 彈性支撐為10 kN/mm時的振動頻率 Hz

圖3 彈性支撐為10 kN/mm靜態剛度前9階振型

2.3 彈性支撐剛度為12 kN/mm時模態分析

對發電機整體在安裝彈性支撐為12kN/mm的彈性支撐時進行模態仿真分析，彈性支撐主要參數如表7和表8所示，前9階振動頻率如表9所示，其中前9階靜態剛度時振型如圖4所示(由于前9階振型一致只是頻率不一致，動態剛度振型圖在此省略)。

表7 彈性支撐12 kN/mm靜態剛度 (N/mm)

表8 彈性支撐12 kN/mm動態剛度 (N/mm)

表9 彈性支撐12 kN/mm時的振型頻率 Hz

圖4 彈性支撐為12kN/mm靜態剛度前9階振型

3 結語

1) 發電機在自由狀態下，發電機的第一階頻率比較高，發電機振型主要是局部的振動；在使用不同剛度彈性支撐后，發電機振型及頻率發生了一定的變化。從第一階頻率可以看出來，隨著彈性支撐的剛度增加，第一階的振動頻率也在增加；從振型來看，前幾階主要是發電機的整體振動，這種變化雖然不大，但是已經可以看出不同剛度彈性支撐對發電機振型和頻率有一定影響。

2) 在沒有使用彈性支撐的圖2振型中可以看出來，振型都是局部振動。在使用彈性支撐后，從圖3和圖4中可以看出前7階主要是發電機的整體振動，7階以后才出現發電機結構的局部振動，這種變化主要是選擇的彈性支撐剛度引起的。

3) 在使用彈性支撐后，7階以后的振動出現主要是發電機結構設計引起的局部振動，要想消除7階以后的振動，只能對發電機結構件進行優化設計，防止出現共振現象。