黏彈阻尼器在高速抽水蓄能電機軸系支撐中的應用研究

劉 政，陳泓宇，王申貴，梁宇強

（1．東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；2．南方電網調峰調頻發電公司工程建設管理分公司，廣東省廣州市 510600）

0 引言

近年來，以大型抽水蓄能為代表的高轉速水電機組在中國蓬勃發展。這類電機由于額定容量較大（≥200MW）、轉速高（通?！?00r/min），其電機轉子及軸系的穩定性研究顯得尤為重要，直接關系著機組的運行效果及運行安全。

蓄能電機在運行過程中，轉動部件會受到徑向力的影響，其軸系的徑向支撐，是蓄能電機支撐中最重要的一環，影響著電機臨界轉速、基礎受力、運行振擺等關鍵指標。因此，對蓄能電機軸系徑向支撐方式的深入研究與選擇，是該類電機設計創新和優化的方向之一。

1 高速蓄能電機常用軸系徑向支撐方式

水輪發電機軸系的徑向支撐，包括導軸承、上下機架、連接部件等單元，將電機徑向力傳遞至基礎。水輪發電機軸系徑向支撐設計，主要有這幾種方式：

（1）純徑向支撐。這是一種輻射型結構的機架。由于機架熱膨脹作用，通常會在機架支臂與基礎之間設置彈簧板以保護基礎[1]。由于蓄能支撐剛度的較要求，熱膨脹時彈簧板對基礎的作用力仍然較大。為保護基礎，在支臂設置剪斷銷，然而如果剪斷銷自身斷裂也會帶來麻煩，影響機組的正常運行。

（2）純切向支撐。通常機坑壁混凝土能承受的切向力高于徑向力。通過一定的結構，如八卦型機架，將徑向力轉化為切向力，以保護基礎[2]。由于間隙的存在，這種支撐的支撐剛度偏低，對于高速蓄能機組，不利于進一步提高其振擺性能。

（3）斜元件全約束支撐。機架支臂傾斜，固定于基礎上，通過支臂的傾斜變形，釋放熱膨脹徑向力。這將影響到整個機組的支撐、連接系統，要求與之連接的其他部件也能通過變形適應機架的變化，比如機座、管路都要能適應變形位移的影響。

高速蓄能電機與傳統水輪發電機相比，其轉速高、工況轉換頻繁，決定了軸系徑向支撐受力也更加多變，支撐部件要求也更高。因此，面對高速蓄能機組越來越高的安全性、穩定性要求，尋找一種能消除以上支撐方式可能帶來不利、不便因素，且更加便捷、有效的支撐方式，變得越來越迫切。

2 黏彈阻尼器在高速抽水蓄能電機軸系支撐中的應用

2．1 黏彈阻尼器的應用場景

黏彈阻尼器最早是被用于軍事、航天等精密工業中，直到20世紀90年代才逐漸開始有學者研究其在工程領域中的應用[3]。

黏彈阻尼器主要是利用黏彈性材料的耗能滯回特性，達到加大結構阻尼、減小結構動力反應的效果。比如在老建筑的加固改造中，經常使用阻尼器，用以防止主體結構在地震作用下出現明顯的非彈性變形，快速地減小地震位移，保護結構免受迫害[4]。目前一般主要運用于大型建筑、橋梁等行業，起到耗能減振、提升抗震性能的作用。

研究發現，黏滯阻尼器本身的原理，與水電軸系支撐的要求比較契合。近年來水電行業也開始引入黏彈阻尼器。對于高速蓄能電機軸系徑向支撐而言，設計一種帶有黏滯阻尼器的支撐方式，可以克服以往支撐方式上的不利、不便因素，追求更加穩定的動力特性。

圖1為一種應用于某電站大容量高轉速抽水蓄能的單向黏彈阻尼器。這種阻尼器外形為一個柱體，一端底座與軸系支撐部件把合，另一端支撐于基礎上，屬于純徑向支撐系統的一種方式。

圖1 M電站大容量高速蓄能電機單向黏彈阻尼器Figure 1 Viscoelastic damper in pumped storage MG of M project

2．2 高速蓄能電機中黏彈阻尼器的設計策略

大型抽水蓄能電機的軸系徑向支撐，一方面由于其長鐵芯、高轉速特點，對提高軸系臨界轉速設計提出了挑戰[5、6]。而提高軸系臨界轉速，需要較高的支撐剛度；另一方面，由于其電機內部熱量傳導，導致支撐部件因溫度上升而徑向熱膨脹，對混凝土徑向受力也提出了要求。

因此這種大型電機，采用黏彈阻尼器作為其軸系徑向支撐，除了通常進行的阻尼減振研究外，還需要特別關注兩方面的需求：

（1）能否順暢地釋放熱膨脹力 —— 較小的靜態剛度。

（2）能否提供足夠的動態支撐 —— 較高的動態剛度。

阻尼器的參數設計，首先需滿足這兩方面的需要[7、8]。以下將圍繞這兩方面對黏彈阻尼器進行展開分析。

2.2.1 靜態剛度設計

這種阻尼器擁有動態與靜態兩種支撐剛度。相當于兩種剛度的彈性裝置并聯。當以緩慢的速度施壓阻尼器時，其表現為較小的靜態剛度ks，其模型示意如圖2所示。此時上側的彈性裝置在起作用。

圖2 緩慢施壓時的黏彈阻尼器模型示意圖Figure 2 Model of the viscoelastic damper with low speed

受力Fs可表達為：

式中：F0——預緊力；

Ks——靜態剛度；

Δx——位移量。

蓄能電機軸系支撐部件熱膨脹時，正是靜態剛度ks在起作用。對基礎的熱膨脹力主要表現為ks·Δx，最終將由基礎混凝土承受。在其他徑向支撐結構中，基礎可能需要承受800～1500kN熱膨脹力。如果將產生的熱膨脹力控制在200kN以內，將對高速蓄能產品產生顯著的意義。因此，需結合支撐部件尺寸、溫度變化綜合考慮設計黏彈阻尼器靜態剛度參數。

以某蓄能電站為例，其緩慢熱膨脹時，阻尼器靜態剛度ks=90kN/mm。

軸系支撐徑向支臂長度：L=4.3m；冷熱時溫度差最大：Δt≈20℃。按每米每度0.01mm膨脹量計算，支臂因溫升產生的伸長量為：

因此支架熱膨脹額外帶來的基礎受力為：

對比其他徑向支撐結構，基礎所受熱膨脹力得到了顯著的降低。

2.2.2 動態剛度設計

當以較快的速度施壓阻尼器時，其表現為較大的動態剛度kd，其模型示意如圖3所示。受力Fd受到速度影響，此時上、下側的彈性裝置都在起作用。由于下側裝置的剛度遠高于上側，因此整體剛度接近于模型下側裝置。

圖3 快速施壓時的黏彈阻尼器模型示意圖Figure 3 Model of the viscoelastic damper with high speed

受力Fd可近似表達為：

式中：F0——預緊力；

ks——靜態剛度；

C——系數；

V——速度因子；

ε——設計系數。

快速施壓情況下，式（2）比式（1）多一項速度因子。通過黏彈性介質以及孔縮效應的設計[3]，使得kd?ks，以達到一定速度下的所需剛度。

蓄能機組的實際支撐總剛度，由油膜koil、支架kbra、阻尼器組合kdc、基礎kcon等剛度組成?？傮w剛度kali為：

如果總剛度Kall組成部分的任何一個剛度因子太小，則無論其他剛度多高，都將顯著影響最終總剛度。其中油膜Koil、支架Kbra由主機結構設計確定，基礎Kcon由設計院確定，Kdc的選擇，應結合這些剛度值與臨界轉速對總剛度要求，進行設計。

如某蓄能機組，飛逸時Koil=9×106N/mm；Kbra=10×106N/mm。

Kcon=6×106N/mm；總剛度要求Kall=1.8×106N/mm，則：

即：Kdc=5.6×106N/mm

此處Kdc由多個阻尼器組合而成，根據具體結構和分布，單個阻尼器kd≥3×106N/mm即可滿足總剛度要求。

在高轉速蓄能中，為保證軸系臨界轉速要求，單個阻尼器kd一般性取值在2.0～4.5×106N/mm范圍內。

2.2.3 提高支撐剛度的預緊策略

對于一些大容量高轉速蓄能電機而言，還需要進一步增加支撐剛度。

一方面可以繼續增加單個阻尼器kd，但受限于阻尼器的設計與成本；一方面也可以增加并聯阻尼器數量，但同樣受限于空間與成本。是否有其他方案，可以在盡量減少設計成本、減少空間布局的同時也能達到增加總支撐剛度的效果？

由于以上所述阻尼器結構型式為受壓、單向提供支反力。蓄能電機黏彈支撐模型示意圖如圖4所示（取其中對稱的兩條支臂，并單獨研究黏彈阻尼器）：

圖4 蓄能黏彈阻尼器模型示意圖Figure 4 Model of the viscoelastic damper support in MG

假設阻尼器靜止時處于自由狀態。當施加一個徑向向左的動態力Fd時，左邊阻尼器被壓縮Δx，而右邊處于脫離狀態，如圖5所示。

圖5 徑向力影響下的蓄能黏彈阻尼器模型示意圖Figure 5 Model of the viscoelastic damper support in MG with radial force

此時，Fd=kd·Δx。系統的徑向剛度為一個阻尼器的剛度kd。

根據前文所述，高速抽水蓄能機組對于支撐剛度要求較高，因此，進一步增加支撐系統的整體剛度有現實的意義。分析表明，可采用施加預緊力F0的方法提高整體剛度，如圖6所示。

圖6 預緊的蓄能黏彈阻尼器模型示意圖Figure 6 Model of the preloaded viscoelastic damper support in MG

在徑向力Fd作用下：

當徑向力不超過預緊力時，系統徑向剛度為：2kd。

根據高速蓄能機組實際受力情況，該預緊力F0推薦取值200～400kN。

由于預緊力的存在，實現了剛度的進一步提升。同時也為基礎混凝土帶來了額外的200～400kN初始力，以當前基礎的剛強度完全可以承受該附加力。

如果想在此基礎上，再進一步削弱對基礎的力，則需要在黏彈阻尼器的結構型式上進行進一步的探索。

2.2.4 新型雙向黏彈阻尼器展望

如果阻尼器可雙向提供支反力與拉力，則可以不通過預緊來實現支撐剛度的進一步提升。如圖7所示，無預緊，在徑向力Fd作用下，移動Δx，左側阻尼器提供支反力Fdy，右側阻尼器提供拉力Fdl。

圖7 蓄能雙向黏彈阻尼器模型示意圖Figure 7 Model of the two-way viscoelastic damper support in MG

列出受力平衡方程：

同樣，也實現了系統徑向剛度為2kd的提升。并且理論上可以無需預緊。

從結構實現的層面上而言，這種阻尼器的難度在于，由于一端固定于軸系機架，一端固定于基礎上，因此中間需要設計有一定角度自由度且可耐受軸系力的可靠的機械結構。目前這種雙向阻尼器已經進行了初步設計，并在某小型高速常規水電機組試用。

一般來說，基礎可耐受的拉力比可耐受的壓力要小。如果徑向拉力較大，為了調配拉力與壓力的比例，也需要根據混凝土設計，實施一定量的預緊。

2．3 黏彈阻尼器真機應用效果

在額定發電容量300MW、額定轉速375r/min、額定電壓18kV的某蓄能項目1號機使用單向黏彈阻尼器。應用效果如表1所示：

表1 M蓄能項目黏彈阻尼器應用效果Table 1 The effect of using viscoelastic damper in M project

該蓄能電機優秀的振擺數據和較小的基礎受力表明黏彈阻尼器在實際高速蓄能電機中有較高的應用價值。

3 結束語

黏彈阻尼器應用于高速蓄能機組可同時起到降低基礎受力、提供較好剛度的作用，還能在一定程度上降低振動。本文采用從高速蓄能機組軸系支撐的特點，以及黏彈阻尼器的特征入手，分析了黏彈阻尼器在蓄能工程中的應用及其注意事項，并對其靜態剛度、動態剛度進行了設計剖析，提出了進一步增加動態剛度的可取方案，并展望了新型雙向阻尼器的應用。