并網(wǎng)型風(fēng)電機組發(fā)電機用彈性減振支撐剛度設(shè)計淺談

任偉偉

摘 要：該文主要探討風(fēng)電機組發(fā)電機用彈性減振支撐的剛度設(shè)計，首先確定發(fā)電機的轉(zhuǎn)速范圍，選取合適的轉(zhuǎn)頻區(qū)間，計算對應(yīng)的剛度范圍，在盡量避免共振和較大振幅的前提下，所設(shè)計的產(chǎn)品垂向剛度應(yīng)滿足機組的動載、靜載及安全性等要求，通過產(chǎn)品加載試驗校核其名義剛度值。作為傳動系統(tǒng)中的減振元件，不可避免的承受著各種復(fù)雜工況甚至沖擊載荷的影響，為達到更好的使用效果，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品試運行及后期的工作狀況調(diào)整支撐的結(jié)構(gòu)與各項性能參數(shù)，以便更好的實現(xiàn)發(fā)電機系統(tǒng)的減振降噪。

關(guān)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(fā)電機轉(zhuǎn)頻范圍

以某兆瓦機組為例，該發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速范圍330～1330rpm，對應(yīng)一階轉(zhuǎn)頻范圍5.5～22.2Hz，原則上，為避免發(fā)電機及支撐系統(tǒng)在工作狀態(tài)發(fā)生共振，彈性支撐設(shè)計剛度對應(yīng)的發(fā)電機系統(tǒng)固有頻率就不應(yīng)出現(xiàn)在發(fā)電機的一階轉(zhuǎn)頻范圍內(nèi)，但在設(shè)計時不可能完全避開如此寬的轉(zhuǎn)頻范圍，而是選取靠近發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速附近的一部分轉(zhuǎn)頻區(qū)間，如額定轉(zhuǎn)速1 200rpm，該轉(zhuǎn)速的0.8～1.2倍即960～1 440rpm，對應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)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(fā)電機彈性減振支撐的剛度

根據(jù)固有頻率公式（式中 K′為4個發(fā)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(fā)電機質(zhì)量，單位kg），確定上述轉(zhuǎn)頻范圍對應(yīng)的動剛度K′值的范圍。

該發(fā)電機質(zhì)量為8 000kg，依次將轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)速時，彈性支撐能起到很好的減振效果，但在低轉(zhuǎn)速時，可能會引起較大振幅的振動，對傳動鏈系統(tǒng)可能產(chǎn)生破壞。

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

3 計算驗證設(shè)計剛度值在極限及疲勞載荷下的應(yīng)變

根據(jù)極限載荷譜，選取垂向極限載荷，計算對應(yīng)剛度的形變及應(yīng)變值。

根據(jù)疲勞載荷譜，選取合適的沃勒系數(shù)，計算疲勞載荷下的形變及應(yīng)變值。

4 彈性減振支撐樣件生產(chǎn)、性能試驗

按照設(shè)計圖紙及剛度等要求，進行產(chǎn)品的樣件加工生產(chǎn)。

4.1 靜態(tài)性能試驗

4.1.1 溫度

產(chǎn)品試驗溫度應(yīng)在（23±2）℃的室內(nèi)進行。

4.1.2 載荷與形變

試驗設(shè)備應(yīng)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(xù)記錄載荷—形變關(guān)系曲線。試驗載荷應(yīng)在試驗設(shè)備量程范圍20%-100%以內(nèi)。

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(xù)重復(fù)上述過程兩次，第三次正式記錄載荷—形變曲線和數(shù)據(jù)。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(xù)重復(fù)上述過程兩次，第三次正式記錄載荷—形變曲線和數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)；指定變形時，則選取圖2b中數(shù)據(jù)。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(tài)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(jù)其載荷振幅、變形振幅和周期等計算動剛度及其它參數(shù)。根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)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(xué)性能試驗方法可參考TB/T 2843的規(guī)定執(zhí)行。

5 運行后調(diào)整

通過產(chǎn)品的樣機試運行，若發(fā)電機振動正常，則判斷該剛度值適合。若出現(xiàn)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(fā)電機底座結(jié)構(gòu)剛度不足導(dǎo)致的振動；（4）發(fā)電機動平衡不好；（5）發(fā)電機三相電流不平衡等），則需要查找異常原因并消除，調(diào)整支撐的剛度再次驗證，直到正常。

在支撐結(jié)構(gòu)及尺寸不變的情況下，產(chǎn)品剛度的調(diào)整一般是通過控制膠料硬度實現(xiàn)的，這是國內(nèi)減振橡膠行業(yè)的普遍做法，而在國外已經(jīng)采用了提高或者降低產(chǎn)品硫化時的膠料硫化壓力來調(diào)整產(chǎn)品的靜剛度。

6 結(jié)語

雖然風(fēng)電機組所受風(fēng)況復(fù)雜，不能簡單的根據(jù)理論計算來完全確定其最終剛度及其他性能參數(shù)，但可以通過以上設(shè)計方法，在明確機組分類標準、傳動方式以及基本運行參數(shù)的條件下，按照機組運行工況載荷，初步設(shè)計確定發(fā)電機彈性減振支撐的剛度值。此設(shè)計剛度也只需在后期運行中進行微調(diào)，不影響其在發(fā)電機系統(tǒng)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(shù)條件[S].