風(fēng)電機(jī)組彈性支撐與發(fā)電機(jī)耦合的振動(dòng)特性研究

孫振軍， 蔡小雙， 龍亞文

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司 上海 200241

1 課題背景

雙饋異步發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常用的電機(jī)，由于發(fā)電機(jī)安裝底架多采用懸臂機(jī)架，無(wú)法實(shí)現(xiàn)剛性基礎(chǔ)安裝，因此大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)采用橡膠彈性支撐作為柔性基礎(chǔ)。

發(fā)電機(jī)出廠試驗(yàn)在剛性支撐下從啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速的振動(dòng)值均遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)GB 10068—2008《軸中心高為56mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值》[1]，具有良好的振動(dòng)特性。但在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)的軸承振動(dòng)經(jīng)常超過(guò)德國(guó)工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)VDI 3834-1： 2009《陸上帶齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其組件機(jī)械振動(dòng)測(cè)量與評(píng)估》[2]中規(guī)定的發(fā)電機(jī)可連續(xù)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)風(fēng)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在1200r/min和1500r/min轉(zhuǎn)速附近發(fā)電機(jī)軸承端的振動(dòng)超標(biāo)，甚至嚴(yán)重超標(biāo)，初步分析可能是由于共振造成的。

該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為剛性轉(zhuǎn)子，一階臨界轉(zhuǎn)速達(dá) 2500r/min 以上，遠(yuǎn)高于發(fā)電機(jī)最大工作轉(zhuǎn)速，且聯(lián)機(jī)后才顯現(xiàn)發(fā)電機(jī)振動(dòng)。經(jīng)確認(rèn)此振動(dòng)與機(jī)艙底架結(jié)構(gòu)、軸系對(duì)中精度、發(fā)電機(jī)柔性支撐系統(tǒng)等諸多因素相關(guān)。

筆者首先采用有限元分析方法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)比不同基礎(chǔ)形式和不同剛度的彈性支撐對(duì)發(fā)電機(jī)固有頻率的影響，分析查找影響發(fā)電機(jī)振動(dòng)的主要原因。然后通過(guò)對(duì)比測(cè)試，論證發(fā)電機(jī)振動(dòng)的原因，以及發(fā)電機(jī)柔性支撐的設(shè)計(jì)方法。

2 動(dòng)力特性模擬分析

2.1 模態(tài)分析

采用有限元分析方法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，約束方式分別為自由狀態(tài)、剛性基礎(chǔ)約束和彈性支撐約束，分析影響發(fā)電機(jī)振動(dòng)的主要原因。

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)由發(fā)電機(jī)和彈性支承組成的系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析[3-4]。該系統(tǒng)主要由機(jī)座、定子嵌線、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、刷架和彈性支撐組成，系統(tǒng)的三維模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。對(duì)發(fā)電機(jī)網(wǎng)格劃分采用Hypermesh軟件，使用四面體單元自動(dòng)劃分網(wǎng)格，單元類(lèi)型為Solid185一階單元。將水套冷電機(jī)的4個(gè)彈性支撐簡(jiǎn)化為彈簧，施加X(jué)、Y、Z3個(gè)方向上的剛度來(lái)模擬支撐作用。彈性支撐采用Matrix27單元模擬，為三維彈簧單元，能同時(shí)施加3個(gè)方向的剛度。位移約束為彈性支撐底座固定約束。

圖1 發(fā)電機(jī)三維模型

圖2 發(fā)電機(jī)網(wǎng)格劃分

為分析彈性支撐對(duì)發(fā)電機(jī)模態(tài)的影響，分別計(jì)算自由狀態(tài)、剛性基礎(chǔ)約束狀態(tài)和彈性支撐約束狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的模態(tài)。發(fā)電機(jī)彈性支撐采用實(shí)際支撐剛度，豎直(Y軸方向)剛度為12kN/mm，水平(X軸方向)和軸向(Z軸方向)剛度為13.2kN/mm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3。

表1 自由模態(tài)固有頻率和振型

表2 剛性基礎(chǔ)約束模態(tài)固有頻率和振型

表3 彈性支撐約束模態(tài)固有頻率和振型

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在980～1850r/min之間，分析自由模態(tài)和剛性基礎(chǔ)約束模態(tài)得知，發(fā)電機(jī)本身的固有頻率避開(kāi)了工作轉(zhuǎn)速，采用彈性支撐后整機(jī)模態(tài)頻率會(huì)處于工作轉(zhuǎn)速段內(nèi)。對(duì)比固有頻率的變化，當(dāng)考慮發(fā)電機(jī)彈性支撐建立柔性基礎(chǔ)系統(tǒng)模型時(shí)，彈性支撐模型增加了6個(gè)自由度，于是在求解模態(tài)時(shí)出現(xiàn)了6個(gè)新階次的固有模態(tài)。由于彈性支撐作為柔性環(huán)節(jié)耦合到系統(tǒng)中，因此系統(tǒng)的部分模態(tài)也隨之受到一定程度的影響[5]。

2.2 彈性支撐參數(shù)敏感性分析

為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)彈性支撐與發(fā)電機(jī)的耦合作用，進(jìn)行系統(tǒng)固有模態(tài)對(duì)彈性支撐剛度的敏感性分析。分別取不同剛度的彈性支撐，計(jì)算發(fā)電機(jī)的各階固有頻率，見(jiàn)表4和圖3。

表4 不同剛度彈性支撐下發(fā)電機(jī)的各階固有頻率

圖3 不同剛度彈性支撐下發(fā)電機(jī)的各階固有頻率

隨著彈性支撐剛度增加，發(fā)電機(jī)前八階模態(tài)頻率也增加，其中受彈性支撐影響的三至八階模態(tài)頻率變化明顯，而發(fā)電機(jī)本身的模態(tài)頻率一、二階和九、十階模態(tài)頻率變化不是很明顯。

3 發(fā)電機(jī)質(zhì)心模型和彈性支撐的簡(jiǎn)化計(jì)算

從有限元分析結(jié)果可知，彈性支撐對(duì)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)有6個(gè)自由度的影響。將發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化成質(zhì)點(diǎn)模型，進(jìn)一步分析彈性支撐對(duì)發(fā)電機(jī)固有頻率的影響。

無(wú)阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為[6]：

(1)

假設(shè)方程解為：

{x}={X}sin[(ωt)+α]

(2)

式中：X為振動(dòng)幅值；ω為固有頻率；α為初相位；t為時(shí)間。

將式(2)代入式(1)，得：

[K]-ω2[M]{X}={0}

(3)

通過(guò)式(3)可求得各階固有頻率。

采用ANSYS軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化模型建模，以發(fā)電機(jī)質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，軸向?yàn)閆軸。彈性支撐簡(jiǎn)化為3個(gè)方向的彈簧剛度，豎直剛度為12kN/mm，水平和軸向剛度為13.2kN/mm，同時(shí)考慮彈性支撐的安裝位置，進(jìn)行仿真建模。

求得簡(jiǎn)化模型發(fā)電機(jī)的固有頻率為：

將發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化模型的固有頻率與表3中固有頻率進(jìn)行對(duì)比，易知簡(jiǎn)化模型計(jì)算的固有頻率是引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)的主要原因。由于發(fā)電機(jī)耦合作用的影響，復(fù)雜模型的固有頻率比簡(jiǎn)化模型的固有頻率明顯升高。

4 驗(yàn)證測(cè)試

4.1 發(fā)電機(jī)剛性基礎(chǔ)振動(dòng)測(cè)試

為驗(yàn)證發(fā)電機(jī)本身的振動(dòng)，按照GB 10068—2008中的規(guī)定將發(fā)電機(jī)安裝在剛性支撐上進(jìn)行測(cè)試，電機(jī)升速全程無(wú)明顯共振峰值，振動(dòng)最大值小于1.5mm/s，屬于GB 10068—2008中的振動(dòng)等級(jí)B級(jí)，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)方式空載振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

4.2 發(fā)電機(jī)單機(jī)彈性基礎(chǔ)振動(dòng)測(cè)試

為進(jìn)一步確定振動(dòng)原因，在試驗(yàn)臺(tái)上模擬風(fēng)電機(jī)組安裝方式，將電機(jī)通過(guò)彈性支撐安裝在鋼制底架上，彈性支撐底座與底架固定約束，如圖5所示。

圖5 發(fā)電機(jī)彈性基礎(chǔ)測(cè)試

空載升速過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)峰值，電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1250r/min 時(shí)，豎直振動(dòng)值為1.6mm/s；轉(zhuǎn)速為 1530r/min 時(shí)，水平振動(dòng)值為3.75mm/s。因?yàn)椴缓S系對(duì)中和機(jī)架的影響，單機(jī)振幅有所降低。之后直接斷電，電機(jī)惰轉(zhuǎn)振動(dòng)曲線與升速過(guò)程對(duì)稱(chēng)，如圖6所示。

4.3 發(fā)電機(jī)聯(lián)機(jī)運(yùn)行中振動(dòng)測(cè)試

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上對(duì)發(fā)電機(jī)聯(lián)機(jī)，采用彈性支撐安裝，豎直剛度為12kN/mm，水平和軸向剛度為13.2kN/mm，對(duì)發(fā)電機(jī)軸承端振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。

圖6 發(fā)電機(jī)彈性基礎(chǔ)測(cè)試

圖7 發(fā)電機(jī)聯(lián)機(jī)運(yùn)行第一次振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

更換不同剛度的彈性支撐并重新進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試。豎直剛度為5.2kN/mm，水平和軸向剛度為5.7kN/mm，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)聯(lián)機(jī)運(yùn)行第二次振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)VDI 3834-1： 2009標(biāo)準(zhǔn)，本次測(cè)試安裝彈性支撐剛度為5.2kN/mm與5.7kN/mm的發(fā)電機(jī)振動(dòng)峰值均小于6mm/s，屬于Ⅰ級(jí)，適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行；安裝彈性支撐剛度為12kN/mm與13.2kN/mm 的發(fā)電機(jī)振動(dòng)峰值大于6mm/s且小于10mm/s，屬于Ⅱ級(jí)，通常被視為不適合持久連續(xù)運(yùn)行，需綜合考慮設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件再確認(rèn)是否允許長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。

5 測(cè)試和仿真結(jié)果分析和說(shuō)明

由發(fā)電機(jī)剛性基礎(chǔ)振動(dòng)測(cè)試得知，發(fā)電機(jī)本體設(shè)計(jì)在工作轉(zhuǎn)速區(qū)間980～1850r/min沒(méi)有共振，且滿足發(fā)電機(jī)的振動(dòng)設(shè)計(jì)要求，發(fā)電機(jī)的自由模態(tài)分析和剛性基礎(chǔ)約束模態(tài)分析的結(jié)果與測(cè)試相符。發(fā)電機(jī)彈性支撐振動(dòng)測(cè)試在彈性支撐剛度為12kN /mm 與13.2kN /mm時(shí)振動(dòng)值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，不滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的電機(jī)振動(dòng)要求，并且在振動(dòng)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速為1200r/min和1500r/min 時(shí)產(chǎn)生較大的峰值。對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)分析顯示[7-8]，在15.9Hz、 23.5Hz和24Hz(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速954r/min、1410r/min 和1440r/min)產(chǎn)生峰值，并且振型與有限元仿真結(jié)果相符，說(shuō)明該振動(dòng)主要是受彈性支撐固有頻率影響導(dǎo)致的共振峰。固有頻率的有限元分析結(jié)果和測(cè)試結(jié)果存在3Hz 的誤差，主要原因是有限元分析時(shí)彈性支撐的剛度采用的是彈性支撐靜態(tài)測(cè)試剛度，而在實(shí)際運(yùn)行中彈性支撐動(dòng)態(tài)剛度是靜態(tài)剛度的1.3倍左右，彈性支撐實(shí)際剛度在設(shè)計(jì)支撐剛度1±(20%～25%)范圍之間。

分析表4中不同剛度彈性支撐下發(fā)電機(jī)的各階固有頻率，發(fā)現(xiàn)3個(gè)方向彈性支撐的剛度值越小越好，可以使彈性支撐引起的前六階模態(tài)都避開(kāi)發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。彈性支撐設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)有限元仿真分析并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定產(chǎn)品所使用橡膠的性能[9-10]。在彈性支撐的制作過(guò)程中，為保證一定的強(qiáng)度，且由于橡膠的性能限制需要保證一定的剛度，因此與彈性支撐廠家協(xié)商，按照靜態(tài)剛度 5.2kN/mm 與 5.7kN/mm 進(jìn)行設(shè)計(jì)。從圖8測(cè)試結(jié)果看，安裝改型彈性支撐的發(fā)電機(jī)所有方向的振動(dòng)值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是在1200r/min轉(zhuǎn)速附近仍有明顯的共振峰，與彈性支撐剛度參數(shù)為6kN/mm 與6.6kN /mm時(shí)發(fā)電機(jī)的第八階振動(dòng)基本吻合，主要振動(dòng)型式為發(fā)電機(jī)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

表2和發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化模型固有頻率的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了彈性支撐是引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)主要原因的觀點(diǎn)。與此同時(shí)，由于受到發(fā)電機(jī)耦合的影響，采用發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化模型計(jì)算的固有頻率比實(shí)際頻率要低，不能很好滿足發(fā)電機(jī)的振動(dòng)要求，只能起到一定的參考作用。

6 結(jié)論和建議

(1) 采用ANSYS有限元分析軟件可以比較準(zhǔn)確地分析發(fā)電機(jī)自由模態(tài)和約束模態(tài)。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)自由模態(tài)的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速。

(2) 當(dāng)發(fā)電機(jī)的自由模態(tài)頻率遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)工作轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)的彈性支撐對(duì)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)起到主要作用。彈性支撐仿真模型至少應(yīng)該考慮6個(gè)自由度的固有頻率。

(3) 彈性支撐的6個(gè)自由度固有頻率應(yīng)避免處在對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以免出現(xiàn)共振。但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常用的雙饋異步發(fā)電機(jī)由于工作范圍寬，在彈性支撐設(shè)計(jì)選型時(shí)考慮彈性支撐疲勞和極限強(qiáng)度等，要避免所有共振存在的難度較大。因此，進(jìn)行彈性支撐設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)將共振頻率控制在發(fā)電機(jī)較低的功率轉(zhuǎn)速區(qū)間，或者抑制共振峰的振動(dòng)峰值，此時(shí)應(yīng)通過(guò)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)確認(rèn)所采用的彈性支撐是否滿足發(fā)電機(jī)振動(dòng)要求。

(4) 通過(guò)有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，采用有限元軟件ANSYS建立發(fā)電機(jī)仿真模型對(duì)發(fā)電機(jī)彈性支撐進(jìn)行選型設(shè)計(jì)是較為準(zhǔn)確的方法，也是分析發(fā)電機(jī)振動(dòng)的有效手段。

[1] 軸中心高為56mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值： GB 10068—2008[S].

[2] Measurement and Evaluation of The Mechanical Vibration of Wind Energy Turbines and Their Components—Onshore Wind Energy Turbines With Gears： VDI 3834-1： 2009[S].

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