風(fēng)電機組彈性支撐與發(fā)電機耦合的振動特性研究

孫振軍， 蔡小雙， 龍亞文

上海電氣風(fēng)電集團有限公司 上海 200241

1 課題背景

雙饋異步發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電機組常用的電機，由于發(fā)電機安裝底架多采用懸臂機架，無法實現(xiàn)剛性基礎(chǔ)安裝，因此大部分風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機采用橡膠彈性支撐作為柔性基礎(chǔ)。

發(fā)電機出廠試驗在剛性支撐下從啟動至額定轉(zhuǎn)速的振動值均遠低于國標(biāo)GB 10068—2008《軸中心高為56mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值》[1]，具有良好的振動特性。但在實際運行中，電機的軸承振動經(jīng)常超過德國工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)VDI 3834-1： 2009《陸上帶齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機組及其組件機械振動測量與評估》[2]中規(guī)定的發(fā)電機可連續(xù)運行時的振動強度。經(jīng)過風(fēng)場實地測試，發(fā)現(xiàn)在1200r/min和1500r/min轉(zhuǎn)速附近發(fā)電機軸承端的振動超標(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)電機設(shè)計為剛性轉(zhuǎn)子，一階臨界轉(zhuǎn)速達 2500r/min 以上，遠高于發(fā)電機最大工作轉(zhuǎn)速，且聯(lián)機后才顯現(xiàn)發(fā)電機振動。經(jīng)確認(rèn)此振動與機艙底架結(jié)構(gòu)、軸系對中精度、發(fā)電機柔性支撐系統(tǒng)等諸多因素相關(guān)。

筆者首先采用有限元分析方法對發(fā)電機進行模態(tài)分析，對比不同基礎(chǔ)形式和不同剛度的彈性支撐對發(fā)電機固有頻率的影響，分析查找影響發(fā)電機振動的主要原因。然后通過對比測試，論證發(fā)電機振動的原因，以及發(fā)電機柔性支撐的設(shè)計方法。

2 動力特性模擬分析

2.1 模態(tài)分析

采用有限元分析方法對發(fā)電機進行模態(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)電機振動的主要原因。

應(yīng)用ANSYS軟件對由發(fā)電機和彈性支承組成的系統(tǒng)進行模態(tài)分析[3-4]。該系統(tǒng)主要由機座、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。對發(fā)電機網(wǎng)格劃分采用Hypermesh軟件，使用四面體單元自動劃分網(wǎng)格，單元類型為Solid185一階單元。將水套冷電機的4個彈性支撐簡化為彈簧，施加X、Y、Z3個方向上的剛度來模擬支撐作用。彈性支撐采用Matrix27單元模擬，為三維彈簧單元，能同時施加3個方向的剛度。位移約束為彈性支撐底座固定約束。

圖1 發(fā)電機三維模型

圖2 發(fā)電機網(wǎng)格劃分

為分析彈性支撐對發(fā)電機模態(tài)的影響，分別計算自由狀態(tài)、剛性基礎(chǔ)約束狀態(tài)和彈性支撐約束狀態(tài)下發(fā)電機的模態(tài)。發(fā)電機彈性支撐采用實際支撐剛度，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，計算結(jié)果見表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)電機本身的固有頻率避開了工作轉(zhuǎn)速，采用彈性支撐后整機模態(tài)頻率會處于工作轉(zhuǎn)速段內(nèi)。對比固有頻率的變化，當(dāng)考慮發(fā)電機彈性支撐建立柔性基礎(chǔ)系統(tǒng)模型時，彈性支撐模型增加了6個自由度，于是在求解模態(tài)時出現(xiàn)了6個新階次的固有模態(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

為進一步認(rèn)識彈性支撐與發(fā)電機的耦合作用，進行系統(tǒng)固有模態(tài)對彈性支撐剛度的敏感性分析。分別取不同剛度的彈性支撐，計算發(fā)電機的各階固有頻率，見表4和圖3。

表4 不同剛度彈性支撐下發(fā)電機的各階固有頻率

圖3 不同剛度彈性支撐下發(fā)電機的各階固有頻率

隨著彈性支撐剛度增加，發(fā)電機前八階模態(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)電機質(zhì)心模型和彈性支撐的簡化計算

從有限元分析結(jié)果可知，彈性支撐對發(fā)電機的振動有6個自由度的影響。將發(fā)電機簡化成質(zhì)點模型，進一步分析彈性支撐對發(fā)電機固有頻率的影響。

無阻尼自由振動系統(tǒng)的運動方程為[6]：

(1)

假設(shè)方程解為：

{x}={X}sin[(ωt)+α]

(2)

式中：X為振動幅值；ω為固有頻率；α為初相位；t為時間。

將式(2)代入式(1)，得：

[K]-ω2[M]{X}={0}

(3)

通過式(3)可求得各階固有頻率。

采用ANSYS軟件進行簡化模型建模，以發(fā)電機質(zhì)心為坐標(biāo)原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，軸向為Z軸。彈性支撐簡化為3個方向的彈簧剛度，豎直剛度為12kN/mm，水平和軸向剛度為13.2kN/mm，同時考慮彈性支撐的安裝位置，進行仿真建模。

求得簡化模型發(fā)電機的固有頻率為：

將發(fā)電機簡化模型的固有頻率與表3中固有頻率進行對比，易知簡化模型計算的固有頻率是引起發(fā)電機振動的主要原因。由于發(fā)電機耦合作用的影響，復(fù)雜模型的固有頻率比簡化模型的固有頻率明顯升高。

4 驗證測試

4.1 發(fā)電機剛性基礎(chǔ)振動測試

為驗證發(fā)電機本身的振動，按照GB 10068—2008中的規(guī)定將發(fā)電機安裝在剛性支撐上進行測試，電機升速全程無明顯共振峰值，振動最大值小于1.5mm/s，屬于GB 10068—2008中的振動等級B級，滿足設(shè)計要求，如圖4所示。

圖4 電動機方式空載振動測試結(jié)果

4.2 發(fā)電機單機彈性基礎(chǔ)振動測試

為進一步確定振動原因，在試驗臺上模擬風(fēng)電機組安裝方式，將電機通過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)電機彈性基礎(chǔ)測試

空載升速過程中出現(xiàn)振動峰值，電機轉(zhuǎn)速為 1250r/min 時，豎直振動值為1.6mm/s；轉(zhuǎn)速為 1530r/min 時，水平振動值為3.75mm/s。因為不含軸系對中和機架的影響，單機振幅有所降低。之后直接斷電，電機惰轉(zhuǎn)振動曲線與升速過程對稱，如圖6所示。

4.3 發(fā)電機聯(lián)機運行中振動測試

在風(fēng)力發(fā)電機組上對發(fā)電機聯(lián)機，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，對發(fā)電機軸承端振動進行測試，如圖7所示。

圖6 發(fā)電機彈性基礎(chǔ)測試

圖7 發(fā)電機聯(lián)機運行第一次振動測試結(jié)果

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

圖8 發(fā)電機聯(lián)機運行第二次振動測試結(jié)果

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

5 測試和仿真結(jié)果分析和說明

由發(fā)電機剛性基礎(chǔ)振動測試得知，發(fā)電機本體設(shè)計在工作轉(zhuǎn)速區(qū)間980～1850r/min沒有共振，且滿足發(fā)電機的振動設(shè)計要求，發(fā)電機的自由模態(tài)分析和剛性基礎(chǔ)約束模態(tài)分析的結(jié)果與測試相符。發(fā)電機彈性支撐振動測試在彈性支撐剛度為12kN /mm 與13.2kN /mm時振動值超過標(biāo)準(zhǔn)值，不滿足風(fēng)力發(fā)電機組長期運行的電機振動要求，并且在振動分析時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速為1200r/min和1500r/min 時產(chǎn)生較大的峰值。對發(fā)電機振動分析顯示[7-8]，在15.9Hz、 23.5Hz和24Hz(對應(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，說明該振動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)果和測試結(jié)果存在3Hz 的誤差，主要原因是有限元分析時彈性支撐的剛度采用的是彈性支撐靜態(tài)測試剛度，而在實際運行中彈性支撐動態(tài)剛度是靜態(tài)剛度的1.3倍左右，彈性支撐實際剛度在設(shè)計支撐剛度1±(20%～25%)范圍之間。

分析表4中不同剛度彈性支撐下發(fā)電機的各階固有頻率，發(fā)現(xiàn)3個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)都避開發(fā)電機的工作轉(zhuǎn)速。彈性支撐設(shè)計時，可通過有限元仿真分析并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)來確定產(chǎn)品所使用橡膠的性能[9-10]。在彈性支撐的制作過程中，為保證一定的強度，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 進行設(shè)計。從圖8測試結(jié)果看，安裝改型彈性支撐的發(fā)電機所有方向的振動值滿足標(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時發(fā)電機的第八階振動基本吻合，主要振動型式為發(fā)電機繞Z軸轉(zhuǎn)動。

表2和發(fā)電機簡化模型固有頻率的計算結(jié)果對比分析，驗證了彈性支撐是引起發(fā)電機振動主要原因的觀點。與此同時，由于受到發(fā)電機耦合的影響，采用發(fā)電機簡化模型計算的固有頻率比實際頻率要低，不能很好滿足發(fā)電機的振動要求，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)電機自由模態(tài)和約束模態(tài)。發(fā)電機設(shè)計時自由模態(tài)的固有頻率應(yīng)遠離對應(yīng)的發(fā)電機工作轉(zhuǎn)速。

(2) 當(dāng)發(fā)電機的自由模態(tài)頻率遠離對應(yīng)工作轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機的彈性支撐對發(fā)電機的振動起到主要作用。彈性支撐仿真模型至少應(yīng)該考慮6個自由度的固有頻率。

(3) 彈性支撐的6個自由度固有頻率應(yīng)避免處在對應(yīng)的發(fā)電機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以免出現(xiàn)共振。但是風(fēng)力發(fā)電機組常用的雙饋異步發(fā)電機由于工作范圍寬，在彈性支撐設(shè)計選型時考慮彈性支撐疲勞和極限強度等，要避免所有共振存在的難度較大。因此，進行彈性支撐設(shè)計選型時，應(yīng)將共振頻率控制在發(fā)電機較低的功率轉(zhuǎn)速區(qū)間，或者抑制共振峰的振動峰值，此時應(yīng)通過聯(lián)機試驗確認(rèn)所采用的彈性支撐是否滿足發(fā)電機振動要求。

(4) 通過有限元仿真分析和試驗驗證，采用有限元軟件ANSYS建立發(fā)電機仿真模型對發(fā)電機彈性支撐進行選型設(shè)計是較為準(zhǔn)確的方法，也是分析發(fā)電機振動的有效手段。

[1] 軸中心高為56mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值： 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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