并网型风电机组发电机用弹性减振支撑刚度设计浅谈

任伟伟

摘 要：该文主要探讨风电机组发电机用弹性减振支撑的刚度设计，首先确定发电机的转速范围，选取合适的转频区间，计算对应的刚度范围，在尽量避免共振和较大振幅的前提下，所设计的产品垂向刚度应满足机组的动载、静载及安全性等要求，通过产品加载试验校核其名义刚度值。作为传动系统中的减振元件，不可避免的承受着各种复杂工况甚至冲击载荷的影响，为达到更好的使用效果，应根据产品试运行及后期的工作状况调整支撑的结构与各项性能参数，以便更好的实现发电机系统的减振降噪。

关键词：弹性支撑 刚度 频率

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0041-01

1 确定发电机转频范围

以某兆瓦机组为例，该发电机额定转速范围330～1330rpm，对应一阶转频范围5.5～22.2Hz，原则上，为避免发电机及支撑系统在工作状态发生共振，弹性支撑设计刚度对应的发电机系统固有频率就不应出现在发电机的一阶转频范围内，但在设计时不可能完全避開如此宽的转频范围，而是选取靠近发电机额定转速附近的一部分转频区间，如额定转速1 200rpm，该转速的0.8～1.2倍即960～1 440rpm，对应的发电机转频范围是16～24Hz，以此范围确定弹性支撑的刚度值。

2 初步确定发电机弹性减振支撑的刚度

根据固有频率公式（式中 K′为4个发电机弹性支撑的动刚度，动刚度为静刚度的1.3倍，单位N/m，M为发电机质量，单位kg），确定上述转频范围对应的动刚度K′值的范围。

该发电机质量为8 000kg，依次将转频16Hz与24Hz代入上式，计算得K′值分别为80.8kN/mm与181.7kN/mm，所以对应的支撑静刚度K范围为15.5～34.9kN/mm。

由此，可以进行两种支撑垂向刚度的选择。

（1）采用刚度值<15.5kN/mm，垂向刚度偏小，在高转速时，弹性支撑能起到很好的减振效果，但在低转速时，可能会引起较大振幅的振动，对传动链系统可能产生破坏。

（2）采用刚度值>34.9kN/mm，垂向刚度偏大，则在发电机整个工作转速范围之内，弹性支撑的减振效果都不是很好。

3 计算验证设计刚度值在极限及疲劳载荷下的应变

根据极限载荷谱，选取垂向极限载荷，计算对应刚度的形变及应变值。

根据疲劳载荷谱，选取合适的沃勒系数，计算疲劳载荷下的形变及应变值。

4 弹性减振支撑样件生产、性能试验

按照设计图纸及刚度等要求，进行产品的样件加工生产。

4.1 静态性能试验

4.1.1 温度

产品试验温度应在（23±2）℃的室内进行。

4.1.2 载荷与形变

试验设备应能够测量记录试验载荷与形变。采用以纵轴表示试验载荷，横轴表示形变的坐标系连续记录载荷—形变关系曲线。试验载荷应在试验设备量程范围20%-100%以内。

4.1.3 试验方法及静刚度计算

（1）加载方式：对试件加载从零开始直到试验载荷上限，然后快速卸载到零。连续重复上述过程两次，第三次正式记录载荷—形变曲线和数据。如图1所示。

计算载荷范围一般选取P1=3%P2。静刚度，即图中割线的斜率。

（2）加载卸载方式：对试件加载从零开始直到试验载荷上限，然后以同样速度卸载到零。连续重复上述过程两次，第三次正式记录载荷—形变曲线和数据。如图2所示。

静刚度，此载荷范围与加载方式相同。在指定载荷时，式中载荷与形变选取图2a中数据；指定变形时，则选取图2b中数据。在加减载荷时，可采取控制载荷或控制形变，大载荷小变形时宜用载荷控制，小载荷大变形宜用变形控制。

4.2 动态性能试验

对试件加载正弦波形的载荷或变形，记录其时域波形或载荷—变形曲线。根据其载荷振幅、变形振幅和周期等计算动刚度及其它参数。根据大量试验数据可得，橡胶减振元件的动刚度一般是静刚度的1.3～2.2倍。

其他力学性能试验方法可参考TB/T 2843的规定执行。

5 运行后调整

通过产品的样机试运行，若发电机振动正常，则判断该刚度值适合。若出现振动异常（异常原因：（1）支撑地脚螺栓或中心螺栓未紧固到位或松动；（2）塔架振动迭加；（3）发电机底座结构刚度不足导致的振动；（4）发电机动平衡不好；（5）发电机三相电流不平衡等），则需要查找异常原因并消除，调整支撑的刚度再次验证，直到正常。

在支撑结构及尺寸不变的情况下，产品刚度的调整一般是通过控制胶料硬度实现的，这是国内减振橡胶行业的普遍做法，而在国外已经采用了提高或者降低产品硫化时的胶料硫化压力来调整产品的静刚度。

6 结语

虽然风电机组所受风况复杂，不能简单的根据理论计算来完全确定其最终刚度及其他性能参数，但可以通过以上设计方法，在明确机组分类标准、传动方式以及基本运行参数的条件下，按照机组运行工况载荷，初步设计确定发电机弹性减振支撑的刚度值。此设计刚度也只需在后期运行中进行微调，不影响其在发电机系统中的真实可用。

参考文献

[1] TB/T 2843-2007.机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件[S].