CN104657541B - 一种风电发电机弹性支撑的选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电发电机弹性支撑的选型方法，其步骤为：S1：弹性支撑的稳定性计算，求出满足要求的刚度参数Kz₁；S2：工作转速区间内的共振计算，求出满足避开共振区要求的刚度最大值Kz₂；S3：弹性支撑和发电机整体的减振效果仿真计算；找出满足要求的弹性支撑刚度最大值Kz₃、Ky₃、Kx₃；S4：选择发电机弹性支撑刚度参数，确定弹性支撑型号。本发明具有原理简单、易操作、效果好等优点。

Description

一种风电发电机弹性支撑的选型方法

技术领域

本发明主要涉及到风电设备领域，特指一种适用于风电设备中风电发电机弹性支撑的选型方法。

背景技术

风力发电机组中的发电机是把机械能转换为电能的关键部件，必须保证其在工作状态下运行平稳且无共振存在。发电机由于设计和结构方面的原因，转子都有一个质量偏心，在旋转运动过程中，由于质量偏心所产生的离心力的作用而产生振动。发电机的输入轴通过联轴器与齿轮箱高速输出轴相连，从而使发电机所获得的是一个高频激励载荷。如果发电机在运行过程中把高频振动传递给机架，将大大影响机架的疲劳强度及寿命。发电机弹性支撑的一个重要作用就是减弱从发电机传递到机架的高频振动。

目前，风力发电机组主要零部件的设计寿命一般为20年，国内风力发电机弹性支撑的制造厂商不多，主要关注的也是满足整机厂商提供的参数要求，对于减振效果的检测及评估大多缺乏必备的设备和检测手段。此外，国内主要整机厂商在原来技术引进的基础上进行了大量的国产化和降本减重工作，导致其系统参数可能发生了很大的改变，而对于发电机弹性支撑的刚度和阻尼参数要求可能还沿用原来的参数，导致零部件与系统不配套，稳定性和减振不满足整机要求，引起较大的振动甚至对系统造成破坏。

风力发电机组的发电机振动必须满足ISO 10816和VDI 3834的要求，而弹性支撑的选型是否正确直接影响其减振降噪效果。风电行业目前对发电机弹性支撑选型阶段所做的主要工作是计算发电机系统在工作转速范围内是否存在共振，没有对其减振降噪效果进行分析、计算和评估，也没有对其他典型频率如电网的一倍频和二倍频等频率下是否存在共振进行分析和计算。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易操作、效果好的风电发电机弹性支撑的选型方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种风电发电机弹性支撑的选型方法，其步骤为：

S1：弹性支撑的稳定性计算，求出满足要求的刚度参数Kz₁；

S2：工作转速区间内的共振计算，求出满足避开共振区要求的刚度最大值Kz₂；

S3：弹性支撑和发电机整体的减振效果仿真计算；找出满足要求的弹性支撑刚度最大值Kz₃、Ky₃、Kx₃；

S4：选择发电机弹性支撑刚度参数，确定弹性支撑型号。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S1的流程为：

计算极限应变ε_e：

计算极限应变ε_f：

m表示发电机弹性支撑所支撑的等效质量；T_max、T_r分别表示作用于弹性支撑的极限扭矩和额定扭矩，疲劳载荷的变化范围按额定扭矩±50％变化范围计算；l表示发电机弹性支撑在水平方向上的跨距；n表示弹性支撑数量；K₁₁、K₁₂分别表示满足极限和疲劳要求的刚度值；

由上述两式分别计算出满足要求的最小值K₁₁和K₁₂，选K₁₁和K₁₂中较大的值作为满足弹性支撑稳定性要求的刚度最小值Kz₁。

作为本发明的进一步改进：根据发电机的载荷特点与激励方式，振动方向主要为沿Z轴的直线振动与绕X轴的绕角振动，所述步骤S2的流程为：

沿Z轴的直线振动：

绕X轴的绕角振动：

式中，k_z、k_y分别表示弹性支撑Z和Y方向上的刚度，m为弹性支撑所支撑的等效质量，a_i为弹性支撑在X方向上离发电机重质心位置的距离，b_i为弹性支撑在Y方向上离发电机重心位置的距离，h为弹性支撑离发电机重心位置的垂向高度，Ix为发电机绕X轴的转动惯量，Iy为发电机绕Y轴的转动惯量；

评估方法：

f_m为激励频率、f_n为固有频率，当Z＝0.8～1.2时，系统处于共振区，当时系统处于过渡区，当时系统处于隔振区；根据上述三个公式求出满足的弹性支撑垂向刚度最大值Kz₂和Ky₂。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S3的流程为：

S301：建立多体动力学模型；所述多体动力学模型中发电机转子、定子、机架都用柔性体表示，并分别在定子和机架上建立虚拟传感器，所述虚拟传感器用来测量该点六个方向的位移、速度、加速度；所述机架与大地固接；所述发电机转子和定子之间有轴承和反馈力矩；发电机定子系与机架之间是四个弹性支撑，其六个方向的刚度和阻尼作为参数输入；

S302：在上述多体动力学模型中进行额定状态下的动平衡计算；当模型达到动平衡时即风机处于稳定额定转速下的工作状况，进行积分运算，利用积分运算过程中各虚拟传感器的测量数据，找出满足弹性支撑刚度最大值Kz₃、Ky₃、Kx₃。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S4的流程为：

S401：比较步骤S2和步骤S3求出的刚度值Kz₂和Kz₃，选出其中较小值和Kz₁求平均值，求得的平均值即可作为发电机弹性支撑垂向刚度参数的最佳取值Kz；

S402：比较步骤S2和步骤S3求出的刚度值Kz₂和Kz₃，选取其中较小值作为发电机弹性支撑水平方向刚度参数的最佳取值Ky，Kx一般取与Ky相等的值；

S403：根据机械接口要求确定弹性支撑的外形和尺寸，至此符合风力发电机组要求的发电机弹性支撑型号已确定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的一种风电发电机弹性支撑的选型方法，对发电机弹性支撑的刚度选型流程进行创新设计，从多维度对发电机弹性支撑刚度参数的适应性进行全面评估和改进。

2、本发明的一种风电发电机弹性支撑的选型方法，利用计算和仿真的手段对发电机弹性支撑的减振降噪功能进行评估和选择，并考虑了发电机转子与定子之间的反馈力矩和电磁力矩作用，对发电机的振动情况进行动态仿真，对发电机弹性支撑的减振效果进行计算，为弹性支撑的减振降噪功能实现提供了保证。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中发电机减振器的计算模型示意图。

图3是本发明在具体应用实例中风机发电机的拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

发电机弹性支撑的主要作用为减振降噪，在进行发电机弹性支撑的选型时，主要考虑以下几点：一、弹性支撑的刚度和阻尼系数，刚度主要用来校核其承载和变形特性，这是目前风电行业选型的主要依据；二、与整机的机械接口，据此来设计弹性支撑的外形尺寸；三、发电机工作转速范围内，由弹性支撑和发电机整体组成的系统是在转子转频区间内是否存在共振；四、弹性支撑的减振效果，此方面目前无有效的方法和手段进行评估。本发明首次针对第四点进行发电机弹性支撑减振效果的仿真计算，为风电发电机弹性支撑选型进行全面的评估，以选择合适的弹性支撑型号。

如图1所示，本发明的一种风电发电机弹性支撑的选型方法，其步骤为：

S1：弹性支撑的稳定性计算，求出满足要求的刚度参数Kz₁；

用于减振降噪的弹性元件类产品设计准则是：疲劳载荷下的应变量≤12％，极限载荷下的应变量≤40％；具体计算公式如下：

式中，ε_e、ε_f分别表示极限应变和疲劳应变；m表示发电机弹性支撑所支撑的等效质量；T_max、T_r分别表示作用于弹性支撑的极限扭矩和额定扭矩，疲劳载荷的变化范围按额定扭矩±50％变化范围计算；l表示发电机弹性支撑在水平方向上的跨距；n表示弹性支撑数量；K₁₁、K₁₂分别表示满足极限和疲劳要求的刚度值。

根据上述公式(1)、(2)分别计算出满足要求的最小值K₁₁和K₁₂，选K₁₁和K₁₂中较大的值作为满足弹性支撑稳定性要求的刚度最小值Kz₁。

S2：工作转速区间内的共振计算，求出满足避开共振区要求的刚度最大值Kz₂。

为避免发电机在正常工作转速区间不发生共振，需要计算系统的固有频率。根据发电机的外形与减振器的布置情况，假设发电机为刚体，发电机底部装有四个弹性支撑，则固有频率的计算可以按照图2所示的模型进行。

根据发电机的载荷特点与激励方式，其振动方向主要为沿Z轴的直线振动与绕X轴的绕角振动。由于风机的偏航、侧风和叶片倾覆等载荷的作用，在X方向上和Y方向上所产生的低频激励对发电机的高频振动影响较小，可以忽略不计；其他两个方向的激励也较小，也可以忽略。沿Z轴的直线振动与绕X轴的绕角振动的固有频率计算公式如下：

沿Z轴的直线振动：

绕X轴的绕角振动：

式中，k_z、k_y分别表示弹性支撑Z和Y方向上的刚度，m为弹性支撑所支撑的等效质量，a_i为弹性支撑在X方向上离发电机重质心位置的距离，b_i为弹性支撑在Y方向上离发电机重心位置的距离，h为弹性支撑离发电机重心位置的垂向高度，Ix为发电机绕X轴的转动惯量，Iy为发电机绕Y轴的转动惯量。

评估方法：

f_m为激励频率、f_n为固有频率，当Z＝0.8～1.2时，系统处于共振区，当时系统处于过渡区，当时系统处于隔振区。

根据公式(3)、(4)、(5)求出满足的弹性支撑垂向刚度最大值Kz₂和Ky₂。

S3：弹性支撑和发电机整体的减振效果仿真计算。

如图3所示，为本发明在具体应用实例中建立的风机发电机系统拓扑结构图，其包括发电机转子、定子、机架等的多体动力学模型。在上述模型中，发电机转子、定子、机架等都用柔性体表示，并分别在定子和机架上建立虚拟传感器，虚拟传感器可以测量该点六个方向的位移、速度、加速度；机架与大地固接；发电机转子和定子之间有轴承和反馈力矩，轴承用力元FE2描述，刚度矩阵作为输入参数，反馈力矩用力元FE3描述，根据发电机特性曲线计算得到；发电机转子上的作用力考虑从风轮端传入的驱动力矩FE4、转子与定子之间的电磁力矩FE5，驱动力矩FE4的大小根据风机的工况和发电机特性曲线计算得到的结果作为输入，转子与定子之间的电磁力矩FE5一般为发电机定子系与机架之间是四个弹性支撑，用力元弹簧阻尼力元FE1来描述，其六个方向的刚度和阻尼作为参数输入，其中阻尼计算过程如下：

(1)求等效质量m_eq：

m_eq＝(I_ge-rotor+I_ge-shell)/r²

此处：I是旋转部件的转动惯量，r是回转半径。

(2)求阻尼值d：

此处：D是阻尼系数，K是弹簧的刚度，n是弹簧的个数。

然后，进行额定状态下的动平衡计算，当模型达到动平衡时即风机处于稳定额定转速下的工作状况，再进行一定时间的积分运算，提出此积分运算过程中各虚拟传感器的测量数据，找出满足ISO 10816和VDI 3834要求的弹性支撑刚度最大值Kz₃、Ky₃、Kx₃。

S4：选择发电机弹性支撑刚度参数，确定弹性支撑型号。

在具体应用实例中，具体流程为：

S401：比较步骤S2和步骤S3求出的刚度值Kz₂和Kz₃，选出其中较小值和Kz₁求平均值，求得的平均值即可作为发电机弹性支撑垂向刚度参数的最佳取值Kz。

S402：比较步骤S2和步骤S3求出的刚度值Kz₂和Kz₃，选取其中较小值作为发电机弹性支撑水平方向刚度参数的最佳取值Ky，Kx一般取与Ky相等的值。

S403：根据机械接口要求确定弹性支撑的外形和尺寸，至此符合风力发电机组要求的发电机弹性支撑型号已确定。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种风电发电机弹性支撑的选型方法，其特征在于，步骤为：

S1：弹性支撑的稳定性计算，求出满足要求的刚度参数Kz₁；

S2：工作转速区间内的共振计算，求出满足避开共振区要求的刚度最大值Kz₂；

S3：弹性支撑和发电机整体的减振效果仿真计算；找出满足要求的弹性支撑刚度最大值Kz₃、Ky₃、Kx₃；

S4：选择发电机弹性支撑刚度参数，确定弹性支撑型号；

所述步骤S1的流程为：

计算极限应变ε_e：

<mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mi>g</mi> <mo>/</mo> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>T</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>/</mo> <mi>n</mi> <mi>l</mi> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>11</mn> </msub> </mrow> <mi>h</mi> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mn>40</mn> <mi>%</mi> </mrow>

计算疲劳应变ε_f：

<mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>m</mi> <mi>g</mi> <mo>/</mo> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>T</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>/</mo> <mi>n</mi> <mi>l</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;PlusMinus;</mo> <mn>0.5</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>/</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>12</mn> </msub> </mrow> <mi>h</mi> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mn>12</mn> <mi>%</mi> </mrow>

m表示发电机弹性支撑所支撑的等效质量；h为弹性支撑离发电机重心位置的垂向高度；T_max、T_r分别表示作用于弹性支撑的极限扭矩和额定扭矩，疲劳载荷的变化范围按额定扭矩±50％变化范围计算；l表示发电机弹性支撑在水平方向上的跨距；n表示弹性支撑数量；K₁₁、K₁₂分别表示满足极限和疲劳要求的刚度值；

由上述两式分别计算出满足要求的最小值K₁₁和K₁₂，选K₁₁和K₁₂中较大的值作为满足弹性支撑稳定性要求的刚度最小值Kz₁。

2.根据权利要求1所述的风电发电机弹性支撑的选型方法，其特征在于，根据发电机的载荷特点与激励方式，振动方向主要为沿Z轴的直线振动与绕X轴的绕角振动，所述步骤S2的流程为：

沿Z轴的直线振动：

K_z＝∑k_z

绕X轴的绕角振动：

式中，K_y＝∑k_y；k_z、k_y分别表示弹性支撑Z和Y方向上的刚度，m为弹性支撑所支撑的等效质量，b_i为弹性支撑在Y方向上离发电机重心位置的距离，h为弹性支撑离发电机重心位置的垂向高度，Ix为发电机绕X轴的转动惯量；

评估方法：

<mrow> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mi>m</mi> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mi>n</mi> </msub> </mfrac> </mrow>

f_m为激励频率、f_n为固有频率，当Z＝0.8～1.2时，系统处于共振区，当时系统处于过渡区，当时系统处于隔振区；根据上述三个公式求出满足的弹性支撑垂向刚度最大值Kz₂。

3.根据权利要求1所述的风电发电机弹性支撑的选型方法，其特征在于，所述步骤S3的流程为：

S301：建立多体动力学模型；所述多体动力学模型中发电机转子、定子、机架都用柔性体表示，并分别在定子和机架上建立虚拟传感器，所述虚拟传感器用来测量该点六个方向的位移、速度、加速度；所述机架与大地固接；所述发电机转子和定子之间有轴承和反馈力矩；发电机定子系与机架之间是四个弹性支撑，其六个方向的刚度和阻尼作为参数输入；

S302：在上述多体动力学模型中进行额定状态下的动平衡计算；当模型达到动平衡时即风机处于稳定额定转速下的工作状况，进行积分运算，利用积分运算过程中各虚拟传感器的测量数据，找出满足要求的弹性支撑刚度最大值Kz₃、Ky₃、Kx₃。

4.根据权利要求1所述的风电发电机弹性支撑的选型方法，其特征在于，所述步骤S4的流程为：

S401：比较步骤S2和步骤S3求出的刚度值Kz₂和Kz₃，选出其中较小值和Kz₁求平均值，求得的平均值即可作为发电机弹性支撑垂向刚度参数的最佳取值Kz；

S402：比较步骤S2和步骤S3求出的水平方向的刚度值Ky₂和Ky₃，选取其中较小值作为发电机弹性支撑水平方向刚度参数的最佳取值Ky，Kx一般取与Ky相等的值；

S403：根据机械接口要求确定弹性支撑的外形和尺寸，至此符合风力发电机组要求的发电机弹性支撑型号已确定。