李紅梅， 王　冰

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司， 上海 200241)

彈性支撐在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用廣泛，比如用于發(fā)電機(jī)和齒輪箱與機(jī)架的連接，機(jī)艙與機(jī)艙支架的連接，以及變槳柜與輪轂的連接等。筆者主要介紹用于變槳柜與輪轂連接的一種小型彈性支撐的選型方法，此彈性支撐的主要作用是減少輪轂因極限和疲勞受載變形對(duì)變槳柜的影響，減少變槳柜和柜內(nèi)零件隨輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)，將變槳柜的機(jī)械振動(dòng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，以確保變槳柜和柜內(nèi)零件的安全。

筆者以某風(fēng)電整機(jī)廠大兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的變槳柜應(yīng)用情況為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際變槳柜的安裝布置，以及采用有限元分析(FEA)方法對(duì)輪轂受載變形情況進(jìn)行分析，再對(duì)三種常用彈性支撐的性能進(jìn)行對(duì)比分析選出合適的型號(hào)，最后對(duì)此型號(hào)彈性支撐進(jìn)行振動(dòng)特性分析，以確保選型的準(zhǔn)確性。

1　彈性支撐應(yīng)用情況

電動(dòng)變槳系統(tǒng)的任務(wù)是使風(fēng)電機(jī)組的葉片旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的槳距角位置。變槳系統(tǒng)能控制三個(gè)葉片的槳距角位置，以此來控制風(fēng)電機(jī)組的功率，或者通過順槳?dú)鈩?dòng)剎車可以達(dá)到停機(jī)的目的。每個(gè)葉片變槳驅(qū)動(dòng)都配備一個(gè)軸控制柜以連接電動(dòng)機(jī)和傳感器，對(duì)槳葉動(dòng)作進(jìn)行精準(zhǔn)控制。由于風(fēng)電機(jī)組部分停機(jī)程序中變槳驅(qū)動(dòng)需要后備電源供電，所以變槳系統(tǒng)必須包含蓄能裝置，其電量必須確保在最壞情況下槳葉可連續(xù)順槳。因此，每個(gè)葉片的變槳驅(qū)動(dòng)都配有單獨(dú)的電池組或電容器。電池或電容組都必須安全地安裝并鎖在電池柜體里。由于旋轉(zhuǎn)，輪轂內(nèi)的所有組成部件都會(huì)受到離心力，且重力的方向也會(huì)不斷變化，在風(fēng)輪加速減速時(shí)，部件還會(huì)受到慣性力的作用，所有這些力疊加起來會(huì)給每個(gè)部件造成一個(gè)持久的載荷。因此，電池柜和控制柜都必須安全地安裝在輪轂上，以避免輪轂受載和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有變形和損傷出現(xiàn)。應(yīng)用彈性支撐進(jìn)行輔助安裝就能起到保護(hù)柜體的作用，在以往變槳柜的彈性支撐選型大多僅考慮了變槳柜安裝條件和彈性支撐的性能，沒有考慮輪轂的承載特性和共振特性，常造成彈性支撐選型不當(dāng)，特別是在極限和疲勞載荷下彈性支撐損壞或者彈性體斷裂，導(dǎo)致變槳柜體變形和變槳柜內(nèi)零部件的損壞。

2　變槳柜安裝條件

變槳系統(tǒng)的電池柜和控制柜分別有3個(gè)，均放置輪轂內(nèi)，因考慮控制柜的維護(hù)工作量大，往往將控制柜放置輪轂內(nèi)腔(腹板內(nèi)壁面)，電池柜放置輪轂腹板外壁面。兩種柜體均焊接在安裝支架上，安裝支架設(shè)置4個(gè)安裝孔，采用4個(gè)彈性支撐安裝到輪轂的腹板上。圖1為彈性支撐應(yīng)用在變槳柜的安裝示意圖。

圖1　彈性支撐應(yīng)用在變槳柜的安裝示意圖

3　輪轂的承載特性

輪轂是用來將葉片連接到葉輪轉(zhuǎn)軸上的固定部件，通常由球墨鑄鐵部件組成，將葉片的載荷傳遞到風(fēng)力機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)上，即最終傳遞到塔架上[1]。在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用中輪轂承受著復(fù)雜的交變載荷，這對(duì)輪轂本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出很高要求的同時(shí)，也對(duì)安裝在輪轂的部件提高了安裝要求。

4　彈性支撐的選型計(jì)算

4.1 計(jì)算輸入

彈性支撐用于輪轂內(nèi)的變槳控制柜和電池柜的減振支撐，因電池柜安裝在輪轂外壁面離輪轂中心更遠(yuǎn)且質(zhì)量更大，因此其受載條件相對(duì)控制柜更苛刻，故彈性支撐的選型以電池柜的受載為輸入即可。彈性支撐選型計(jì)算所需的主要輸入?yún)?shù)見表1。

表1　彈性支撐選型計(jì)算輸入?yún)?shù)

4.2 彈性支撐參數(shù)

表2中羅列了3個(gè)常用型號(hào)(A、B和C)彈性支撐的性能參數(shù)。

表2　三種型號(hào)彈性支撐參數(shù)

4.3 輪轂受載變形量

使用FEA軟件Ansys對(duì)輪轂進(jìn)行FEA計(jì)算，可以得出3個(gè)葉根對(duì)應(yīng)的輪轂腹板上4個(gè)電池柜安裝點(diǎn)(葉根1見圖2，葉根2見圖3，葉根3見圖4)的極限和等效疲勞的相對(duì)位移量結(jié)果(葉根1見表3，葉根2見表4，葉根3見表5)，其中ΔUX為受載后兩節(jié)點(diǎn)間X軸方向(垂直于安裝面)的相對(duì)位移量，ΔUYZ為受載后兩節(jié)點(diǎn)間YZ合力方向(水平于安裝面)的相對(duì)位移量。

圖2　葉根1安裝節(jié)點(diǎn)示意圖

表3　葉根1安裝節(jié)點(diǎn)極限相對(duì)位移結(jié)果表

圖3　葉根2安裝節(jié)點(diǎn)示意圖

圖4　葉根3安裝節(jié)點(diǎn)示意圖

表5(續(xù))

以上結(jié)果在極限工況下，輪轂腹板上4個(gè)安裝孔間，最大垂直(UX)相對(duì)位移為Δha=3.3 mm，最大水平(UYZ)相對(duì)位移量為Δhr=4.1 mm。同樣，采用FEA方法，做等效疲勞分析，輪轂腹板上4個(gè)安裝孔間，最大垂直(UX)相對(duì)位移為Δha′=2.5 mm，最大水平(UYZ)相對(duì)位移量為Δhr′=2.8 mm。

4.4 彈性支撐選型計(jì)算

4.4.1 軸向極限載荷和疲勞載荷

電池柜所受極限離心力F0=mω2r=1 022.21 N,電池柜所受疲勞離心力F0′=mω′2r=713.1 N。

電池柜自重G=mg=2 156 N。

彈性支撐在變槳柜承受極限載荷和疲勞載荷作用下產(chǎn)生的軸向位移分別為Xa和Xa′：

(1)

(2)

輪轂安裝點(diǎn)最大軸向變形和變槳柜受載后彈性支撐的軸向位移之和為彈性支撐軸向最大變形量，其極限和疲勞軸向最大變形量分別為X1和X1′，結(jié)果見表6。

表6　彈性支撐軸向極限和疲勞變形量計(jì)算結(jié)果　mm

4.4.2 徑向極限載荷和疲勞載荷

電池柜所受極限切向力Fτ=ma=132 N,電池柜所受疲勞切向力Fτ′=ma′=44.4 N。

電池柜自重G=mg=2 156 N。

彈性支撐在徑向極限載荷和疲勞載荷作用下產(chǎn)生的軸向位移分別為Xr和Xr′:

(3)

(4)

輪轂安裝點(diǎn)最大水平變形和變槳柜受載后彈性支撐的徑向位移之和為彈性支撐徑向最大變形量，其極限和疲勞徑向最大變形量分別為X2和X2′，結(jié)果見表7。

表7　彈性支撐徑向極限和疲勞變形量計(jì)算結(jié)果　mm

4.4.3 彈性支撐延伸率

材料產(chǎn)生塑性變形的能力稱為材料的塑性性能。塑性性能是工程中評(píng)定材料質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要方面，而衡量材料塑性的指標(biāo)有延伸率和斷面收縮率[2]。故彈性支撐的材料斷裂延伸率為判斷彈性支撐是否適用的標(biāo)準(zhǔn)。彈性支撐極限和疲勞延伸度計(jì)算結(jié)果見表8。

表8　彈性支撐極限和疲勞延伸率計(jì)算結(jié)果　%

從表8中可以得出，型號(hào)A可滿足極限載荷要求，也滿足疲勞載荷要求，可進(jìn)行長(zhǎng)期使用 。

5　變槳柜彈性支撐振動(dòng)計(jì)算

彈性支撐是風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，如何選擇合適的彈性支撐剛度是非常關(guān)鍵的，既要起到減振的效果，還要保證彈性支撐有足夠的強(qiáng)度和壽命。彈性支撐的破壞有多重原因，如振動(dòng)、強(qiáng)度不夠和安裝工藝影響等，但是彈性支撐廠家不會(huì)考慮彈性支撐剛度對(duì)整個(gè)機(jī)組的影響，因此就需要研究彈性支撐對(duì)整個(gè)機(jī)組的影響，需考慮共振[3]，即變槳柜的固有頻率不能與風(fēng)機(jī)的激勵(lì)頻率發(fā)生共振。

機(jī)組最大激勵(lì)頻率f=n′/60=0.234 Hz。

計(jì)算得出當(dāng)選用型號(hào)A彈性支撐時(shí)，變槳柜固有頻率與機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相差較大，不會(huì)引起共振。

6　結(jié)語

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，此彈性支撐的選型要素：彈性支撐能滿足極限和疲勞載荷的要求，變形量可以完全抵消或者部分抵消輪轂受載后在安裝點(diǎn)的變形量，葉輪旋轉(zhuǎn)過程中變槳柜因離心力產(chǎn)生的位移量，以及變槳柜自身的質(zhì)量引起的位移量這三個(gè)變形量之和；材料性能滿足要求，保護(hù)變槳柜不產(chǎn)生變形或變形量在可允許范圍內(nèi)，以避免柜體和柜體內(nèi)部零件受到損傷，并且避免變槳柜減振系統(tǒng)與機(jī)組產(chǎn)生共振。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳柜采用彈性支撐應(yīng)用自投入實(shí)際運(yùn)行，至今已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行多年，驗(yàn)證了彈性支撐的可靠性，計(jì)算選型方法是成功的。

參考文獻(xiàn)：

[1] RisΦ國(guó)家實(shí)驗(yàn)室, 挪威船級(jí)社. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)導(dǎo)則[M]. 楊校生, 何家興, 劉東遠(yuǎn), 等譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011: 1.

[2] 金康寧, 謝群丹. 材料力學(xué)[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2006.

[3] 陽小林, 廖暉, 宋聚眾, 等. 齒輪箱彈性支撐對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能的影響[J]. 東方汽輪機(jī), 2014(4): 47-54.

[4] 倪振華. 振動(dòng)力學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1986.