劉 政，陳泓宇，王申貴，梁宇強(qiáng)

（1．東方電機(jī)有限公司，四川省德陽市 618000；2．南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司工程建設(shè)管理分公司，廣東省廣州市 510600）

0 引言

近年來，以大型抽水蓄能為代表的高轉(zhuǎn)速水電機(jī)組在中國蓬勃發(fā)展。這類電機(jī)由于額定容量較大（≥200MW）、轉(zhuǎn)速高（通?！?00r/min），其電機(jī)轉(zhuǎn)子及軸系的穩(wěn)定性研究顯得尤為重要，直接關(guān)系著機(jī)組的運(yùn)行效果及運(yùn)行安全。

蓄能電機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)部件會(huì)受到徑向力的影響，其軸系的徑向支撐，是蓄能電機(jī)支撐中最重要的一環(huán)，影響著電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速、基礎(chǔ)受力、運(yùn)行振擺等關(guān)鍵指標(biāo)。因此，對(duì)蓄能電機(jī)軸系徑向支撐方式的深入研究與選擇，是該類電機(jī)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和優(yōu)化的方向之一。

1 高速蓄能電機(jī)常用軸系徑向支撐方式

水輪發(fā)電機(jī)軸系的徑向支撐，包括導(dǎo)軸承、上下機(jī)架、連接部件等單元，將電機(jī)徑向力傳遞至基礎(chǔ)。水輪發(fā)電機(jī)軸系徑向支撐設(shè)計(jì)，主要有這幾種方式：

（1）純徑向支撐。這是一種輻射型結(jié)構(gòu)的機(jī)架。由于機(jī)架熱膨脹作用，通常會(huì)在機(jī)架支臂與基礎(chǔ)之間設(shè)置彈簧板以保護(hù)基礎(chǔ)[1]。由于蓄能支撐剛度的較要求，熱膨脹時(shí)彈簧板對(duì)基礎(chǔ)的作用力仍然較大。為保護(hù)基礎(chǔ)，在支臂設(shè)置剪斷銷，然而如果剪斷銷自身斷裂也會(huì)帶來麻煩，影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

（2）純切向支撐。通常機(jī)坑壁混凝土能承受的切向力高于徑向力。通過一定的結(jié)構(gòu)，如八卦型機(jī)架，將徑向力轉(zhuǎn)化為切向力，以保護(hù)基礎(chǔ)[2]。由于間隙的存在，這種支撐的支撐剛度偏低，對(duì)于高速蓄能機(jī)組，不利于進(jìn)一步提高其振擺性能。

（3）斜元件全約束支撐。機(jī)架支臂傾斜，固定于基礎(chǔ)上，通過支臂的傾斜變形，釋放熱膨脹徑向力。這將影響到整個(gè)機(jī)組的支撐、連接系統(tǒng)，要求與之連接的其他部件也能通過變形適應(yīng)機(jī)架的變化，比如機(jī)座、管路都要能適應(yīng)變形位移的影響。

高速蓄能電機(jī)與傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)相比，其轉(zhuǎn)速高、工況轉(zhuǎn)換頻繁，決定了軸系徑向支撐受力也更加多變，支撐部件要求也更高。因此，面對(duì)高速蓄能機(jī)組越來越高的安全性、穩(wěn)定性要求，尋找一種能消除以上支撐方式可能帶來不利、不便因素，且更加便捷、有效的支撐方式，變得越來越迫切。

2 黏彈阻尼器在高速抽水蓄能電機(jī)軸系支撐中的應(yīng)用

2．1 黏彈阻尼器的應(yīng)用場(chǎng)景

黏彈阻尼器最早是被用于軍事、航天等精密工業(yè)中，直到20世紀(jì)90年代才逐漸開始有學(xué)者研究其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用[3]。

黏彈阻尼器主要是利用黏彈性材料的耗能滯回特性，達(dá)到加大結(jié)構(gòu)阻尼、減小結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的效果。比如在老建筑的加固改造中，經(jīng)常使用阻尼器，用以防止主體結(jié)構(gòu)在地震作用下出現(xiàn)明顯的非彈性變形，快速地減小地震位移，保護(hù)結(jié)構(gòu)免受迫害[4]。目前一般主要運(yùn)用于大型建筑、橋梁等行業(yè)，起到耗能減振、提升抗震性能的作用。

研究發(fā)現(xiàn)，黏滯阻尼器本身的原理，與水電軸系支撐的要求比較契合。近年來水電行業(yè)也開始引入黏彈阻尼器。對(duì)于高速蓄能電機(jī)軸系徑向支撐而言，設(shè)計(jì)一種帶有黏滯阻尼器的支撐方式，可以克服以往支撐方式上的不利、不便因素，追求更加穩(wěn)定的動(dòng)力特性。

圖1為一種應(yīng)用于某電站大容量高轉(zhuǎn)速抽水蓄能的單向黏彈阻尼器。這種阻尼器外形為一個(gè)柱體，一端底座與軸系支撐部件把合，另一端支撐于基礎(chǔ)上，屬于純徑向支撐系統(tǒng)的一種方式。

圖1 M電站大容量高速蓄能電機(jī)單向黏彈阻尼器Figure 1 Viscoelastic damper in pumped storage MG of M project

2．2 高速蓄能電機(jī)中黏彈阻尼器的設(shè)計(jì)策略

大型抽水蓄能電機(jī)的軸系徑向支撐，一方面由于其長鐵芯、高轉(zhuǎn)速特點(diǎn)，對(duì)提高軸系臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)[5、6]。而提高軸系臨界轉(zhuǎn)速，需要較高的支撐剛度；另一方面，由于其電機(jī)內(nèi)部熱量傳導(dǎo)，導(dǎo)致支撐部件因溫度上升而徑向熱膨脹，對(duì)混凝土徑向受力也提出了要求。

因此這種大型電機(jī)，采用黏彈阻尼器作為其軸系徑向支撐，除了通常進(jìn)行的阻尼減振研究外，還需要特別關(guān)注兩方面的需求：

（1）能否順暢地釋放熱膨脹力 —— 較小的靜態(tài)剛度。

（2）能否提供足夠的動(dòng)態(tài)支撐 —— 較高的動(dòng)態(tài)剛度。

阻尼器的參數(shù)設(shè)計(jì)，首先需滿足這兩方面的需要[7、8]。以下將圍繞這兩方面對(duì)黏彈阻尼器進(jìn)行展開分析。

2.2.1 靜態(tài)剛度設(shè)計(jì)

這種阻尼器擁有動(dòng)態(tài)與靜態(tài)兩種支撐剛度。相當(dāng)于兩種剛度的彈性裝置并聯(lián)。當(dāng)以緩慢的速度施壓阻尼器時(shí)，其表現(xiàn)為較小的靜態(tài)剛度ks，其模型示意如圖2所示。此時(shí)上側(cè)的彈性裝置在起作用。

圖2 緩慢施壓時(shí)的黏彈阻尼器模型示意圖Figure 2 Model of the viscoelastic damper with low speed

受力Fs可表達(dá)為：

式中：F0——預(yù)緊力；

Ks——靜態(tài)剛度；

Δx——位移量。

蓄能電機(jī)軸系支撐部件熱膨脹時(shí)，正是靜態(tài)剛度ks在起作用。對(duì)基礎(chǔ)的熱膨脹力主要表現(xiàn)為ks·Δx，最終將由基礎(chǔ)混凝土承受。在其他徑向支撐結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)可能需要承受800～1500kN熱膨脹力。如果將產(chǎn)生的熱膨脹力控制在200kN以內(nèi)，將對(duì)高速蓄能產(chǎn)品產(chǎn)生顯著的意義。因此，需結(jié)合支撐部件尺寸、溫度變化綜合考慮設(shè)計(jì)黏彈阻尼器靜態(tài)剛度參數(shù)。

以某蓄能電站為例，其緩慢熱膨脹時(shí)，阻尼器靜態(tài)剛度ks=90kN/mm。

軸系支撐徑向支臂長度：L=4.3m；冷熱時(shí)溫度差最大：Δt≈20℃。按每米每度0.01mm膨脹量計(jì)算，支臂因溫升產(chǎn)生的伸長量為：

因此支架熱膨脹額外帶來的基礎(chǔ)受力為：

對(duì)比其他徑向支撐結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)所受熱膨脹力得到了顯著的降低。

2.2.2 動(dòng)態(tài)剛度設(shè)計(jì)

當(dāng)以較快的速度施壓阻尼器時(shí)，其表現(xiàn)為較大的動(dòng)態(tài)剛度kd，其模型示意如圖3所示。受力Fd受到速度影響，此時(shí)上、下側(cè)的彈性裝置都在起作用。由于下側(cè)裝置的剛度遠(yuǎn)高于上側(cè)，因此整體剛度接近于模型下側(cè)裝置。

圖3 快速施壓時(shí)的黏彈阻尼器模型示意圖Figure 3 Model of the viscoelastic damper with high speed

受力Fd可近似表達(dá)為：

式中：F0——預(yù)緊力；

ks——靜態(tài)剛度；

C——系數(shù)；

V——速度因子；

ε——設(shè)計(jì)系數(shù)。

快速施壓情況下，式（2）比式（1）多一項(xiàng)速度因子。通過黏彈性介質(zhì)以及孔縮效應(yīng)的設(shè)計(jì)[3]，使得kd?ks，以達(dá)到一定速度下的所需剛度。

蓄能機(jī)組的實(shí)際支撐總剛度，由油膜koil、支架kbra、阻尼器組合kdc、基礎(chǔ)kcon等剛度組成。總體剛度kali為：

如果總剛度Kall組成部分的任何一個(gè)剛度因子太小，則無論其他剛度多高，都將顯著影響最終總剛度。其中油膜Koil、支架Kbra由主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，基礎(chǔ)Kcon由設(shè)計(jì)院確定，Kdc的選擇，應(yīng)結(jié)合這些剛度值與臨界轉(zhuǎn)速對(duì)總剛度要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如某蓄能機(jī)組，飛逸時(shí)Koil=9×106N/mm；Kbra=10×106N/mm。

Kcon=6×106N/mm；總剛度要求Kall=1.8×106N/mm，則：

即：Kdc=5.6×106N/mm

此處Kdc由多個(gè)阻尼器組合而成，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)和分布，單個(gè)阻尼器kd≥3×106N/mm即可滿足總剛度要求。

在高轉(zhuǎn)速蓄能中，為保證軸系臨界轉(zhuǎn)速要求，單個(gè)阻尼器kd一般性取值在2.0～4.5×106N/mm范圍內(nèi)。

2.2.3 提高支撐剛度的預(yù)緊策略

對(duì)于一些大容量高轉(zhuǎn)速蓄能電機(jī)而言，還需要進(jìn)一步增加支撐剛度。

一方面可以繼續(xù)增加單個(gè)阻尼器kd，但受限于阻尼器的設(shè)計(jì)與成本；一方面也可以增加并聯(lián)阻尼器數(shù)量，但同樣受限于空間與成本。是否有其他方案，可以在盡量減少設(shè)計(jì)成本、減少空間布局的同時(shí)也能達(dá)到增加總支撐剛度的效果？

由于以上所述阻尼器結(jié)構(gòu)型式為受壓、單向提供支反力。蓄能電機(jī)黏彈支撐模型示意圖如圖4所示（取其中對(duì)稱的兩條支臂，并單獨(dú)研究黏彈阻尼器）：

圖4 蓄能黏彈阻尼器模型示意圖Figure 4 Model of the viscoelastic damper support in MG

假設(shè)阻尼器靜止時(shí)處于自由狀態(tài)。當(dāng)施加一個(gè)徑向向左的動(dòng)態(tài)力Fd時(shí)，左邊阻尼器被壓縮Δx，而右邊處于脫離狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 徑向力影響下的蓄能黏彈阻尼器模型示意圖Figure 5 Model of the viscoelastic damper support in MG with radial force

此時(shí)，F(xiàn)d=kd·Δx。系統(tǒng)的徑向剛度為一個(gè)阻尼器的剛度kd。

根據(jù)前文所述，高速抽水蓄能機(jī)組對(duì)于支撐剛度要求較高，因此，進(jìn)一步增加支撐系統(tǒng)的整體剛度有現(xiàn)實(shí)的意義。分析表明，可采用施加預(yù)緊力F0的方法提高整體剛度，如圖6所示。

圖6 預(yù)緊的蓄能黏彈阻尼器模型示意圖Figure 6 Model of the preloaded viscoelastic damper support in MG

在徑向力Fd作用下：

當(dāng)徑向力不超過預(yù)緊力時(shí)，系統(tǒng)徑向剛度為：2kd。

根據(jù)高速蓄能機(jī)組實(shí)際受力情況，該預(yù)緊力F0推薦取值200～400kN。

由于預(yù)緊力的存在，實(shí)現(xiàn)了剛度的進(jìn)一步提升。同時(shí)也為基礎(chǔ)混凝土帶來了額外的200～400kN初始力，以當(dāng)前基礎(chǔ)的剛強(qiáng)度完全可以承受該附加力。

如果想在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步削弱對(duì)基礎(chǔ)的力，則需要在黏彈阻尼器的結(jié)構(gòu)型式上進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

2.2.4 新型雙向黏彈阻尼器展望

如果阻尼器可雙向提供支反力與拉力，則可以不通過預(yù)緊來實(shí)現(xiàn)支撐剛度的進(jìn)一步提升。如圖7所示，無預(yù)緊，在徑向力Fd作用下，移動(dòng)Δx，左側(cè)阻尼器提供支反力Fdy，右側(cè)阻尼器提供拉力Fdl。

圖7 蓄能雙向黏彈阻尼器模型示意圖Figure 7 Model of the two-way viscoelastic damper support in MG

列出受力平衡方程：

同樣，也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)徑向剛度為2kd的提升。并且理論上可以無需預(yù)緊。

從結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的層面上而言，這種阻尼器的難度在于，由于一端固定于軸系機(jī)架，一端固定于基礎(chǔ)上，因此中間需要設(shè)計(jì)有一定角度自由度且可耐受軸系力的可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)。目前這種雙向阻尼器已經(jīng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，并在某小型高速常規(guī)水電機(jī)組試用。

一般來說，基礎(chǔ)可耐受的拉力比可耐受的壓力要小。如果徑向拉力較大，為了調(diào)配拉力與壓力的比例，也需要根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)，實(shí)施一定量的預(yù)緊。

2．3 黏彈阻尼器真機(jī)應(yīng)用效果

在額定發(fā)電容量300MW、額定轉(zhuǎn)速375r/min、額定電壓18kV的某蓄能項(xiàng)目1號(hào)機(jī)使用單向黏彈阻尼器。應(yīng)用效果如表1所示：

表1 M蓄能項(xiàng)目黏彈阻尼器應(yīng)用效果Table 1 The effect of using viscoelastic damper in M project

該蓄能電機(jī)優(yōu)秀的振擺數(shù)據(jù)和較小的基礎(chǔ)受力表明黏彈阻尼器在實(shí)際高速蓄能電機(jī)中有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

黏彈阻尼器應(yīng)用于高速蓄能機(jī)組可同時(shí)起到降低基礎(chǔ)受力、提供較好剛度的作用，還能在一定程度上降低振動(dòng)。本文采用從高速蓄能機(jī)組軸系支撐的特點(diǎn)，以及黏彈阻尼器的特征入手，分析了黏彈阻尼器在蓄能工程中的應(yīng)用及其注意事項(xiàng)，并對(duì)其靜態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行了設(shè)計(jì)剖析，提出了進(jìn)一步增加動(dòng)態(tài)剛度的可取方案，并展望了新型雙向阻尼器的應(yīng)用。