风力发电机设计论文有关风力发电的论文

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一种风力发电机组的发电机减振设计

摘要 风力机的动力源是具有很强随机性和不连续的自然风,这就给风力机的运行带来很多不确定性。论述一种风力发电机组的发电机减振设计,分析发电机支架与主机架采用螺栓连接的特点,为风力发电机组结构的优化设计以减少振动对机组的影响提供一种新的思路,确保风力发电机组长期安全、可靠地运行。

关键词风力发电;柔性连接;发电机支承

世界能源危机逐步加剧和能源结构的转变,风能作为一种可再生清洁能源,其优越性已被广泛认可。世界风力发电五强国已将风能视为与化学能、核能同等地位的能源种类。在未来几年内风力发电会有较大的发展,国内对风电各项相关技术的研究也必将有长足进步。随着风电技术的不断发展,风力机功率不断增大,为了从风中吸取更多的能量,必须将各个部分设计得足够大,这对风机的各方面性能提出了更高的要求。风力机各部分的不断增大就使风力发电机组的振动被放大,而振动是影响风力发电机组安全工作和使用寿命的重要因素之一。发电机则是风电机组振动的主要来源,所以如何降低发电机振动对整个机组造成不良的影响是非常重要的。

1 普通风力发电机的减振形式

目前风电发电机组上对于发电机的减振大多数都是采用弹性座脚来实现的(如图1所示)。

图1 弹性座脚

在发电机的四个底脚处分别放置四个专门设计的弹性座脚,使发电机固定在座脚上,然后将弹性座脚固定在发电机支架上。

根据专业的设计弹性座脚可以消减发电机产生的70%～80%的振动,但对于冲击载荷和超过弹性座脚能承受的最大振幅还是会传到发电机支承上。

2 本风力发电机组的减振形式

本风力发电机组是带增速器的大型风力发电机组,为了能够减少增速器振动对整机的影响,传动链上的增速器均采用柔性连接。而且增速器采用悬挂加减振套的形式与主机架相连,这样最大程度减小了增速器振动对风力发电机组安全运行的影响。

除了以上增速器的振动,发电机是风电机组另一个重要的振源。一般的风电机组是用弹性座脚将发电机与发电机支承相连接的,虽然弹性座脚可以消除大部分的振动但由于发电机支承与主机架是刚性连接所以由发电机引起的振动还是能够传到风电机组上的。

为了能够较好的减小发电机引起的振动对风电机组造成的危害,本风电机组还采用了发电机二次减振的结构设计。图2为本风电机组发电机支承结构图,从图中可以看到发电机支承采用的是框架结构,这种结构既减轻了机体的重量又可以保证要求的强度。

此外为了达到二次减振的目的,发电机支承架与主机架是采用螺栓连接的形式(如图3所示)。螺栓相对于联接件而言具有柔性,而联接件应该是刚性的。因为柔性变形量大,吸收能量的作用强,有利于承受循环载荷时减低变应力的应力幅,提高疲劳强度,也有利于承受冲击作用。被连接的构件能弹性地整体工作,抗疲劳能力强,适应于承受动力荷载的结构及需保证连接变形小的结构。

由于本风电机组的发电机重达10.6t,这就要求发电机支承与主机架的连接除了要有柔性外,还要有足够的刚度。螺栓连接紧密,不易松动。拧到预紧力后,在动荷载的长期作用下也不会松动受力性能好,耐疲劳强度高。高强度螺栓联接由于作用力由构件接触面间所产生的摩擦力来传递.故螺栓孔附近应力集中程度比较小.而且由于螺栓拉力所引起的压力有效地出现在孔眼附近,使孔边的应力甚至会小于计算的平均应力。

图2 发电机支承

图3 发电机支承与主机架连接

3 螺栓连接的受力情况

多数情况下螺栓都是成组使用的,设计时,是根据被联接件的结构和联接件的载荷来确定联接的传力方式、螺栓的数目和布置。一般来说。拧紧力矩是通过拧紧扳手来施加的,而拧紧扳手力矩T1是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩Tl及螺母和与被连接件(或垫圈)支承面间的端面摩擦力矩T2。

T=T1+T2=F0tan(ψ+Pv)kF0d

式中:d—螺纹公称直径,mm;

F0—预紧力,N;

K—拧紧力矩系数;

T—拧紧力矩;

其中,K=tan(ψ+Pv)

式中:d2—螺纹中径,mm;

ω—螺纹升角;

Pv—螺纹当量摩擦角;

μ—螺母与被连接件的支撑面的摩擦因数;

Dw—与支撑平面连接的螺母或垫圈的直径;

d0—螺纹外径。

因此,在确定螺栓大小的情况下。螺栓的轴向预紧力正比予拧紧力矩的大小,其比例系数就是拧紧力矩系数k,k的取值较为复杂,很难得到其正确值,此数据由高强度螺栓制造商提供,或在安装前实验得到。通常k=0.11～0.15。

4 总结

从现阶段看,焊接和螺栓连接是钢结构材料和构件连接的两种主要形式。焊接形式结构的刚度比较好可以承载较大的载荷,但柔性较差属于刚性连接。通过对螺栓连接受力情况的分析,在螺栓材料和大小选择合适,预紧力计算合理的情况下,螺栓连接完全可以代替焊接承受发电机的载荷。而且螺栓连接的被连接板件按弹性体受力,使发电机支撑架与主机架之间成为弹性连接。这样就达到了对发电机振动的二次减振的效果,为风力发电机组长期可靠的工作奠定了基础。

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