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风力发电机组变桨柜的弹性支撑选型计算

更新时间:2016-07-05

弹性支撑在现代风力发电机组中应用广泛,比如用于发电机和齿轮箱与机架的连接,机舱与机舱支架的连接,以及变桨柜与轮毂的连接等。笔者主要介绍用于变桨柜与轮毂连接的一种小型弹性支撑的选型方法,此弹性支撑的主要作用是减少轮毂因极限和疲劳受载变形对变桨柜的影响,减少变桨柜和柜内零件随轮毂转动产生的振动,将变桨柜的机械振动控制在规定范围内,以确保变桨柜和柜内零件的安全。

笔者以某风电整机厂大兆瓦级风电机组的变桨柜应用情况为研究对象,根据实际变桨柜的安装布置,以及采用有限元分析(FEA)方法对轮毂受载变形情况进行分析,再对三种常用弹性支撑的性能进行对比分析选出合适的型号,最后对此型号弹性支撑进行振动特性分析,以确保选型的准确性。

是在冷床的基础上,利用床底铺设酿热物作为人工补充热源或利用电热线加温来提高苗床温度。温床的主要优点是土壤温度能满足幼苗生长发育的需要,设备简单,使用方便,可以提高幼苗质量,缩短育苗时间。

1 弹性支撑应用情况

电动变桨系统的任务是使风电机组的叶片旋转到设定的桨距角位置。变桨系统能控制三个叶片的桨距角位置,以此来控制风电机组的功率,或者通过顺桨气动刹车可以达到停机的目的。每个叶片变桨驱动都配备一个轴控制柜以连接电动机和传感器,对桨叶动作进行精准控制。由于风电机组部分停机程序中变桨驱动需要后备电源供电,所以变桨系统必须包含蓄能装置,其电量必须确保在最坏情况下桨叶可连续顺桨。因此,每个叶片的变桨驱动都配有单独的电池组或电容器。电池或电容组都必须安全地安装并锁在电池柜体里。由于旋转,轮毂内的所有组成部件都会受到离心力,且重力的方向也会不断变化,在风轮加速减速时,部件还会受到惯性力的作用,所有这些力叠加起来会给每个部件造成一个持久的载荷。因此,电池柜和控制柜都必须安全地安装在轮毂上,以避免轮毂受载和转动时有变形和损伤出现。应用弹性支撑进行辅助安装就能起到保护柜体的作用,在以往变桨柜的弹性支撑选型大多仅考虑了变桨柜安装条件和弹性支撑的性能,没有考虑轮毂的承载特性和共振特性,常造成弹性支撑选型不当,特别是在极限和疲劳载荷下弹性支撑损坏或者弹性体断裂,导致变桨柜体变形和变桨柜内零部件的损坏。

2 变桨柜安装条件

变桨系统的电池柜和控制柜分别有3个,均放置轮毂内,因考虑控制柜的维护工作量大,往往将控制柜放置轮毂内腔(腹板内壁面),电池柜放置轮毂腹板外壁面。两种柜体均焊接在安装支架上,安装支架设置4个安装孔,采用4个弹性支撑安装到轮毂的腹板上。图1为弹性支撑应用在变桨柜的安装示意图。

4.4.3 弹性支撑延伸率

图1 弹性支撑应用在变桨柜的安装示意图

3 轮毂的承载特性

轮毂是用来将叶片连接到叶轮转轴上的固定部件,通常由球墨铸铁部件组成,将叶片的载荷传递到风力机的支撑机构上,即最终传递到塔架上[1]。在大型风力发电机组应用中轮毂承受着复杂的交变载荷,这对轮毂本身结构强度提出很高要求的同时,也对安装在轮毂的部件提高了安装要求。

4 弹性支撑的选型计算

4.1 计算输入

变桨柜减振系统沿柜面法向向外方向的固有频

表1 弹性支撑选型计算输入参数

项目数值电池柜质量m/kg220电池柜重心与轮毂中心距离r/m1.5轮毂最大转速n/(r·min-1)16.81轮毂最大角速度ω/(rad·s-1)1.76轮毂额定转速n′/(r·min-1)14.04轮毂额定角速度ω′/(rad·s-1)1.47变桨柜切向最大加速度a/(m·s-2)0.6变桨柜疲劳工况切向最大加速度a′/(m·s-2)0.2单个柜体弹性支撑数量N4

4.2 弹性支撑参数

表2中罗列了3个常用型号(A、B和C)弹性支撑的性能参数。

表2 三种型号弹性支撑参数

项目ABC径向刚度kr/(kN·mm-1)1.910.470.28径向厚度tr/mm312122轴向刚度ka/(kN·mm-1)5.781.160.65轴向厚度ta/mm282827极限应变率ε/%404040疲劳应变率ε′/%121212

4.3 轮毂受载变形量

4.4.1 轴向极限载荷和疲劳载荷

NIMAK公司于1965年在德国鲁尔工业区Wissen市成立,2006年尼玛克焊接技术(北京)有限公司在北京成立,该公司始终致力于白车身电阻焊领域的手动焊钳、自动焊钳、固定式凸焊/点焊焊接设备和KES储能焊机、铝板焊接技术、电磁加压技术、自动/手动涂胶设备、焊接控制柜、移动焊接工作站等焊接装备的生产和研发创新,迄今已成为国内高端品牌汽车厂的主要供货商。

图2 叶根1安装节点示意图

表3 叶根1安装节点极限相对位移结果表

项目节点11)节点22)节点33)节点44)ΔUX0.820.351.43ΔUX0.462.24ΔUX1.78ΔUYZ2.323.463.69ΔUYZ1.643.14ΔUYZ2.09注:1)节点1的节点号为80306;2)节点2的节点号为51490;3)节点3的节点号为51504;4)节点4的节点号为80320

图3 叶根2安装节点示意图

表4 叶根2安装节点极限相对位移结果表

项目节点11)节点22)节点33)节点44)ΔUX1.300.480.57ΔUX0.821.86ΔUX1.04ΔUYZ2.523.331.85ΔUYZ4.103.86ΔUYZ2.11注:1)节点1的节点号为194478;2)节点2的节点号为109215;3)节点3的节点号为109230;4)节点4的节点号为194492

图4 叶根3安装节点示意图

表5 叶根3安装节点极限相对位移结果表

项目节点11)节点22)节点33)节点44)ΔUX1.973.300.56ΔUX1.301.41ΔUX2.71

表5()

项目节点11)节点22)节点33)节点44)ΔUYZ0.460.560.13ΔUYZ0.600.50ΔUYZ0.45注:1)节点1的节点号为137655;2)节点2的节点号为165832;3)节点3的节点号为165846;4)节点4的节点号为137669

以上结果在极限工况下,轮毂腹板上4个安装孔间,最大垂直(UX)相对位移为Δha=3.3 mm,最大水平(UYZ)相对位移量为Δhr=4.1 mm。同样,采用FEA方法,做等效疲劳分析,轮毂腹板上4个安装孔间,最大垂直(UX)相对位移为Δha=2.5 mm,最大水平(UYZ)相对位移量为Δhr=2.8 mm。

4.4 弹性支撑选型计算

使用FEA软件Ansys对轮毂进行FEA计算,可以得出3个叶根对应的轮毂腹板上4个电池柜安装点(叶根1见图2,叶根2见图3,叶根3见图4)的极限和等效疲劳的相对位移量结果(叶根1见表3,叶根2见表4,叶根3见表5),其中ΔUX为受载后两节点间X轴方向(垂直于安装面)的相对位移量,ΔUYZ为受载后两节点间YZ合力方向(水平于安装面)的相对位移量。

电池柜所受极限离心力F0=2r=1 022.21 N,电池柜所受疲劳离心力F0=′2r=713.1 N。

4.4.2 径向极限载荷和疲劳载荷

当电池柜位于轮毂正下端,弹性支撑承受的轴向载荷最大,单个弹性支撑的轴向极限载荷疲劳载荷

弹性支撑在变桨柜承受极限载荷和疲劳载荷作用下产生的轴向位移分别为XaXa

1.2 纳入与排除标准 纳入标准:①患者均符合《膝关节骨性关节病》[5]的诊断标准,并经X线、CT线或MRI等影像学检查确诊;②患者均符合膝关节镜的手术指征。排除标准:①患者伴有免疫、风湿、骨肿瘤、骨结核、风湿性关节炎、化脓性关节炎等疾病;②患者合并其他部位骨折;③有膝关节手术史、肢体及沟通障碍的患者。

(1)

(2)

当电池柜位于轮毂水平方向,弹性支撑承受的径向载荷最大,单个弹性支撑承受径向极限载荷疲劳载荷

表6 弹性支撑轴向极限和疲劳变形量计算结果 mm

载荷公式型号A型号B型号C极限X1=Xa+Δha3.443.994.53疲劳X1′=Xa′+Δha′2.623.073.61

电池柜自重G=mg=2 156 N。

电池柜所受极限切向力Fτ=ma=132 N,电池柜所受疲劳切向力Fτ=ma=44.4 N。

电池柜自重G=mg=2 156 N。

轮毂安装点最大轴向变形和变桨柜受载后弹性支撑的轴向位移之和为弹性支撑轴向最大变形量,其极限和疲劳轴向最大变形量分别为X1X1,结果见表6。

弹性支撑在径向极限载荷和疲劳载荷作用下产生的轴向位移分别为XrXr:

(3)

(4)

轮毂安装点最大水平变形和变桨柜受载后弹性支撑的径向位移之和为弹性支撑径向最大变形量,其极限和疲劳径向最大变形量分别为X2X2,结果见表7。

表7 弹性支撑径向极限和疲劳变形量计算结果 mm

载荷公式型号A型号B型号C极限X2=Xr+Δhr4.585.386.24疲劳X2′=Xr′+Δhr′3.243.974.76

基底节及脑白质多发腔梗还需与其它低密度病变如肝豆状核变性、病毒性脑炎、中毒性脑病等鉴别,这些病变往往基底节对称发病,肝豆状核变性为铜代谢障碍及肝硬化史,病毒性脑炎临床中毒症状,中毒性脑病有毒气吸入及药物过度使用及体内代谢中毒等以鉴别[4]。

材料产生塑性变形的能力称为材料的塑性性能。塑性性能是工程中评定材料质量优劣的重要方面,而衡量材料塑性的指标有延伸率和断面收缩率[2]。故弹性支撑的材料断裂延伸率为判断弹性支撑是否适用的标准。弹性支撑极限和疲劳延伸度计算结果见表8。

表8 弹性支撑极限和疲劳延伸率计算结果 %

要求公式型号A型号B型号C极限2X12+X222tr+ta2·100%≤ε13.71<4019.14<4022.14<40疲劳2X1′2+X2′22tr+ta2·100%≤ε′9.97<1214.3>1217.15>12

从表8中可以得出,型号A可满足极限载荷要求,也满足疲劳载荷要求,可进行长期使用 。

5 变桨柜弹性支撑振动计算

弹性支撑是风机的关键部件,如何选择合适的弹性支撑刚度是非常关键的,既要起到减振的效果,还要保证弹性支撑有足够的强度和寿命。弹性支撑的破坏有多重原因,如振动、强度不够和安装工艺影响等,但是弹性支撑厂家不会考虑弹性支撑刚度对整个机组的影响,因此就需要研究弹性支撑对整个机组的影响,需考虑共振[3],即变桨柜的固有频率不能与风机的激励频率发生共振。

弹性支撑用于轮毂内的变桨控制柜和电池柜的减振支撑,因电池柜安装在轮毂外壁面离轮毂中心更远且质量更大,因此其受载条件相对控制柜更苛刻,故弹性支撑的选型以电池柜的受载为输入即可。弹性支撑选型计算所需的主要输入参数见表1。

机组最大激励频率f=n′/60=0.234 Hz。

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计算得出当选用型号A弹性支撑时,变桨柜固有频率与机组风轮转动频率相差较大,不会引起共振。

6 结语

根据实际应用要求,此弹性支撑的选型要素:弹性支撑能满足极限和疲劳载荷的要求,变形量可以完全抵消或者部分抵消轮毂受载后在安装点的变形量,叶轮旋转过程中变桨柜因离心力产生的位移量,以及变桨柜自身的质量引起的位移量这三个变形量之和;材料性能满足要求,保护变桨柜不产生变形或变形量在可允许范围内,以避免柜体和柜体内部零件受到损伤,并且避免变桨柜减振系统与机组产生共振。

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风力发电机变桨柜采用弹性支撑应用自投入实际运行,至今已经稳定运行多年,验证了弹性支撑的可靠性,计算选型方法是成功的。

参考文献

在描述界线时,应将具有代表性特征的走势方向、长度以及经过的标志性地物、地势、地貌等自然要素和人工要素均进行清晰、完整的描述,且与实际情况保持一致,整体要做到对界线的描述完整、准确、简明、扼要。

[1] RisΦ国家实验室, 挪威船级社. 风力发电机组设计导则[M]. 杨校生, 何家兴, 刘东远, 等译. 北京: 机械工业出版社, 2011: 1.

[2] 金康宁, 谢群丹. 材料力学[M]. 北京: 北京大学出版社, 2006.

[3] 阳小林, 廖晖, 宋聚众, 等. 齿轮箱弹性支撑对风电机组性能的影响[J]. 东方汽轮机, 2014(4): 47-54.

中型会计师事务所的业务量及待遇不能满足从业人员对培训与提高专业水平的需求,因而常出现“人才流失、人员流动”的现象,从而最终导致人力资源损失较大的局面。小型会计师事务所则面临人员不足和人员素质不达标的问题,因而其发展也是更为困难的。

[4] 倪振华. 振动力学[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1986.

英语教学过程,并不是一个简单的教师“教”和学生“学”的过程,教师要充分发挥自己的智慧,从学生的实际出发,改变传统的教材观,以“巧妙结合”、“相机补充”、“适时调整”等方式对教材进行教学要求下的“活化”处理。从而用足教材,让教学更有实效性;用厚教材,让教学更有丰富性;用对教材,让教学更有针对性。

李红梅,王冰
《发电设备》 2018年第02期
《发电设备》2018年第02期文献

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