弹性支撑对风力发电机振型影响的仿真分析研究

赵震，谭亮，梁双全，黄奕

(江苏中车电机有限公司，江苏 大丰 224100)

0 引言

国内外风电市场经过前几年的迅速发展，目前进入稳步发展阶段，但是随着风力发电机市场的发展，也出现了很多意想不到的问题。其中风力发电机作为发电机机组的主要旋转部件，其运行的稳定性直接影响着整个机组的性能。发电机运行振动大是一种常见的故障，已经成为影响风力发电机机组整体性能的重要因素。振动过大不仅影响到发电机本身部件的结构稳定性、可靠性、疲劳强度等，也会影响发电机机组主要部件的运行可靠性、稳定性及疲劳等问题[1]。

双馈风力发电机作为一种广泛应用的旋转发电机应用于风力发电领域[2]，如果在设计初期不能对发电机每个部件及整体结构进行模态仿真分析，并选择合适的弹性支撑，一旦装机后出现发电机振动大，就可能导致零部件损坏、电动机扫膛、主轴弯曲及断裂等问题，直接影响到风力发电机安全运行等问题。因此对双馈风力发电机在设计初期进行模态仿真分析，避免发电机运行时出现振动方面的问题尤为重要[3]。

发电机振动评价不仅在电动机行业也在风力发电行业作为评价一个电动机能不能可靠运行的重要指标[4]，目前国内外对发电机振动问题也做了很多研究，而在弹性支撑选择对发电机振动影响方面研究的还是比较少的。本文以某款双馈风力发电机为原型，对其在两种刚度弹性支撑下进行模态仿真分析，对比弹性支撑刚度对发电机振动频率的影响，进而寻找更有效的减少发电机振动的措施。

1 建立发电机有限元仿真模型[5-7]

用三维软件建立实体三维模型，在有限元仿真分析软件中对三维模型进行网格划分和材料属性添加。实体三维模型如图1所示。

图1 某双馈实体三维模型

双馈风力发电机主要部件材料属性如表1所示。

表1 分析采用的材料力学参数

2 模态仿真分析[8-10]

对发电机进行模态仿真分析，首先对发电机主要部件进行固有频率仿真分析，其次对发电机在使用刚度为10kN/mm的弹性支撑下进行模态分析，最后对发电机在使用刚度为12kN/mm的弹性支撑下进行模态分析。模态分析时轴承刚度输入条件如表2所示。

表2 轴承刚度 (N/mm)

2.1 发电机固有频率仿真分析

对发电机整体进行模态仿真分析，前9阶固有频率如表3所示，前9阶固有频率振型如图2所示。

表3 发电机整体的固有频率

图2 前9阶固有频率振型

2.2 弹性支撑刚度为10 kN/mm时模态分析

对发电机整体在安装弹性支撑为10kN/mm的弹性支撑时进行模态仿真分析，弹性支撑主要参数如表4和表5所示，前9阶振动频率如表6所示，其中前9阶静态刚度时振型如图3所示(由于前9阶振型一致只是频率不一致，动态刚度振型图在此省略)。

表4 弹性支撑为10 kN/mm静态刚度 (N/mm)

表5 弹性支撑为10 kN/mm动态刚度 (N/mm)

表6 弹性支撑为10 kN/mm时的振动频率 Hz

图3 弹性支撑为10 kN/mm静态刚度前9阶振型

2.3 弹性支撑刚度为12 kN/mm时模态分析

对发电机整体在安装弹性支撑为12kN/mm的弹性支撑时进行模态仿真分析，弹性支撑主要参数如表7和表8所示，前9阶振动频率如表9所示，其中前9阶静态刚度时振型如图4所示(由于前9阶振型一致只是频率不一致，动态刚度振型图在此省略)。

表7 弹性支撑12 kN/mm静态刚度 (N/mm)

表8 弹性支撑12 kN/mm动态刚度 (N/mm)

表9 弹性支撑12 kN/mm时的振型频率 Hz

图4 弹性支撑为12kN/mm静态刚度前9阶振型

3 结语

1) 发电机在自由状态下，发电机的第一阶频率比较高，发电机振型主要是局部的振动；在使用不同刚度弹性支撑后，发电机振型及频率发生了一定的变化。从第一阶频率可以看出来，随着弹性支撑的刚度增加，第一阶的振动频率也在增加；从振型来看，前几阶主要是发电机的整体振动，这种变化虽然不大，但是已经可以看出不同刚度弹性支撑对发电机振型和频率有一定影响。

2) 在没有使用弹性支撑的图2振型中可以看出来，振型都是局部振动。在使用弹性支撑后，从图3和图4中可以看出前7阶主要是发电机的整体振动，7阶以后才出现发电机结构的局部振动，这种变化主要是选择的弹性支撑刚度引起的。

3) 在使用弹性支撑后，7阶以后的振动出现主要是发电机结构设计引起的局部振动，要想消除7阶以后的振动，只能对发电机结构件进行优化设计，防止出现共振现象。