黏弹阻尼器在高速抽水蓄能电机轴系支撑中的应用研究

刘 政，陈泓宇，王申贵，梁宇强

（1．东方电机有限公司，四川省德阳市 618000；2．南方电网调峰调频发电公司工程建设管理分公司，广东省广州市 510600）

0 引言

近年来，以大型抽水蓄能为代表的高转速水电机组在中国蓬勃发展。这类电机由于额定容量较大（≥200MW）、转速高（通常≥300r/min），其电机转子及轴系的稳定性研究显得尤为重要，直接关系着机组的运行效果及运行安全。

蓄能电机在运行过程中，转动部件会受到径向力的影响，其轴系的径向支撑，是蓄能电机支撑中最重要的一环，影响着电机临界转速、基础受力、运行振摆等关键指标。因此，对蓄能电机轴系径向支撑方式的深入研究与选择，是该类电机设计创新和优化的方向之一。

1 高速蓄能电机常用轴系径向支撑方式

水轮发电机轴系的径向支撑，包括导轴承、上下机架、连接部件等单元，将电机径向力传递至基础。水轮发电机轴系径向支撑设计，主要有这几种方式：

（1）纯径向支撑。这是一种辐射型结构的机架。由于机架热膨胀作用，通常会在机架支臂与基础之间设置弹簧板以保护基础[1]。由于蓄能支撑刚度的较要求，热膨胀时弹簧板对基础的作用力仍然较大。为保护基础，在支臂设置剪断销，然而如果剪断销自身断裂也会带来麻烦，影响机组的正常运行。

（2）纯切向支撑。通常机坑壁混凝土能承受的切向力高于径向力。通过一定的结构，如八卦型机架，将径向力转化为切向力，以保护基础[2]。由于间隙的存在，这种支撑的支撑刚度偏低，对于高速蓄能机组，不利于进一步提高其振摆性能。

（3）斜元件全约束支撑。机架支臂倾斜，固定于基础上，通过支臂的倾斜变形，释放热膨胀径向力。这将影响到整个机组的支撑、连接系统，要求与之连接的其他部件也能通过变形适应机架的变化，比如机座、管路都要能适应变形位移的影响。

高速蓄能电机与传统水轮发电机相比，其转速高、工况转换频繁，决定了轴系径向支撑受力也更加多变，支撑部件要求也更高。因此，面对高速蓄能机组越来越高的安全性、稳定性要求，寻找一种能消除以上支撑方式可能带来不利、不便因素，且更加便捷、有效的支撑方式，变得越来越迫切。

2 黏弹阻尼器在高速抽水蓄能电机轴系支撑中的应用

2．1 黏弹阻尼器的应用场景

黏弹阻尼器最早是被用于军事、航天等精密工业中，直到20世纪90年代才逐渐开始有学者研究其在工程领域中的应用[3]。

黏弹阻尼器主要是利用黏弹性材料的耗能滞回特性，达到加大结构阻尼、减小结构动力反应的效果。比如在老建筑的加固改造中，经常使用阻尼器，用以防止主体结构在地震作用下出现明显的非弹性变形，快速地减小地震位移，保护结构免受迫害[4]。目前一般主要运用于大型建筑、桥梁等行业，起到耗能减振、提升抗震性能的作用。

研究发现，黏滞阻尼器本身的原理，与水电轴系支撑的要求比较契合。近年来水电行业也开始引入黏弹阻尼器。对于高速蓄能电机轴系径向支撑而言，设计一种带有黏滞阻尼器的支撑方式，可以克服以往支撑方式上的不利、不便因素，追求更加稳定的动力特性。

图1为一种应用于某电站大容量高转速抽水蓄能的单向黏弹阻尼器。这种阻尼器外形为一个柱体，一端底座与轴系支撑部件把合，另一端支撑于基础上，属于纯径向支撑系统的一种方式。

图1 M电站大容量高速蓄能电机单向黏弹阻尼器Figure 1 Viscoelastic damper in pumped storage MG of M project

2．2 高速蓄能电机中黏弹阻尼器的设计策略

大型抽水蓄能电机的轴系径向支撑，一方面由于其长铁芯、高转速特点，对提高轴系临界转速设计提出了挑战[5、6]。而提高轴系临界转速，需要较高的支撑刚度；另一方面，由于其电机内部热量传导，导致支撑部件因温度上升而径向热膨胀，对混凝土径向受力也提出了要求。

因此这种大型电机，采用黏弹阻尼器作为其轴系径向支撑，除了通常进行的阻尼减振研究外，还需要特别关注两方面的需求：

（1）能否顺畅地释放热膨胀力 —— 较小的静态刚度。

（2）能否提供足够的动态支撑 —— 较高的动态刚度。

阻尼器的参数设计，首先需满足这两方面的需要[7、8]。以下将围绕这两方面对黏弹阻尼器进行展开分析。

2.2.1 静态刚度设计

这种阻尼器拥有动态与静态两种支撑刚度。相当于两种刚度的弹性装置并联。当以缓慢的速度施压阻尼器时，其表现为较小的静态刚度ks，其模型示意如图2所示。此时上侧的弹性装置在起作用。

图2 缓慢施压时的黏弹阻尼器模型示意图Figure 2 Model of the viscoelastic damper with low speed

受力Fs可表达为：

式中：F0——预紧力；

Ks——静态刚度；

Δx——位移量。

蓄能电机轴系支撑部件热膨胀时，正是静态刚度ks在起作用。对基础的热膨胀力主要表现为ks·Δx，最终将由基础混凝土承受。在其他径向支撑结构中，基础可能需要承受800～1500kN热膨胀力。如果将产生的热膨胀力控制在200kN以内，将对高速蓄能产品产生显著的意义。因此，需结合支撑部件尺寸、温度变化综合考虑设计黏弹阻尼器静态刚度参数。

以某蓄能电站为例，其缓慢热膨胀时，阻尼器静态刚度ks=90kN/mm。

轴系支撑径向支臂长度：L=4.3m；冷热时温度差最大：Δt≈20℃。按每米每度0.01mm膨胀量计算，支臂因温升产生的伸长量为：

因此支架热膨胀额外带来的基础受力为：

对比其他径向支撑结构，基础所受热膨胀力得到了显著的降低。

2.2.2 动态刚度设计

当以较快的速度施压阻尼器时，其表现为较大的动态刚度kd，其模型示意如图3所示。受力Fd受到速度影响，此时上、下侧的弹性装置都在起作用。由于下侧装置的刚度远高于上侧，因此整体刚度接近于模型下侧装置。

图3 快速施压时的黏弹阻尼器模型示意图Figure 3 Model of the viscoelastic damper with high speed

受力Fd可近似表达为：

式中：F0——预紧力；

ks——静态刚度；

C——系数；

V——速度因子；

ε——设计系数。

快速施压情况下，式（2）比式（1）多一项速度因子。通过黏弹性介质以及孔缩效应的设计[3]，使得kd≫ks，以达到一定速度下的所需刚度。

蓄能机组的实际支撑总刚度，由油膜koil、支架kbra、阻尼器组合kdc、基础kcon等刚度组成。总体刚度kali为：

如果总刚度Kall组成部分的任何一个刚度因子太小，则无论其他刚度多高，都将显著影响最终总刚度。其中油膜Koil、支架Kbra由主机结构设计确定，基础Kcon由设计院确定，Kdc的选择，应结合这些刚度值与临界转速对总刚度要求，进行设计。

如某蓄能机组，飞逸时Koil=9×106N/mm；Kbra=10×106N/mm。

Kcon=6×106N/mm；总刚度要求Kall=1.8×106N/mm，则：

即：Kdc=5.6×106N/mm

此处Kdc由多个阻尼器组合而成，根据具体结构和分布，单个阻尼器kd≥3×106N/mm即可满足总刚度要求。

在高转速蓄能中，为保证轴系临界转速要求，单个阻尼器kd一般性取值在2.0～4.5×106N/mm范围内。

2.2.3 提高支撑刚度的预紧策略

对于一些大容量高转速蓄能电机而言，还需要进一步增加支撑刚度。

一方面可以继续增加单个阻尼器kd，但受限于阻尼器的设计与成本；一方面也可以增加并联阻尼器数量，但同样受限于空间与成本。是否有其他方案，可以在尽量减少设计成本、减少空间布局的同时也能达到增加总支撑刚度的效果？

由于以上所述阻尼器结构型式为受压、单向提供支反力。蓄能电机黏弹支撑模型示意图如图4所示（取其中对称的两条支臂，并单独研究黏弹阻尼器）：

图4 蓄能黏弹阻尼器模型示意图Figure 4 Model of the viscoelastic damper support in MG

假设阻尼器静止时处于自由状态。当施加一个径向向左的动态力Fd时，左边阻尼器被压缩Δx，而右边处于脱离状态，如图5所示。

图5 径向力影响下的蓄能黏弹阻尼器模型示意图Figure 5 Model of the viscoelastic damper support in MG with radial force

此时，Fd=kd·Δx。系统的径向刚度为一个阻尼器的刚度kd。

根据前文所述，高速抽水蓄能机组对于支撑刚度要求较高，因此，进一步增加支撑系统的整体刚度有现实的意义。分析表明，可采用施加预紧力F0的方法提高整体刚度，如图6所示。

图6 预紧的蓄能黏弹阻尼器模型示意图Figure 6 Model of the preloaded viscoelastic damper support in MG

在径向力Fd作用下：

当径向力不超过预紧力时，系统径向刚度为：2kd。

根据高速蓄能机组实际受力情况，该预紧力F0推荐取值200～400kN。

由于预紧力的存在，实现了刚度的进一步提升。同时也为基础混凝土带来了额外的200～400kN初始力，以当前基础的刚强度完全可以承受该附加力。

如果想在此基础上，再进一步削弱对基础的力，则需要在黏弹阻尼器的结构型式上进行进一步的探索。

2.2.4 新型双向黏弹阻尼器展望

如果阻尼器可双向提供支反力与拉力，则可以不通过预紧来实现支撑刚度的进一步提升。如图7所示，无预紧，在径向力Fd作用下，移动Δx，左侧阻尼器提供支反力Fdy，右侧阻尼器提供拉力Fdl。

图7 蓄能双向黏弹阻尼器模型示意图Figure 7 Model of the two-way viscoelastic damper support in MG

列出受力平衡方程：

同样，也实现了系统径向刚度为2kd的提升。并且理论上可以无需预紧。

从结构实现的层面上而言，这种阻尼器的难度在于，由于一端固定于轴系机架，一端固定于基础上，因此中间需要设计有一定角度自由度且可耐受轴系力的可靠的机械结构。目前这种双向阻尼器已经进行了初步设计，并在某小型高速常规水电机组试用。

一般来说，基础可耐受的拉力比可耐受的压力要小。如果径向拉力较大，为了调配拉力与压力的比例，也需要根据混凝土设计，实施一定量的预紧。

2．3 黏弹阻尼器真机应用效果

在额定发电容量300MW、额定转速375r/min、额定电压18kV的某蓄能项目1号机使用单向黏弹阻尼器。应用效果如表1所示：

表1 M蓄能项目黏弹阻尼器应用效果Table 1 The effect of using viscoelastic damper in M project

该蓄能电机优秀的振摆数据和较小的基础受力表明黏弹阻尼器在实际高速蓄能电机中有较高的应用价值。

3 结束语

黏弹阻尼器应用于高速蓄能机组可同时起到降低基础受力、提供较好刚度的作用，还能在一定程度上降低振动。本文采用从高速蓄能机组轴系支撑的特点，以及黏弹阻尼器的特征入手，分析了黏弹阻尼器在蓄能工程中的应用及其注意事项，并对其静态刚度、动态刚度进行了设计剖析，提出了进一步增加动态刚度的可取方案，并展望了新型双向阻尼器的应用。