CN114607731A - 一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器及优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器及优化设计方法,包括:安装座,安装座固定在基座上;顶盖,顶盖位于安装座上方,顶盖与发电机连接座连接;安装座与顶盖间设有橡胶金属复合环,安装座与顶盖间设有横向隔振器,纵向隔振器和垂向隔振器。本发明中安装座与顶盖间设有橡胶金属复合环,橡胶金属复合环在发电机发生振动时可以产生内能耗散振动能量。安装座与顶盖间设有横向隔振器,纵向隔振器和垂向隔振器,三个方向的隔振器可以各自缓冲对应方向的振动,降低某一方向的振动对其他方向振动的影响,避免发电机各方向振动耦合,实现发电机三向解耦隔振。通过优化设计可以提高本隔振器的隔振效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔振器及优化设计方法,具体涉及一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器及优化设计方法。
背景技术
发电机作为风电机组最重要的部件之一,其运行的稳定性将直接影响机组性能。发电机的振动状态是评定发电机质量和机组可靠性的重要指标,振动过大将会导致电机运行稳定性破坏,造成机组故障停机,甚至导致机组安全事故。为此,国内外风电行业均有相关标准,对发电机机械振动的测量和评估方法提出了要求。
风电机组发电机结构是由联轴器-转子-轴承-定子-隔振器-基础构成的复杂机电耦合系统,由于发电机质心、支撑点中心和振动激励力作用点不重合,发电机振动响应将在多个自由度产生不同程度的耦合。隔振器作为发电机与机架之间的弹性支撑元件,其三个方向的刚度阻尼参数均对系统动力学特性有显著影响,若各向刚度设计合理,可有效避免发电机在工作转速范围内发生共振,降低发电机振动水平。
一些发明人针对上述问题提出了一些解决方案,例如公开号为CN101943135A公开的名称为“风力发电机弹性支撑件”的发明专利,其主要结构为锥形上罩、下罩和夹在上、下罩之间的弹性体,是目前风电机组发电机隔振器的主流结构形式,其中弹性体通常为橡胶,通过橡胶缓冲吸振。然而,该种结构形式的隔振器受橡胶性能制约较大,比如隔振器的静态压缩量不能过大,对低频的减振效果不理想等。
公开号为CN101943135A公开的名称为“风力发电机弹性支撑件”的发明专利,其将滚珠丝杠惯容器安置在橡胶金属复合件的内部并与其形成并联支撑作用,提升了橡胶隔振器的低频隔振能力。然而,该发明专利仅在橡胶隔振器竖直方向并联滚珠丝杠,隔振器水平方向的刚度未解耦、减振性能仍然受橡胶制约,对发电机无法实现较好的减振效果。
发明内容
本发明是为了提供一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器及优化设计方法,其通过三个方向的隔振器实现风电机组发电机三向解耦隔振,采用优化设计方法后可以进一步得到三个方向的隔振器的关键参数的优化范围。
本发明的技术方案是:
一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器,包括:
安装座,安装座固定在基座上;
顶盖,顶盖位于安装座上方,顶盖与发电机连接座连接;
安装座与顶盖间设有橡胶金属复合环,安装座与顶盖间设有横向隔振器,纵向隔振器和垂向隔振器。
本方案的三向解耦的风电机组发电机用隔振器,安装座与顶盖间设有橡胶金属复合环,橡胶金属复合环在发电机发生振动时可以产生内能耗散振动能量。安装座与顶盖间设有横向隔振器,纵向隔振器和垂向隔振器,三个方向的隔振器可以各自缓冲对应方向的振动,降低某一方向的振动对其他方向振动的影响,避免发电机各方向振动耦合,实现发电机三向解耦隔振。
作为优选,所述横向隔振器包括第一封装套,第一封装套螺母和第一丝杠,第一封装套横向固定在安装座上,第一封装套螺母横向固定在顶盖上,第一丝杠配合在第一封装套螺母内,第一丝杠一端伸入第一封装套内,第一丝杠位于第一封装套内的一端固定有第一飞轮;纵向隔振器包括第二封装套,第二封装套螺母和第二丝杠,第二封装套纵向固定在安装座上,第二封装套螺母纵向固定在顶盖上,第二丝杠配合在第二封装套螺母内,第二丝杠一端伸入第二封装套内,第二丝杠位于第二封装套内的一端固定有第二飞轮;垂向隔振器包括丝杠螺栓和质量块螺母,丝杠螺栓垂向固定在顶盖上,丝杠螺栓一端伸入安装座内,质量块螺母配合在丝杠螺栓上,质量块螺母与安装座间配合设置有滚动轴承。
以垂向隔振器为例,当发电机发生垂向振动时,振动使丝杠螺栓发生平动,进而转化为质量块螺母的转动,如此将上百千克的惯性质量转化为质量仅有几百克的质量块螺母的转动,从而有效吸收并耗散振动能量,同理,横向隔振器和纵向隔振器在对应方向亦有相同的效果。
作为优选,所述丝杠螺栓伸入安装座内的一端固定有限位块。限位块可以限制丝杠螺栓的位移,如此能避免极端情况下顶盖的垂向位移过大导致结构破坏。
作为优选,所述安装座顶部设有台阶孔,滚动轴承配合在台阶孔内,安装座顶面固定有压板,压板用于压紧滚动轴承。如此能确保滚动轴承对丝杠螺栓的径向支撑和约束。
作为优选,所述滚动轴承内圈与质量块螺母过盈配合。如此能减少滚动轴承内圈与质量块螺母间的滑动摩擦,延长质量块螺母的使用寿命。
作为优选,所述安装座和顶盖上部呈圆锥台状,橡胶金属复合环设置在安装座和顶盖的圆锥面之间。如此橡胶金属复合环在发电机发生各向振动时都能较好地耗散能量,提高本方案的三向解耦的风电机组发电机用隔振器的隔振效果。
一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器的优化设计方法,包括:
第一,测定橡胶金属复合环在横向、纵向和垂向三个维度的刚度k1,k2,k3;
第二,计算横向隔振器,纵向隔振器和垂向隔振器的惯容的惯质系数b1,b2,b3;
第三,计算系统在横向、纵向和垂向三个维度的固有频率f1,f2,f3;
第四,根据风电机组发电机的使用场合,可以得到系统外载频率的范围,得出第一飞轮,第二飞轮,质量块螺母的尺寸范围,使f1,f2,f3避开外载频率,避免发生共振;
第五,计算横向隔振器,纵向隔振器和垂向隔振器在各自维度位移量为x时的耗散能量及橡胶金属复合环在该位移量时的耗散能量,根据第四步中得到的第一飞轮,第二飞轮,质量块螺母的尺寸范围,优化缩小第一飞轮,第二飞轮,质量块螺母的尺寸范围。
第二步中,惯质系数b1=J1*(2*π/p1)^2,其中,J代表转动惯量,p代表丝杠螺距;则J1=m1*r1^2/2,其中,m代表飞轮质量,r代表飞轮等效半径。
第三步中,f1=(k1/(M+b1))^0.5/(2*π),其中,M代表发电机系统质量。
第四步中,系统外载频率的主要来源为转子不平衡、不对中和气隙磁场产生的径向电磁力波,根据这三个已知的数据得到外载频率的范围。
第五步中,发电机发生横向位移x1时,横向隔振器吸收的能量为E1=0.5*J1*w1^2,其中,J代表转动惯量,w代表角速度;则w1=2*π*v1/p1,其中,v代表惯容两端的相对速度,p代表丝杠螺距。橡胶金属复合环吸收的能量为U1=0.5*k1*x1^2。
在上述约束条件下,根据设计需要,如安全系数、成本、加工难度和装配难度等因素,优化缩小第一飞轮,第二飞轮,质量块螺母的尺寸范围。
本发明的有益效果是:
1.本发明在横向、纵向和竖向实现三维解耦隔振作用,可根据发电机实际振动情况灵活配置各个惯容,充分利用各特定方向隔振系统的隔振性能。
2.本发明可以通过惯质系数有效调整振动系统的固有频率,使固有频率远离外激振频率,避免共振的发生。
3.通过滚珠丝杠惯容能实现将上百千克的惯性质量转化为质量只有几百克的飞轮旋转中,从而能够有效吸收并耗散振动能量,因此惯容惯容器对系统振动的振幅有明显降低作用。具惯容的弹性支撑隔振器的对风力发电机的减振效果明显优于普通弹性支撑。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为本发明的剖面结构示意图。
图中:
安装座1,台阶孔1.1;
顶盖2;
橡胶金属复合环3;
横向隔振器4,第一封装套4.1,第一封装套螺母4.2,第一丝杠4.3,第一飞轮4.4;
纵向隔振器5,第二封装套5.1,第二封装套螺母5.2,第二丝杠5.3,第二飞轮5.4;
垂向隔振器6,丝杠螺栓6.1,质量块螺母6.2,滚动轴承6.3,限位块6.4;
压板7。
具体实施方式
为使本发明技术方案实施例目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚地解释和说明,但下述实施例仅为本发明的优选实施例,而不是全部实施例。基于实施方式中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例,都属于本发明的保护范围。
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本方案,而不能解释为对本发明方案的限制。
参照下面的描述和附图,将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中,具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式,但是应当理解,本发明的实施例的范围不受此限制。相反,本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定,“若干”的含义是表示一个或者多个。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体:可以是机械连接,也可以是电连接或彼此可通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施例一:如图1和图2所示,一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器,包括:
安装座1,安装座1固定在基座上;
顶盖2,顶盖2位于安装座1上方,顶盖2与发电机连接座连接;
安装座1与顶盖2间设有橡胶金属复合环3,安装座1与顶盖2间设有横向隔振器4,纵向隔振器5和垂向隔振器6。
本实施例的三向解耦的风电机组发电机用隔振器,安装座1与顶盖2间设有橡胶金属复合环3,橡胶金属复合环3在发电机发生振动时可以产生内能耗散振动能量。安装座1与顶盖2间设有横向隔振器4,纵向隔振器5和垂向隔振器6,三个方向的隔振器可以各自缓冲对应方向的振动,降低某一方向的振动对其他方向振动的影响,避免发电机各方向振动耦合,实现发电机三向解耦隔振。
进一步的,横向隔振器4包括第一封装套4.1,第一封装套螺母4.2和第一丝杠4.3,第一封装套4.1横向固定在安装座1上,第一封装套螺母4.2横向固定在顶盖2上,第一丝杠4.3配合在第一封装套螺母4.2内,第一丝杠4.3一端伸入第一封装套4.1内,第一丝杠4.3位于第一封装套4.1内的一端固定有第一飞轮4.4;纵向隔振器5包括第二封装套5.1,第二封装套螺母5.2和第二丝杠5.3,第二封装套5.1纵向固定在安装座1上,第二封装套螺母5.2纵向固定在顶盖2上,第二丝杠5.3配合在第二封装套螺母5.2内,第二丝杠5.3一端伸入第二封装套5.1内,第二丝杠5.3位于第二封装套5.1内的一端固定有第二飞轮5.4;垂向隔振器6包括丝杠螺栓6.1和质量块螺母6.2,丝杠螺栓6.1垂向固定在顶盖2上,丝杠螺栓6.1一端伸入安装座1内,质量块螺母6.2配合在丝杠螺栓6.1上,质量块螺母6.2与安装座1间配合设置有滚动轴承6.3。
以垂向隔振器6为例,当发电机发生垂向振动时,振动使丝杠螺栓6.1发生平动,进而转化为质量块螺母6.2的转动,如此将上百千克的惯性质量转化为质量仅有几百克的质量块螺母6.2的转动,从而有效吸收并耗散振动能量,同理,横向隔振器4和纵向隔振器5在对应方向亦有相同的效果。
进一步的,丝杠螺栓6.1伸入安装座1内的一端固定有限位块6.4。限位块6.4可以限制丝杠螺栓6.1的位移,如此能避免极端情况下顶盖2的垂向位移过大导致结构破坏。
进一步的,安装座1顶部设有台阶孔1.1,滚动轴承6.3配合在台阶孔1.1内,安装座1顶面固定有压板7,压板7用于压紧滚动轴承6.3。如此能确保滚动轴承6.3对丝杠螺栓6.1的径向支撑和约束。
进一步的,滚动轴承6.3内圈与质量块螺母6.2过盈配合。如此能减少滚动轴承6.3内圈与质量块螺母6.2间的滑动摩擦,延长质量块螺母6.2的使用寿命。同时,质量块螺母6.2用高性能优质钢8620H制成,在滚道表面镀覆耐磨和防腐防水保护层,以进一步延长质量块螺母6.2的使用寿命。
进一步的,安装座1和顶盖2上部呈圆锥台状,橡胶金属复合环3设置在安装座1和顶盖2的圆锥面之间。如此橡胶金属复合环3在发电机发生各向振动时都能较好地耗散能量,提高本实施例的三向解耦的风电机组发电机用隔振器的隔振效果。
一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器的优化设计方法,包括:
第一,测定橡胶金属复合环3在横向、纵向和垂向三个维度的刚度k1,k2,k3;
第二,计算横向隔振器4,纵向隔振器5和垂向隔振器6的惯容的惯质系数b1,b2,b3;
第三,计算系统在横向、纵向和垂向三个维度的固有频率f1,f2,f3;
第四,根据风电机组发电机的使用场合,可以得到系统外载频率的范围,得出第一飞轮4.4,第二飞轮5.4,质量块螺母6.2的尺寸范围,使f1,f2,f3避开外载频率,避免发生共振;
第五,计算横向隔振器4,纵向隔振器5和垂向隔振器6在各自维度位移量为x时的耗散能量及橡胶金属复合环3在该位移量时的耗散能量,根据第四步中得到的第一飞轮4.4,第二飞轮5.4,质量块螺母6.2的尺寸范围,优化缩小第一飞轮4.4,第二飞轮5.4,质量块螺母6.2的尺寸范围。
第二步中,惯质系数b1=J1*(2*π/p1)^2,其中,J代表转动惯量,p代表丝杠螺距;则J1=m1*r1^2/2,其中,m代表飞轮质量,r代表飞轮等效半径。
第三步中,f1=(k1/(M+b1))^0.5/(2*π),其中,M代表发电机系统质量。
第四步中,系统外载频率的主要来源为转子不平衡、不对中和气隙磁场产生的径向电磁力波,根据这三个已知的数据得到外载频率的范围。
第五步中,发电机发生横向位移x1时,横向隔振器4吸收的能量为E1=0.5*J1*w1^2,其中,J代表转动惯量,w代表角速度;则w1=2*π*v1/p1,其中,v代表惯容两端的相对速度,p代表丝杠螺距。橡胶金属复合环3吸收的能量为U1=0.5*k1*x1^2。
在上述约束条件下,根据设计需要,如安全系数、成本、加工难度和装配难度等因素,优化缩小第一飞轮4.4,第二飞轮5.4,质量块螺母6.2的尺寸范围。必要时也可以调节第一丝杠4.3,第二丝杠5.3和质量块螺母6.2的螺距。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换,均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器,其特征是,包括:
安装座(1),安装座(1)固定在基座上;
顶盖(2),顶盖(2)位于安装座(1)上方,顶盖(2)与发电机连接座连接;
安装座(1)与顶盖(2)间设有橡胶金属复合环(3),安装座(1)与顶盖(2)间设有横向隔振器(4),纵向隔振器(5)和垂向隔振器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器,其特征是,所述横向隔振器(4)包括第一封装套(4.1),第一封装套螺母(4.2)和第一丝杠(4.3),第一封装套(4.1)横向固定在安装座(1)上,第一封装套螺母(4.2)横向固定在顶盖(2)上,第一丝杠(4.3)配合在第一封装套螺母(4.2)内,第一丝杠(4.3)一端伸入第一封装套(4.1)内,第一丝杠(4.3)位于第一封装套(4.1)内的一端固定有第一飞轮(4.4);纵向隔振器(5)包括第二封装套(5.1),第二封装套螺母(5.2)和第二丝杠(5.3),第二封装套(5.1)纵向固定在安装座(1)上,第二封装套螺母(5.2)纵向固定在顶盖(2)上,第二丝杠(5.3)配合在第二封装套螺母(5.2)内,第二丝杠(5.3)一端伸入第二封装套(5.1)内,第二丝杠(5.3)位于第二封装套(5.1)内的一端固定有第二飞轮(5.4);垂向隔振器(6)包括丝杠螺栓(6.1)和质量块螺母(6.2),丝杠螺栓(6.1)垂向固定在顶盖(2)上,丝杠螺栓(6.1)一端伸入安装座(1)内,质量块螺母(6.2)配合在丝杠螺栓(6.1)上,质量块螺母(6.2)与安装座(1)间配合设置有滚动轴承(6.3)。
3.根据权利要求2所述的一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器,其特征是,所述丝杠螺栓(6.1)伸入安装座(1)内的一端固定有限位块(6.4)。
4.根据权利要求2所述的一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器,其特征是,所述安装座(1)顶部设有台阶孔(1.1),滚动轴承(6.3)配合在台阶孔(1.1)内,安装座(1)顶面固定有压板(7),压板(7)用于压紧滚动轴承(6.3)。
5.根据权利要求2所述的一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器,其特征是,所述滚动轴承(6.3)内圈与质量块螺母(6.2)过盈配合。
6.根据权利要求1所述的一种三向解耦的风电机组发电机用隔振器,其特征是,所述安装座(1)和顶盖(2)上部呈圆锥台状,橡胶金属复合环(3)设置在安装座(1)和顶盖(2)的圆锥面之间。
7.一种权利要求2至5中任一条所述的三向解耦的风电机组发电机用隔振器的优化设计方法,其特征是,包括以下步骤:
第一,测定橡胶金属复合环(3)在横向、纵向和垂向三个维度的刚度k1,k2,k3;
第二,计算横向隔振器(4),纵向隔振器(5)和垂向隔振器(6)的惯容的惯质系数b1,b2,b3;
第三,计算系统在横向、纵向和垂向三个维度的固有频率f1,f2,f3;
第四,根据风电机组发电机的使用场合,可以得到系统外载频率的范围,得出第一飞轮(4.4),第二飞轮(5.4),质量块螺母(6.2)的尺寸范围,使f1,f2,f3避开外载频率,避免发生共振;
第五,计算横向隔振器(4),纵向隔振器(5)和垂向隔振器(6)在各自维度位移量为x时的耗散能量及橡胶金属复合环(3)在该位移量时的耗散能量,根据第四步中得到的第一飞轮(4.4),第二飞轮(5.4),质量块螺母(6.2)的尺寸范围,优化缩小第一飞轮(4.4),第二飞轮(5.4),质量块螺母(6.2)的尺寸范围。
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