風(fēng)電機(jī)組傳動鏈彈性支承的優(yōu)化

文 | Franz Mitsch 譯 | 周海濤

風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子葉片帶來必要的扭轉(zhuǎn)力矩，在產(chǎn)生能源的同時，轉(zhuǎn)子也會受到更多其他的載荷作用，主要是由于轉(zhuǎn)子葉片平面內(nèi)氣流的不均衡流入以及塔筒對氣流的影響。

每個轉(zhuǎn)子葉片在旋轉(zhuǎn)一圈過程中將會經(jīng)歷不同的風(fēng)速和風(fēng)向，進(jìn)而會對葉輪產(chǎn)生額外的不斷變化的力和力矩，這些力和力矩會進(jìn)一步向機(jī)組其他部件傳遞（如圖1所示）。對于如今葉輪旋轉(zhuǎn)直徑達(dá)到100m及以上的風(fēng)電機(jī)組來說，這些葉輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的外部載荷會對風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生巨大的影響。

為了讓風(fēng)電機(jī)組能夠平穩(wěn)地運(yùn)行并擁有較長使用壽命，如何盡可能地使風(fēng)電機(jī)組中的敏感機(jī)械部件遠(yuǎn)離所有的外部載荷變得愈加重要。當(dāng)然，不同的風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)要有不同的方法，除了幾個特殊的結(jié)構(gòu)之外，風(fēng)電機(jī)組的傳動鏈結(jié)構(gòu)基本分為四點支承結(jié)構(gòu)和三點支承結(jié)構(gòu)。下文將對它們做詳細(xì)介紹。

四點支承

四點支承結(jié)構(gòu)中的外部載荷將直接通過主軸軸承傳遞到主機(jī)架，然后再經(jīng)由偏航軸承傳遞到塔筒。因此，齒輪箱和發(fā)電機(jī)理應(yīng)只承受扭轉(zhuǎn)力矩（如圖2所示）。

這些作用在轉(zhuǎn)子上的很大的力和力矩會不可避免地造成主機(jī)架的變形。這種主軸和主機(jī)架之間的變形會通過齒輪箱彈性支承向齒輪箱傳遞。除了主機(jī)架的變形之外，整個機(jī)械傳動鏈中還存在著加工偏差，在主軸軸承和齒輪箱之間的所有加工偏差會形成偏差鏈。在安裝齒輪箱的時候這些累積的加工偏差就已經(jīng)對主軸軸承和齒輪箱在豎直方向產(chǎn)生約束載荷，約束載荷根據(jù)偏差的不同可能向上或者向下。

齒輪箱彈性力矩支承在傳遞輸入扭矩時所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)位移須要盡可能的小，因此彈性力矩支承的剛度須要有一個下限。

下面這個實例中，傳統(tǒng)的彈性支承會對齒輪箱在豎直方向產(chǎn)生3000kN的載荷，載荷的方向取決于偏差的中間值并會在向上或者向下的豎直方向之間進(jìn)行變換。作為敏感機(jī)械部件的齒輪箱第一級變速機(jī)構(gòu)中的行星架軸承會首先遭遇到這種交變載荷，另外也會出現(xiàn)行星架軸承不受載的狀況，這則會對軸承中的滾動零件產(chǎn)生非常不利的影響。

為了有效降低這種約束載荷，新研發(fā)出的液壓彈性支承，通過將有內(nèi)置液壓腔的彈性體用管路交叉連接并注入一定壓力的液體后而形成載荷的平衡，最終使得這種齒輪箱液壓彈性支承幾乎只傳遞扭轉(zhuǎn)力矩，而產(chǎn)生的約束載荷只有傳統(tǒng)彈性支承產(chǎn)生的約束載荷的10%（如圖3所示）。

圖1 四點支承結(jié)構(gòu)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子受到的各種載荷示例

圖2 轉(zhuǎn)子上的力和力矩會產(chǎn)生作用于齒輪箱支承的力

一、傳統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)下的齒輪箱載荷計算示例

力矩支承的豎直剛度 300kN/mm

安裝誤差 +1mm

主機(jī)架的變形量 4mm

=>產(chǎn)生的作用于齒輪箱的豎直方向載荷5mm×300kN/mm×2 = 3000kN

二、液壓彈性支承結(jié)構(gòu)下的齒輪箱載荷計算示例

力矩支承的豎直剛度 30kN/mm

安裝誤差 +1mm

主機(jī)架的變形量 4mm

=>產(chǎn)生的作用于齒輪箱的豎直方向載荷5mm×30kN/mm×2 = 300kN

液壓彈性支承的等效機(jī)械系統(tǒng)是一個液壓元件串聯(lián)一個開關(guān)彈簧，與其平行的還有一個低剛度的彈簧（如圖4所示）。

三、液壓彈性支承的功能原理

在承受輸入的扭轉(zhuǎn)力矩時，交叉連接起來的彈性體中的液體將同時被擠壓而不能夠產(chǎn)生流動，這時液壓彈性支承的剛度和阻尼特性和傳統(tǒng)的彈性支承基本是一樣的。

在豎直方向平移的時候，交叉連接的彈性體中的液體可以流動，彈性體的剛度變小。因此，在傳遞扭轉(zhuǎn)力矩的同時，齒輪箱可以發(fā)生豎直方向的平移，產(chǎn)生的約束載荷也是較小的。

液壓彈性聯(lián)軸器

之前所有具有徑向自由度的傳動鏈的扭轉(zhuǎn)耦合只可能通過一個雙聯(lián)軸平面的聯(lián)軸器來實現(xiàn)，但是由于成本和空間的原因，這種徑向可偏移式聯(lián)軸器在連接轉(zhuǎn)子和齒輪箱或者直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中連接轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)的應(yīng)用中通常會被舍棄。液壓彈性聯(lián)軸器則為我們提供了全新的視角（如圖5所示）。

這種液壓彈性聯(lián)軸器是基于與四點支承中的液壓彈性支承一樣的原理，成功實現(xiàn)了僅在一個聯(lián)軸平面內(nèi)的徑向可偏移性，該種徑向可偏移的聯(lián)軸器系統(tǒng)使得成本和空間需求幾乎減少了一半。

當(dāng)所連接的輸入軸和輸出軸發(fā)生徑向偏移時，液壓彈性系統(tǒng)里的液體會在相互連接的彈性體內(nèi)進(jìn)行流動，因此可以在保持足夠的扭轉(zhuǎn)剛度的同時實現(xiàn)低載荷阻力的徑向移動。通過對液體管路的特殊設(shè)計還可以給徑向偏移的振動提供相應(yīng)的阻尼。

圖3 液壓彈性支承系統(tǒng)具有較小的豎直平移剛度（綠色箭頭）和10倍大的扭轉(zhuǎn)剛度（紅色箭頭）

圖4 液壓彈性支承系統(tǒng)原理圖

圖5 液壓彈性聯(lián)軸器的6臂結(jié)構(gòu)（左）和3臂結(jié)構(gòu)（右）

此外，該系統(tǒng)還有一個特別的亮點。當(dāng)遇到短時的峰值載荷時，比如發(fā)電機(jī)出現(xiàn)短路，系統(tǒng)內(nèi)的液體能夠從彈性單元內(nèi)被釋放出來，這會使峰值載荷作用時間內(nèi)的剛度變小，并且在較小的剛度下產(chǎn)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)變形，作用于聯(lián)軸器的短時峰值載荷可以得到緩沖和補(bǔ)償。液體的釋放可以通過一個限壓閥來實現(xiàn)，當(dāng)液體壓力大于額定壓力值時閥門會打開，理想的狀況是液體直接被導(dǎo)入一個液壓蓄能器中。液壓蓄能器的初始壓力值被設(shè)定為比額定載荷下液體壓力值稍微大一點，這樣就可以確保在峰值載荷下液體流向液壓蓄能器，峰值載荷結(jié)束后液體立即重新流回到彈性體中，保證系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行。同時，液體流動所產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)可以阻止扭振的形成。

這種液壓彈性聯(lián)軸器系統(tǒng)已經(jīng)在帶有齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中得到實現(xiàn)和應(yīng)用。

液壓彈性支座

近期，帶有中速發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組越來越受到關(guān)注。此類風(fēng)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)通常與齒輪箱剛性連接在一起，發(fā)電機(jī)的額外重量使得齒輪箱和發(fā)電機(jī)作為一個整體的重心向后偏移，發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生向后的點頭力矩。因此，需要給發(fā)電機(jī)增加一個支座。

該支座的作用是只承載發(fā)電機(jī)的重量。無論在哪一種齒輪箱支承形式下，當(dāng)發(fā)電機(jī)相對主機(jī)架產(chǎn)生位移時，希望作用于發(fā)電機(jī)和主機(jī)架的動態(tài)載荷越小越好。因此該支座必須非常的軟，比如選用一個非常長的鋼制彈簧，但是由于載荷和變形量比較大，就必須把鋼制彈簧做的很大。

另外一個替代方案是使用液壓彈性支座（如圖6、圖7所示），它能夠?qū)崿F(xiàn)在較小的空間里以較小的剛度來承載較大的載荷。較大的彈性變形是通過彈性體中的液體流向一個與彈性體相連接的蓄能器來實現(xiàn)的。

液壓彈性支座的優(yōu)點如下：

（1）高載荷范圍內(nèi)具有很小的剛度。

（2）水平方向上很軟。

（3）容易安裝。

（4）所需要承載的力可以輕松調(diào)節(jié)。

三點支承

三點支承結(jié)構(gòu)指的是來自轉(zhuǎn)子的力和力矩會通過三個點向主機(jī)架上傳遞。一個點是與主機(jī)架剛性連接的主軸承，另外兩個點是連接齒輪箱和主機(jī)架的軸向較軟的彈性襯套。載荷流會經(jīng)由主軸承和主軸傳遞到齒輪箱，齒輪箱將承受點頭力矩和偏航力矩的載荷，主軸和齒輪箱之間的軸向約束位移會被軸向剛度很低的彈性襯套大幅縮減。

因為三點支承系統(tǒng)是靜態(tài)確定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，從理論上來講這種系統(tǒng)是不會有額外的約束載荷的。但是現(xiàn)實中的齒輪箱更多的是單側(cè)使用兩組支承單元，所以我們所希望的三點支承實際上是一種靜態(tài)不確定結(jié)構(gòu)的五點支承系統(tǒng)（如圖8所示）。

通過一個實際的三點支承的2.3MW風(fēng)電機(jī)組案例，我們可以看到其所產(chǎn)生的約束載荷實際上對整個系統(tǒng)是有顯著影響的（如圖9所示）。

圖6 液壓彈性支座的原理示意圖

圖7 在某3MW風(fēng)電機(jī)組中的安裝示例

圖8 三點支承結(jié)構(gòu)

首先由于機(jī)加工偏差累計產(chǎn)生的偏差鏈，彈性支承座至少有±0.2mm的偏差，另外由于齒輪箱自身重力作用，在豎直向下平移3mm時會讓彈性襯套在徑向額外產(chǎn)生大約±0.33mm的徑向變形，它們在一起會使得彈性襯套在豎直方向上產(chǎn)生大約100kN的力偶，進(jìn)而會在水平方向上產(chǎn)生一個變化的力矩，這個額外變化的力矩垂直于齒輪箱軸并且作用在齒輪箱第一級變速機(jī)構(gòu)中的內(nèi)齒圈部位。

在齒輪箱單側(cè)只用一組彈性襯套則可以減少上述約束載荷，而且還能夠節(jié)省部件材料?，F(xiàn)今大型風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)開始使用這樣的彈性襯套，配合相應(yīng)的輔助工具可以把彈性襯套安裝在齒輪箱力矩臂孔內(nèi)（如圖10所示）。

三點支承結(jié)構(gòu)中帶有彈性支承的錐形滾柱軸承

在主軸軸徑較大的三點支承結(jié)構(gòu)中，所使用的球面滾柱軸承的軸向間隙是不可忽視的，軸向移動可能會對主軸承特別是與主軸剛性連接的齒輪箱產(chǎn)生沖擊。為此，使用一種彈性支承使得錐形滾柱軸承的應(yīng)用成為可能。三點支承結(jié)構(gòu)所需要的軸承的萬向移動將通過彈性支承的變形來實現(xiàn)，彈性支承也會基于自身的彈性特征產(chǎn)生類似球面滾柱軸承的軸向變形使系統(tǒng)免受載荷沖擊。由于彈性體剛度曲線的漸進(jìn)特性，軸承即使在極端載荷條件下也會免受沖擊。另外還有一個優(yōu)點是，軸承中的滾動零件在工作過程中的受力平均，這是傳統(tǒng)軸承不可能具備的，因此這種軸承座與主機(jī)架的連接固定點也會更加牢固（如圖11所示）。

帶有彈性支承的主軸承的優(yōu)點如下：

（1）減少軸向位移并提供阻尼。

（2）滾動零件受載平均。

（3）使用更小更便宜的錐形滾柱軸承取代球面滾柱軸承。

（4）可以使用成本低一些的中空軸。

（5）隔絕噪音。

（6）允許較大的公差。

（7）由于相對移動較小進(jìn)而有密封效果。

另外，對滾動零件使用彈性支承還能夠進(jìn)一步減少作用于齒輪箱內(nèi)部的行星架和行星架軸承以及四點支承結(jié)構(gòu)中的約束載荷。

軸向可預(yù)緊襯套

除了徑向可預(yù)緊襯套之外，還有一種軸向可預(yù)緊的彈性襯套。通過擠壓中間部位的彈性體使得彈性襯套自身得到預(yù)緊。圖12所示的是在進(jìn)行軸向固定的同時實現(xiàn)對襯套的預(yù)緊。

圖9 三點支承結(jié)構(gòu)中的約束載荷

圖10 單側(cè)一組彈性襯套在某3MW齒輪箱力矩臂孔內(nèi)的徑向安裝

圖11 三點支承結(jié)構(gòu)中帶有彈性支承的錐形滾柱軸承

圖12 軸向可預(yù)緊襯套剖面圖

圖13 在齒輪箱上預(yù)安裝的彈性襯套

圖14 通過9個M16螺栓來預(yù)緊的襯套

圖15 兩側(cè)力矩支承形式的齒輪箱內(nèi)齒圈部位的受載不均勻

圖16 一圈襯套支承形式的齒輪箱外圍受載均勻

圖17 無彎矩的連接機(jī)構(gòu)

圖18 通過彈性體連接機(jī)構(gòu)剛度的理想分配實現(xiàn)無彎矩載荷傳遞的結(jié)構(gòu)

另外一種可能方案是通過一個或者多個螺栓對襯套進(jìn)行不依賴安裝條件下的預(yù)緊，與傳統(tǒng)的壓套式襯套相比，這種彈性襯套的安裝和拆卸都比較容易。在實際應(yīng)用中可以采用這種襯套配合多個預(yù)緊螺栓和輕便的工具，或者配合一個中央預(yù)緊螺栓和液壓扳手或拉伸器進(jìn)行預(yù)緊（如圖13、圖14所示）。

由于安裝簡便，這些襯套可以沿著齒輪箱外圍一圈進(jìn)行連接固定，這樣連接的齒輪箱受載均勻，齒輪箱的殼體以及敏感的第一級行星輪變速機(jī)構(gòu)中的內(nèi)齒圈受到的載荷將大幅降低，同時這種齒輪箱支承形式也具有非常好的振動特性（如圖15、圖16所示）。

無彎矩的連接機(jī)構(gòu)

傳遞大力矩的連接結(jié)構(gòu)都會存在一個問題，即螺栓承受較大的彎矩，因此螺栓的大小和成本成為一個重要考慮因素。

一種由三明治層狀彈性體和錐形彈性體組合而成的連接結(jié)構(gòu)可以解決這個問題（如圖17所示）。三明治層狀彈性體在扭轉(zhuǎn)方向上的剛度與錐形彈性體相比是非常小的，因此在傳遞扭矩時的載荷路徑是通過錐形彈性體傳遞到金屬法蘭上，而連接螺栓本身在徑向上不受力。

這種連接機(jī)構(gòu)不僅要傳遞扭矩，還要傳遞所有來自風(fēng)電機(jī)組的點頭力矩和偏航力矩，主軸軸承集成在齒輪箱殼體內(nèi)部，所有來自轉(zhuǎn)子的各種載荷都將由齒輪箱殼體通過該連接機(jī)構(gòu)傳遞到主機(jī)架（如圖18所示）。

結(jié)語

由外部載荷造成的風(fēng)電機(jī)組零部件產(chǎn)生的振動和約束載荷是影響風(fēng)電機(jī)組使用壽命的重要因素，合理設(shè)計和使用彈性支承可有效降低相關(guān)零部件的故障率。本文例舉了目前風(fēng)電機(jī)組中使用的幾種典型的彈性支承產(chǎn)品方案，希望有助于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計技術(shù)工作者增強(qiáng)對傳動鏈支承結(jié)構(gòu)原理和特點的認(rèn)識與理解，并能在以后的風(fēng)電機(jī)組傳動鏈設(shè)計過程中進(jìn)行合理運(yùn)用和實踐。