中小型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子整體磁軛疊片結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

【摘要】水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛采用疊片結(jié)構(gòu)取代整體鑄件結(jié)構(gòu)，經(jīng)過詳細(xì)的分析計(jì)算，該新結(jié)構(gòu)能滿足發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度要求，解決了磁軛鑄件外協(xié)難、質(zhì)量難保證等問題，并具有一定的經(jīng)濟(jì)效益

【關(guān)鍵詞】整體磁軛疊片結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度

轉(zhuǎn)子磁軛是發(fā)電機(jī)磁路的組成部分，也是固定磁極的重要結(jié)構(gòu)部件。中小型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛采用整體鑄件結(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍應(yīng)用，但長(zhǎng)期存在著磁軛鑄件外協(xié)難、質(zhì)量難保證的問題，特別是對(duì)于磁軛本體長(zhǎng)度超過1m的整體焊接件，外協(xié)生產(chǎn)廠家不多，難以采購(gòu)，而且往往單價(jià)高，采購(gòu)周期長(zhǎng)。磁軛采用鋼板疊片結(jié)構(gòu)后，不但能滿足水輪發(fā)電機(jī)在各種運(yùn)行工況下的機(jī)械強(qiáng)度要求，解決了上述難題，而且在企業(yè)自身設(shè)備能力下也能加工，縮短了生產(chǎn)制造周期，降低了成本。

1.整體疊片磁軛的介紹

整體疊片磁軛結(jié)構(gòu)，是在原鑄件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的改進(jìn)：磁軛由一系列中等厚度的鋼板拼合而成，一般鋼板厚度在16～60mm范圍內(nèi),鋼板應(yīng)按GB/T2970-91中厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法 達(dá)到Ⅱ級(jí)要求，板與板之間采用長(zhǎng)螺桿拉緊固定形成整體結(jié)構(gòu)。然后取過盈配合與主軸尺寸配車,加工內(nèi)孔尺寸，通過過盈配合熱套于主軸上。這一結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在SF5000-10-2600水輪發(fā)電機(jī)中成功應(yīng)用。如圖１疊片式磁軛：

2.整體疊片磁軛的機(jī)械強(qiáng)度分析

以SF5000-10-2600水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛為例，磁軛本體長(zhǎng)800mm，磁軛外圈直徑為φ1425mm,重約9.5t,采用疊片磁軛，用16mm與40mm,60mm規(guī)格共計(jì)34塊鋼板疊緊。利用計(jì)算機(jī)有限元程序?qū)D(zhuǎn)子磁軛熱套進(jìn)行分析計(jì)算，磁軛各部分熱套應(yīng)力均滿足機(jī)械強(qiáng)度要求。

2.1 基本數(shù)據(jù)

磁軛內(nèi)徑D0=310mm；外徑D0=1425mm；額定轉(zhuǎn)速Nn=600 r/min；飛逸轉(zhuǎn)速Np=978.6r／min；D2孔數(shù)：N=10；D2=100mm；縱軸超瞬變電抗：Xd=0.2213；容量：P=6250 KVA 。磁極總重量(不帶”T”尾) 6970kg；

圖１疊片式磁軛

2.2有限元分析計(jì)算

根據(jù)該轉(zhuǎn)子支架的產(chǎn)品特性，我們總共計(jì)算三個(gè)工況：1、裝配、熱套工況； 2、額定轉(zhuǎn)速工況； 3飛逸轉(zhuǎn)速工況。由于該部件的結(jié)構(gòu)、載荷都關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所以我們?nèi)≌麄€(gè)轉(zhuǎn)子支架的二十分之一進(jìn)行有限元分析、優(yōu)化。（見下圖）

2.2.1邊界條件

考慮轉(zhuǎn)子支架與轉(zhuǎn)軸之間的熱過盈量和磁軛和磁極裝配間的熱打緊過盈。

為了計(jì)算準(zhǔn)確，采用8節(jié)點(diǎn)的6面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

2.2.2分析工況：

1).整個(gè)裝配體結(jié)構(gòu)由于過盈產(chǎn)生的變形和應(yīng)力-裝配工況

2).整個(gè)裝配體在額定轉(zhuǎn)速(600rpm)工作情況下的變形和應(yīng)力,考慮過盈和自重--額定轉(zhuǎn)速工況

3).整個(gè)裝配體在飛逸轉(zhuǎn)速(978.6 rpm)工作情況下的變形和應(yīng)力,考慮過盈和自重--飛逸工況

2.2.3分析、計(jì)算的內(nèi)容與結(jié)果

磁軛在裝配工況的應(yīng)力分布圖(最大值為255MPa)磁軛在額定轉(zhuǎn)速工況的應(yīng)力分布圖(最大值為252MPa)

磁軛在飛逸工況的應(yīng)力分布圖(最大值為244MPa) 主軸在裝配工況的應(yīng)力分布圖(最大值為144MPa)

主軸在額定轉(zhuǎn)速工況的應(yīng)力分布圖(最大值為141MPa)主軸在飛逸工況的應(yīng)力分布圖(最大值為137.7MPa)

2.2.4結(jié)論：

磁軛最大應(yīng)力為255MPa, 材料許用應(yīng)力σ=345MPa。主軸最大應(yīng)力為144MPa, 材料許用應(yīng)力σ=255MPa。綜上，此轉(zhuǎn)子磁軛機(jī)械強(qiáng)度合格。

3．經(jīng)濟(jì)效益

磁軛采用整體疊片結(jié)構(gòu)后，整體磁軛結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，可節(jié)約一定的材料成本。SF5000-10/2600轉(zhuǎn)子磁軛為例，以當(dāng)時(shí)鑄件最低單價(jià)為1.07萬(wàn)元／t計(jì)算，2臺(tái)機(jī)直接節(jié)約成本：(9.5tX2臺(tái))×(1.07-0.7)萬(wàn)元／t=7.03萬(wàn)元,另外若采用整體鑄件結(jié)構(gòu)，鑄件木模費(fèi)將增加，附近外協(xié)廠家不能生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)只能到外省市大型鑄鍛廠生產(chǎn)，運(yùn)輸費(fèi)用也將增加，至少需增加費(fèi)用約共計(jì)3萬(wàn)元(當(dāng)時(shí)生產(chǎn)管理處提供數(shù)據(jù))。綜上所述，2臺(tái)機(jī)節(jié)約本7.03萬(wàn)元+3萬(wàn)元=10.03萬(wàn)元。若改為鍛件，則價(jià)格更高。

4．結(jié)語(yǔ)

該磁軛疊片結(jié)構(gòu)確保了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)制造周期，為今后生產(chǎn)同類型機(jī)組提供了參考價(jià)值。

5.作者簡(jiǎn)介

張建鋒（1980-) 男 本科主要從事水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)工作。