空冷40 MW汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

翁祥玲，蔡恒川，王正平，周 平

(山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

空冷40 MW汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

翁祥玲，蔡恒川，王正平，周 平

(山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

對(duì)40 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、強(qiáng)度分析和整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果做了描述。介紹了此臺(tái)空冷發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析工作。通過工廠整機(jī)型式試驗(yàn)，可以看出樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，成功地完成了40 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制。該發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和主要參數(shù)為其它容量發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

汽輪發(fā)電機(jī)；空冷；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度分析

0 引言

蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)和熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目要求以汽定電、以熱定電。從近幾年電力工業(yè)迅速發(fā)展對(duì)發(fā)電機(jī)需求增加的信息看，QF-40-2 10 500 V發(fā)電機(jī)在國內(nèi)外有著廣泛的用戶需求。

1 技術(shù)數(shù)據(jù)

型號(hào)：QF-40-2 額定功率：40 MW

功率因數(shù)：0.8 額定電壓：10.5 kV

額定電流：2 749 A 額定轉(zhuǎn)速：3 000 r/min

效率：98.1% 轉(zhuǎn)子質(zhì)量：16.1 t

定子質(zhì)量：45.3 t 軸承質(zhì)量：1.7 t

最大運(yùn)輸質(zhì)量：48.3 t 轉(zhuǎn)子靜止撓度：0.586 mm

突然短路力矩倍數(shù)：10 冷卻空氣量：20 m3/s

發(fā)電機(jī)軸承耗油量：110 L/ min

臨界轉(zhuǎn)速(1階/2階)：1 370/4 020 r/min

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)為臥式、隱極式結(jié)構(gòu)[1]，由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、電刷裝置和冷卻系統(tǒng)等主要部件組成。發(fā)電機(jī)的外形圖見圖1。

圖1 40 MW發(fā)電機(jī)外形圖

2.1 定子

定子由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組組成。發(fā)電機(jī)機(jī)座為鋼板焊接。定子鐵心采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片沖制疊壓而成。定子線圈設(shè)計(jì)為雙層疊繞組，采用多股玻璃絲包扁銅線，桐馬粉云母帶連續(xù)包扎模壓成型，表面選用不同阻值的防暈帶進(jìn)行防暈處理。

機(jī)座采用三段機(jī)座：中間段為固定、支撐定子鐵心和繞組裝置部分之用，兩端端罩段為保護(hù)繞組端部部分之用。同時(shí)它還構(gòu)成了發(fā)電機(jī)通風(fēng)循環(huán)回路[2]。機(jī)座與定子鐵心之間為彈性連接。

2.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子的主要部件由轉(zhuǎn)子大軸、轉(zhuǎn)子繞組和絕緣、阻尼繞組、護(hù)環(huán)、風(fēng)扇等部分組成。

轉(zhuǎn)子大軸由優(yōu)質(zhì)合金鋼整體鍛件加工而成。轉(zhuǎn)子軸的勵(lì)端有一個(gè)軸向中心孔，延伸至轉(zhuǎn)子繞組端部的下方。中心孔的內(nèi)部裝有兩個(gè)相互絕緣的半圓銅棒，為轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流。

轉(zhuǎn)子繞組為同心式分布繞組，由若干個(gè)線圈組成。線圈由含銀0.1%的銀銅合金導(dǎo)體冷拉成的矩形空心導(dǎo)線制成，比一般銅線具有更好的抗蠕變性能和更高的屈服極限，從而有效地防止了運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子繞組有害變形的發(fā)生。轉(zhuǎn)子線圈的空心導(dǎo)線上開有進(jìn)出風(fēng)口，由空氣直接冷卻導(dǎo)線，提高了冷卻效果。各出風(fēng)口在槽中呈V形分布，使得線圈各處風(fēng)量均勻，冷卻效果好，有效地避免了過熱點(diǎn)形成。轉(zhuǎn)子所用的所有絕緣材料均為F級(jí)，槽襯和匝間絕緣采用Nomex紙。矩形空心導(dǎo)線見圖2。

圖2 矩形空心導(dǎo)線

阻尼繞組是由轉(zhuǎn)子槽楔構(gòu)成的。槽楔由高導(dǎo)電率的銅鎳合金制造。每根槽楔與轉(zhuǎn)子等長(zhǎng)，兩端護(hù)環(huán)內(nèi)設(shè)有阻尼環(huán)，形成一個(gè)完整的阻尼籠。

轉(zhuǎn)子兩端裝有軸流式風(fēng)扇。護(hù)環(huán)材料為50 Mn 18Cr5反磁鋼材料，提高了抗應(yīng)力腐蝕能力。護(hù)環(huán)以懸掛的方式熱套在轉(zhuǎn)子本體上，避免了轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中所產(chǎn)生的交變應(yīng)力導(dǎo)致的配合面的損傷。

2.3 軸承

發(fā)電機(jī)軸承為壓力油循環(huán)的座式滑動(dòng)軸承。軸承上裝有可自動(dòng)調(diào)心的球面軸瓦。軸瓦材料為巴氏合金。為減少開機(jī)時(shí)的軸承摩擦，便于起動(dòng)，軸承裝有高壓頂油裝置。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子汽端通過接地電刷直接接地，勵(lì)端采用絕緣軸承，有效地阻斷了軸電流，減少了電氣腐蝕。

2.4 冷卻系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)采用密閉循環(huán)空氣冷卻方式。定子采用空外冷冷卻方式，轉(zhuǎn)子采用空內(nèi)冷冷卻方式。

發(fā)電機(jī)有兩條對(duì)稱于發(fā)電機(jī)中心的空冷回路。冷卻空氣由電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇打入。一部分冷卻空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子線圈端部區(qū)域，冷卻轉(zhuǎn)子繞組端部，然后進(jìn)入氣隙。一部分冷卻空氣直接進(jìn)入氣隙， 在此處與來自轉(zhuǎn)子端部線圈的冷卻空氣匯合，然后冷卻轉(zhuǎn)子本體表面。另一部分冷卻空氣對(duì)定子線圈端部冷卻后，沿軸向風(fēng)道進(jìn)入機(jī)座中部，冷卻鐵心和繞組后，進(jìn)入氣隙，再冷卻轉(zhuǎn)子本體中部。然后與前兩部分冷卻空氣匯合，經(jīng)過定子鐵心中的徑向通風(fēng)道冷卻定子繞組和鐵心后回到空氣冷卻器。經(jīng)冷卻后，再回到風(fēng)扇，形成密閉循環(huán)。

3 強(qiáng)度分析

在40 MW發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算是主要的工作。通過計(jì)算，合理選取各主要零部件的形狀、尺寸和材料，使電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得既安全又經(jīng)濟(jì)。

采用ANSYS11.0軟件[3]有限元法分析在超速3 600 r/min的狀況下轉(zhuǎn)子齒部的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

3.1 模型建立

通過CAD軟件創(chuàng)建了物理模型，通過ANSYS導(dǎo)入接口將物理模型轉(zhuǎn)入ANSYS程序中。物理模型見圖3。

圖3 物理模型

3.2 網(wǎng)格劃分

轉(zhuǎn)子的齒頭、齒根是計(jì)算分析的重要部分。這些部分采用精細(xì)的網(wǎng)格剖分。所有的單元均采用四面體四節(jié)點(diǎn)，接觸自動(dòng)生成，按實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。此模型共有32 209個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 868個(gè)單元。網(wǎng)格劃分見圖4、圖5。

圖4 整體的網(wǎng)格劃分

圖5 轉(zhuǎn)子本體的網(wǎng)格劃分

3.3 計(jì)算結(jié)果

在超速狀況下，旋轉(zhuǎn)角速度ω=376.8 弧度/秒，轉(zhuǎn)子各部分受力最大。轉(zhuǎn)子本體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)子齒部的最大應(yīng)力

根據(jù)圖6，轉(zhuǎn)子齒部的各主要部位的計(jì)算結(jié)果如下。

齒根處的最大應(yīng)力：

σ1=274.9 MPa

齒頭處的最大應(yīng)力：

σ2=139.2 MPa

根據(jù)上述應(yīng)力分析計(jì)算，合理選取轉(zhuǎn)子鍛件材料，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 整機(jī)試驗(yàn)

在整試驗(yàn)中，該電機(jī)的主要電氣性能參數(shù)都滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 整機(jī)電氣性能參數(shù)對(duì)照表

表2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、超速試驗(yàn)參數(shù)表

5 結(jié)語

以上就40 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、強(qiáng)度分析和整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果做了描述。為設(shè)計(jì)這臺(tái)空冷發(fā)電機(jī)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析的研究做了大量的工作。通過工廠整機(jī)型式試驗(yàn)，可以看出樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，成功地完成了40 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制。該發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和主要參數(shù)為其它容量發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1] 湯蘊(yùn)璆,史乃. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.4.

[2] 汪耕.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000.11.

[3] 張洪信，管殿柱.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS11.0應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.10.

翁祥玲，女，1980年生，本科，工程師，2004年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，主要從事電機(jī)設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)分析等理論研究。