1000MW發(fā)電機(jī)定子運(yùn)輸端蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝玉增，梁洪濤，劉慶河，杜金程，曹鳳波，牟 松

?

1000MW發(fā)電機(jī)定子運(yùn)輸端蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝玉增，梁洪濤，劉慶河，杜金程，曹鳳波，牟 松

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

1000MW汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路運(yùn)輸方案采用運(yùn)輸端蓋結(jié)構(gòu)形式。在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合有限元建模分析手段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以達(dá)到重量更輕、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更合理、運(yùn)輸安全系數(shù)更高的目標(biāo)，同時(shí)避免機(jī)座變形對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害。

汽輪發(fā)電機(jī)；定子；運(yùn)輸端蓋

0 前言

大型汽輪發(fā)電機(jī)定子不僅重量大而且斷面尺寸闊大，在道橋活載荷及運(yùn)輸限界尺寸的限制條件下，專用運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)完全不同于傳統(tǒng)的車輛，鉗夾車是針對(duì)運(yùn)輸這種重量及斷面尺寸同時(shí)超出常規(guī)的貨物設(shè)計(jì)制造的，鉗夾車沒有完整的承載地板，運(yùn)輸時(shí)鉗夾車的鉗夾梁通過銷孔及壓柱與貨物鉸接，依靠貨物自身剛度與鉗夾梁形成承載縱梁。運(yùn)輸聯(lián)接工具是采用鉗夾車運(yùn)輸發(fā)電機(jī)定子的關(guān)鍵部件，包括托鉤（也稱為掛貨鉤）及運(yùn)輸端蓋（也稱為運(yùn)輸法蘭）兩種結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)輸端蓋結(jié)構(gòu)形式的運(yùn)輸聯(lián)接工具能夠使發(fā)電機(jī)定子更接近軌面，降低超限程度，且自身結(jié)構(gòu)重量相對(duì)更輕，所以整體鐵路運(yùn)輸?shù)?000MW汽輪發(fā)電機(jī)定子運(yùn)輸方案確定為該種形式。針對(duì)以往采用運(yùn)輸端蓋運(yùn)輸發(fā)電機(jī)定子過程出現(xiàn)的耳板根部應(yīng)力集中現(xiàn)象和連接螺栓應(yīng)力分布問題，整體鐵路運(yùn)輸1000MW汽輪發(fā)電機(jī)定子受運(yùn)輸總重限制而使機(jī)座重量大幅度減輕、剛強(qiáng)度減弱等問題，在端蓋式運(yùn)輸整體鐵路運(yùn)輸聯(lián)接工具的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合有限元建模分析手段，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以達(dá)到重量更輕、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更合理、運(yùn)輸安全系數(shù)更高的目標(biāo)，還要避免機(jī)座變形對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害。

1 運(yùn)輸端蓋結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化

運(yùn)輸端蓋是鉗夾車運(yùn)輸發(fā)電機(jī)定子的關(guān)鍵部件，關(guān)系到車輛的完整性、負(fù)責(zé)靜力及運(yùn)輸沖擊力的傳輸，由鉗夾梁銷孔及壓柱施加的巨大集中載荷要通過運(yùn)輸端蓋分散到機(jī)座外皮等部位[1]。根據(jù)靜力分析結(jié)果，每側(cè)鉗夾梁銷孔的拉力及每側(cè)壓柱施加的應(yīng)力高達(dá)448t，運(yùn)輸端蓋必須將這些集中載荷合理擴(kuò)散到發(fā)電機(jī)定子機(jī)座，避免產(chǎn)生局部過高應(yīng)力。為達(dá)到預(yù)期效果，先后提出三種結(jié)構(gòu)方案，依據(jù)有限元建模分析對(duì)比，進(jìn)行了兩次較大的結(jié)構(gòu)變更。

1.1 方案1

運(yùn)輸端蓋基本原型結(jié)構(gòu)參考了國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)輸托克托的600MW等級(jí)發(fā)電機(jī)定子采用的運(yùn)輸端蓋，該運(yùn)輸端蓋采用厚度為100mm主體平板結(jié)構(gòu)，每件運(yùn)輸端蓋重量接近15t，超出總體方案的預(yù)期值，經(jīng)ANSYS有限元建模分析，存在縱向剛度不足的問題，使發(fā)電機(jī)定子機(jī)座局部變形過高，產(chǎn)生應(yīng)力集中問題。

1.2 方案2

為降低運(yùn)輸端蓋的重量，將主體平板結(jié)構(gòu)的厚度從100mm降低到16mm，將與機(jī)座端面結(jié)合部位加厚到70mm，形成加強(qiáng)圓環(huán)，并采取增設(shè)與耳板之間的拉筋方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。為加強(qiáng)縱向剛度，將耳板縱向尺寸由方案1的200mm增大到500mm，厚度尺寸由100mm減小到40mm，耳孔部位加厚至120mm，降低耳孔部位應(yīng)力；左右壓柱之間以及左右耳孔之間采用加大斷面尺寸的加強(qiáng)橫梁結(jié)構(gòu)，與耳板結(jié)構(gòu)共同組成了井字形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。上述措施使運(yùn)輸端蓋的結(jié)構(gòu)剛度大幅度提高，降低了鉗夾力引起的結(jié)構(gòu)變形，消除了機(jī)座及運(yùn)輸端蓋的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)降低了運(yùn)輸端蓋的結(jié)構(gòu)重量，形成方案2。有限元建模分析結(jié)果顯示，總體效果較方案1有明顯的提升，但仍然存在耳板下部應(yīng)力集中以及端蓋連接螺栓應(yīng)力分布不均勻的問題。同時(shí)由于機(jī)座重量減輕且直徑減小，定子機(jī)座在鉗夾彎矩的作用下形成較大撓度，引起彈簧板變形應(yīng)力過高問題，形成安全隱患。

1.3 方案3

方案3在方案2結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了施加預(yù)緊力的拉桿結(jié)構(gòu)，拉桿和螺母的材料為鍛造25Cr2Ni4MoV直徑120mm，采用捶頭式凹球面拉桿座，直接與耳板底部延伸結(jié)構(gòu)接觸，形成母材鉸接傳力結(jié)構(gòu)，避免焊接結(jié)構(gòu)承受高應(yīng)力。該結(jié)構(gòu)通過調(diào)整拉桿的預(yù)緊力，改善了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，并減小了定子機(jī)座撓度，從而改善了彈簧板等機(jī)座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)徹底消除了以往結(jié)構(gòu)特有的耳板下部應(yīng)力集中以及端蓋連接螺栓應(yīng)力分布不均勻的問題，為發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)輸安全提供了保障。定子運(yùn)輸裝車如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)定子裝車圖

2 有限元分析

有限元建模分析采取與定子機(jī)座共同建模分析的方法，雖然使建模工作量大幅度增加，但卻使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，而以往分析計(jì)算采用將定子機(jī)座等效為剛體結(jié)構(gòu)的方法存在較大的誤差。

2.1 三種方案有限元模型

計(jì)算時(shí)取一半結(jié)構(gòu)，采用高精度六面體實(shí)體單元，其中端蓋與機(jī)座之間采用面—面接觸單元，螺栓帽與端蓋之間采用點(diǎn)—點(diǎn)接觸單元進(jìn)行建模。方案1端蓋單元（半個(gè)）21,377個(gè)；面—面接觸單元8,870個(gè)；點(diǎn)—點(diǎn)接觸單元928個(gè)，如圖2所示。

圖2 方案1有限元網(wǎng)格

方案2端蓋單元（半個(gè)）單元總計(jì)172,259個(gè)；端蓋單元（半個(gè)）27,409個(gè)；面—面接觸單元9,482個(gè)；點(diǎn)—點(diǎn)接觸單元624個(gè)，如圖3所示。

圖3 方案2有限元網(wǎng)格

方案3端蓋單元（半個(gè)）單元總計(jì)161,090個(gè)；端蓋單元（半個(gè)）21,155個(gè)；面—面接觸單元9,372個(gè)；點(diǎn)—點(diǎn)接觸單元560個(gè)，如圖4所示。

圖4 方案3有限元網(wǎng)格

2.2 三種方案計(jì)算結(jié)果比較

鐵心軸向彈性模量取1.5×105N/mm2，另兩個(gè)方向彈性模量2.06×105N/mm2；其他部分材料彈性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.3。考慮動(dòng)荷系數(shù)0.3，實(shí)際施加壓力和耳孔處拉力均為448×9.81×1.3=5,713kN，自重以加速度形式施加，結(jié)構(gòu)總重410t，加速度取值9.81×1.3 = 12.753m/s2，其中方案3在拉桿位置另外施加 4806.9kN壓力。三種方案均在端蓋耳孔位置施加支撐約束，在對(duì)稱面位置施加對(duì)稱約束。

方案1的應(yīng)力分布計(jì)算分析如圖5所示。

圖5 方案1應(yīng)力分布

方案2的應(yīng)力分布計(jì)算分析如圖6所示。

圖6 方案2應(yīng)力分布

方案3的應(yīng)力分布計(jì)算分析如圖7所示。

圖7 方案3應(yīng)力分布

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，在機(jī)座應(yīng)力及端蓋自身應(yīng)力方面方案2較方案1有明顯好轉(zhuǎn)，但連接螺栓應(yīng)力分布仍不合理，部分螺栓應(yīng)力過高，安全系數(shù)不夠理想；方案3采用了施加預(yù)緊力的拉桿結(jié)構(gòu)，使機(jī)座撓度大幅度降低，使發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力得以降低，連接螺栓應(yīng)力分布趨于合理，最大應(yīng)力較前兩個(gè)方案降低近半，安全系數(shù)大幅度提高，如表1所示。

3 分析驗(yàn)證

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，施工設(shè)計(jì)采用方案3結(jié)構(gòu)。兩次運(yùn)輸實(shí)踐分別于2010年年末與2011年年初實(shí)施，為確保運(yùn)輸安全，采取專列實(shí)施運(yùn)輸，專列加掛試驗(yàn)車對(duì)發(fā)電機(jī)、運(yùn)輸端蓋、拉桿以及鉗夾車的關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明，有限元分析結(jié)果正確，如表2所示。

表1 計(jì)算結(jié)果比較

表2 計(jì)算結(jié)果與運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果比較

4 結(jié)束語

優(yōu)化后的運(yùn)輸端蓋采用井字加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，自身重量更低、抗彎剛度更高，也使連接螺栓受力分布更均勻；采用施加預(yù)緊力的貫穿拉桿可以進(jìn)一步降低危險(xiǎn)部位的高應(yīng)力和連接螺栓應(yīng)力，是更為穩(wěn)妥的方式，部分拉力通過施加預(yù)緊力的貫穿拉桿直接傳輸，降低定子與運(yùn)輸端蓋連接螺栓的受力，保證連接壓力和整體性，對(duì)保障運(yùn)輸安全十分有利。

[1] 梁洪濤, 等. 1000MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路整體運(yùn)輸方案研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(3).

[2] 謝玉增, 等. 1000MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵路運(yùn)輸研究總結(jié)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2013(1).

[3] 梁洪濤, 等. 1000MW汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2013(4).

[4] 田葆栓, 等. 中國(guó)鐵路長(zhǎng)大貨物車使用手冊(cè)[M]. 中國(guó)鐵道出版社, 2005.

Design Improvement for Transportation Flange of 1000MW Turbo-generator Stator

XIE Yuzeng, LIANG Hongtao, LIU Qinghe, DU Jincheng, CAO Fengbo, MU Song

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Transportation flange was adopted in railway transported stator of 1000MW Turbo-generator. In the designing process, structure type and dimension was optimized combined with finite element analysis in order to get lighter weight, more reasonable stress distribution and higher safety factor, and meantime avoid the harm to inner structure caused by frame deformation.

turbo-generator; stator; transportation flange.

TM311

A

1000-3983(2014)04-0048-03

2013-09-05

謝玉增（1956-），1982年畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)管理工作，高級(jí)工程師。

審稿人:沈梁偉