高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動(dòng)機(jī)極間連接線疲勞壽命分析

蘭 波，劉 福，王建剛，王艷武，李 博，張永會(huì)，馮剛聲，楊紹愛

（1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2. 國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3. 湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡市 438600）

0 引言

1 極間連接線計(jì)算模型與邊界條件

磁極連接線是水輪發(fā)電機(jī)磁極的重要部件，其連接方式分為柔性連接和剛性連接，其中剛性連接又分為剛性組合連接和剛性直接連接。極間連接線在運(yùn)行過程中除了受到自身離心力作用外還要承受由于溫度變化引起磁極線圈的熱膨脹對(duì)極間連接的附加載荷，一些帶有螺栓連接的位置還要承擔(dān)預(yù)緊力載荷。除此之外，發(fā)電電動(dòng)機(jī)整個(gè)壽命內(nèi)的起停機(jī)次數(shù)比常規(guī)機(jī)組頻繁，極間連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不但要滿足強(qiáng)度要求，疲勞壽命和損耗方面也必須保證機(jī)組在整個(gè)壽命期內(nèi)安全可靠。

本文針對(duì)三種典型的極間連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算，通過三種結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力結(jié)果對(duì)比、疲勞壽命對(duì)比、壽命期內(nèi)的損耗對(duì)比，分析了幾種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特點(diǎn)和壽命特點(diǎn)。

1.1 極間連接線模型概述

本文針對(duì)柔性連接和剛性連接（組合連接、直接連接）進(jìn)行了對(duì)比分析，考慮了離心力載荷、螺栓預(yù)緊力載荷、磁極線圈熱膨脹載荷對(duì)極間連接的作用。對(duì)于每一種極間連接方式，在實(shí)際設(shè)計(jì)和安裝中又分為磁極極靴部位連接和磁極 T尾部位連接。為了詳細(xì)研究這些結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和疲勞壽命，共計(jì)算了 6種結(jié)構(gòu)分別在額定工況、甩負(fù)荷工況和飛逸工況的應(yīng)力及不同工況組合產(chǎn)生的疲勞壽命和壽命期內(nèi)的疲勞損耗。計(jì)算結(jié)構(gòu)形式和工況說明見表1。

1.2 邊界條件

（1） 強(qiáng)度計(jì)算力學(xué)模型及邊界條件。

利用 ANSYS軟件，建立極間連接線，磁極線圈及把合螺釘?shù)恼w模型。各部件均采用實(shí)體建模，使用 SOLID185單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，部件連接使用接觸單元模擬。各個(gè)模型如圖1所示。

邊界條件：

整體施加相應(yīng)的轉(zhuǎn)速模擬離心力（額定轉(zhuǎn)速、甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速、飛逸轉(zhuǎn)速）；

把合螺釘上施加預(yù)緊力；

磁極連接線溫升；

磁極線圈熱膨脹對(duì)極間連接線的附加載荷；

發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表2。

表1 極間連接線結(jié)構(gòu)形式及計(jì)算工況

表2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

圖1 極間連接結(jié)構(gòu)有限元模型

（2） 疲勞壽命計(jì)算及疲勞損耗計(jì)算

零件或構(gòu)件由于交變載荷的反復(fù)作用，在它所承受的交變應(yīng)力尚未達(dá)到靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力情況下就會(huì)在零件或構(gòu)件的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展、最后突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。一般情況下，材料所承受的循環(huán)載荷的應(yīng)力幅越小，到發(fā)生疲勞破斷時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越長。S-N曲線就是材料所承受的應(yīng)力幅水平與該應(yīng)力幅下發(fā)生疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。S-N曲線一般是使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)獲得的。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)在 40年壽命期內(nèi)起停機(jī)、甩負(fù)荷、飛逸工況對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅分別為 Sa1、Sa2、Sa3，通過計(jì)算得到的的疲勞次數(shù)分別為 Nl、N2、N3，對(duì)于額定工況的應(yīng)力幅 Sa1而言，單獨(dú)作用時(shí)的疲勞壽命為 N1，甩負(fù)荷和飛逸工況的應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的壽命為N2、N3。在起停機(jī)工況 Sa1作用了 n1次，對(duì)結(jié)構(gòu)所造成的損傷程度記為：n1／N1，甩負(fù)荷和飛逸工況所造成的損傷程度分別記為 n2／N2、n3／N3。全壽命損耗及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，起停機(jī)設(shè)計(jì)壽命不能低于：n1=10次/天×365天×40年=146000次。

設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，甩負(fù)荷設(shè)計(jì)壽命不能低于：n2=30次/年×40年=1200次。

設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，飛逸設(shè)計(jì)壽命不能低于：n3=1次/年×40年=40次。

按照線性疲勞積累損傷準(zhǔn)則，全壽命內(nèi)，各應(yīng)力幅造成的損傷程度累計(jì)疊加不應(yīng)超過1，即 ：

表3 疲勞循環(huán)方式及疲勞損耗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

其中：{Ai，Bi，Ci，（i=1，2，3）}分別為單一循環(huán)工況下對(duì)應(yīng)的疲勞損耗。

2 主要工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總

對(duì)三種連接方式的 6種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，剛性直接連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖 2，柔性連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖 3，剛性組合連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖 4，結(jié)果匯總見表4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可見，剛性直接連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平與其他兩種結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)力水平較低。

圖2 剛性直接連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖3 柔性連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

3 疲勞壽命及疲勞損耗分析

根據(jù)發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的有限元仿真應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，極間連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命最小的位置均為應(yīng)力水平較高的部位。以材料的 S-N曲線作為疲勞計(jì)算的基礎(chǔ)，計(jì)算極間連接線每個(gè)部件在不同工況循環(huán)下的疲勞壽命。同時(shí)，根據(jù)不同工況組合應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)和設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)，通過 Miner損傷理論預(yù)測極間連接線壽命期的疲勞損耗。三種結(jié)構(gòu)主要部件可能出現(xiàn)的疲勞位置見圖4，疲勞壽命計(jì)算結(jié)果匯總見表5。

圖4 剛性組合連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

考慮各個(gè)工況循環(huán)后，部件的疲勞損耗結(jié)果如表5，磁極剛性直接連接方式在整個(gè)壽命期內(nèi)的疲勞損耗均優(yōu)于其他兩個(gè)方案。

表4 極間連接6種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)三種典型的極間連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。從靜強(qiáng)度和疲勞壽命兩個(gè)方面研究了高轉(zhuǎn)速極間連接結(jié)構(gòu)的安全與可靠性。通過對(duì)比三種結(jié)構(gòu)形式在不同工況下的應(yīng)力水平、不同工況組合下的疲勞壽命以及全壽命期的疲勞損耗，極間連接采用剛性直接連接方式無論是應(yīng)力水平還是疲勞壽命均優(yōu)于其他兩個(gè)連接方式。這為極間連接線的設(shè)計(jì)提供了重要的指導(dǎo)意義。

表5 部件疲勞壽命結(jié)果匯總表

表6 全壽命期內(nèi)的疲勞損耗

[1]白延年. 水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982年9月第一版.

[2]徐灝. 機(jī)械強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì) [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1984年2月第一版.

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