大型汽輪發(fā)電機(jī)復(fù)合材料大錐環(huán)的設(shè)計與研究

高 丹，王益軒，梁瑜洋，陳榮榮

（西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048）

0 引言

大型汽輪發(fā)電機(jī)端部繞組的固定決定著發(fā)電機(jī)能否長期安全可靠地運行。定子端部繞組采用復(fù)合材料大錐環(huán)進(jìn)行固定可以對整個定子端部起到有效的減振作用，纏繞玻璃鋼大錐環(huán)是理想的抑制電磁振動力及突然短路下作用力的結(jié)構(gòu)件[1]。目前，國內(nèi)外600MW、900MW等大型發(fā)電機(jī)制造技術(shù)中，定子繞組端部的固定結(jié)構(gòu)基本上都是采用纏繞玻璃鋼大錐環(huán)結(jié)構(gòu)固定的。美國西屋公司通過試驗表明在三相短路產(chǎn)生最大端部形變下，大錐環(huán)支撐系統(tǒng)有效地均勻各元件的載荷，使線圈的變形和應(yīng)變限制在極限范圍內(nèi)[2]。

大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部模態(tài)固有頻率對發(fā)電機(jī)組的安全運行有很大的影響。汽輪發(fā)電機(jī)在運行過程中，將會受到100Hz以橢圓形式分布的電磁干擾力的作用。如果汽輪發(fā)電機(jī)定子端部繞組結(jié)構(gòu)的固有頻率與這種電磁力頻率接近或相等時就會產(chǎn)生共振或較大的振動力，長時間會損壞線圈絕緣，導(dǎo)致端部短路燒壞發(fā)電機(jī)。因此，定子線圈或端部整體模態(tài)固有頻率避開電磁干擾力頻率是設(shè)計和制造必須遵守的準(zhǔn)則[3]。

本文利用ANSYS/Workbench建立了復(fù)合材料大錐環(huán)的簡化模型；在復(fù)合材料ACP模塊中，運用復(fù)合材料經(jīng)典層合板理論，采用環(huán)氧樹脂為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)體，對復(fù)合材料大錐環(huán)進(jìn)行了鋪層設(shè)計；將大錐環(huán)的半錐角作為設(shè)計變量，研究了不同角度下大錐環(huán)的結(jié)構(gòu)變化，并對其進(jìn)行了動態(tài)特性分析，計算出相應(yīng)的固有頻率和振型，避開發(fā)電機(jī)50Hz的工頻和100Hz的電磁干擾力，為大錐環(huán)的設(shè)計提供了參考和依據(jù)。

1 復(fù)合材料大錐環(huán)的鋪層設(shè)計

1.1 建立模型

在ANSYS/Workbench中建立復(fù)合材料大錐環(huán)的簡化模型。對于1000MW的大型汽輪發(fā)電機(jī)，復(fù)合材料大錐環(huán)小端直徑1471mm。采用小端固定，大端自由的方式，將半錐角作為變化參數(shù)，由于錐環(huán)的小端固定，大端可能產(chǎn)生的變形最大，因此將錐環(huán)分為大端、中段和小端三部分進(jìn)行鋪層設(shè)計。通過對大錐殼的結(jié)構(gòu)分析，選取小端部分軸向長度為260mm，大端部分軸向長度為280mm。建立模型，如圖1所示。

1.2 材料選取

E—玻璃纖維也稱無堿玻璃纖維，是最先用于電子絕緣帶的纖維品種，也是最普通的聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)玻璃纖維[4]。E—玻璃纖維彈性模量高，強(qiáng)度高，耐熱性能優(yōu)良，現(xiàn)在國內(nèi)外大部分都是采用這種纖維作為玻璃鋼的原材料。因此，復(fù)合材料大錐環(huán)采用E－玻璃纖維及其相配合的環(huán)氧樹脂基作為原材料，可以達(dá)到設(shè)計的要求。E－玻璃纖維和環(huán)氧樹脂制成的預(yù)浸漬帶的材料參數(shù)[5]如表1所示。

圖1 大錐環(huán)簡化模型圖

表1 玻璃/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能

1.3 鋪層方案確定

根據(jù)上述鋪層設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合復(fù)合材料大錐環(huán)的結(jié)構(gòu)，確定鋪層設(shè)計方案如下：

（1）大端采用纖維方向順序為[90°/45°/0°/-45°]層合板；

（2）中段采用纖維方向順序為[45°/0°/-45°]層合板；

（3）小端采用纖維方向順序為[－45°/0°/45°/90°]層合板。

復(fù)合材料大錐環(huán)的鋪層順序和鋪層方向如圖2所示，鋪層數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 大錐環(huán)的鋪層數(shù)據(jù)

圖2 大錐環(huán)的鋪層順序和方向

2 復(fù)合材料大錐環(huán)的鋪層分析

運用ANSYS/Workbench中的ACP模塊對復(fù)合材料大錐環(huán)鋪層后，使其具有一定厚度。鋪層完成后，大錐環(huán)各部分的厚度如圖3所示。ACP同時提供了復(fù)合材料層合板的分析結(jié)果：層合板的鋪層示意圖和材料特性示意圖分別如圖4～6所示。圖中玻璃纖維代表玻璃/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，a表示角度，t表示厚度。

圖3 鋪層厚度顯示

圖4 復(fù)合材料層合板鋪層示意圖

圖5 [90°/45°/0°/-45°]層合板材料特性示意圖

將半錐角作為設(shè)計變量，分別取0°、10°、15°、20°、22.5°、25°、30°、35°、37°、40°、45°建立了 11個模型，分別計算出其相應(yīng)的固有頻率，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看到錐殼半錐角對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，隨著半錐角度數(shù)的增加，固有頻率在不斷減小。錐殼半角為 0°、15°、20°、22.5°、35°、37°、40°時固有頻率避開了50Hz的工頻和100Hz的電磁倍頻，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選擇。半錐角角度越大，定子繞組端部軸向長度減少，占據(jù)空間小，固定越方便。但是當(dāng)發(fā)電機(jī)容量增大，電流增大，其漏磁通相對鐵心端部結(jié)構(gòu)件的距離較小，在端部固定的結(jié)構(gòu)件內(nèi)漏磁附加損耗變大，引起端部結(jié)構(gòu)件過熱，影響發(fā)電機(jī)正常運行，所以大型汽輪發(fā)電機(jī)端部線圈一般都采用小于30°錐度的籃式結(jié)構(gòu)[7]。因此端部大錐環(huán)的半錐角角度不宜過大。同時，當(dāng)半錐角角度過大時，端部支撐結(jié)構(gòu)也不宜加工成型。半錐角角度過小時，對轉(zhuǎn)子周圍的電磁場影響較大，從而影響到整個端部結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

圖6 [45°/0°/-45°]層合板材料特性示意圖

表3 固有頻率隨著半錐角度的變化結(jié)果

結(jié)合大錐環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和定子繞組端部結(jié)構(gòu)，決定采用半錐角為22.5°作為大錐環(huán)角度設(shè)計的最優(yōu)選擇。此時結(jié)構(gòu)的橢圓頻率為115.58Hz，有效地避開了50Hz的工頻和100Hz的電磁倍頻，避免了發(fā)電機(jī)端部的共振。通過調(diào)整鋪層的材料、角度、層數(shù)和成型工藝，還可以進(jìn)一步優(yōu)化大錐環(huán)的動態(tài)特性。計算得到半錐角為22.5°復(fù)合材料大錐環(huán)的前20階固有頻率如表4所示，其中幾種較典型的振型圖如圖7（a）～（h）所示。

表4 半錐角22.5°復(fù)合材料大錐環(huán)的前20階固有頻率

圖7 大錐環(huán)振型圖

4 結(jié)語

利用ANSYS/Workbench及其復(fù)合材料ACP模塊建立了大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部復(fù)合材料大錐環(huán)的簡化模型，并對其進(jìn)行了復(fù)合材料鋪層設(shè)計。通過對不同角度的大錐環(huán)的動力學(xué)特性分析結(jié)果，結(jié)合發(fā)電機(jī)定子端部結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求，最終得出最優(yōu)設(shè)計角度為22.5，結(jié)果合理，基本符合設(shè)計要求，為1000MW大型汽輪發(fā)電子定子端部復(fù)合材料大錐環(huán)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

[1]李端,王益軒,郭艷利,陳旭.大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部復(fù)合材料大錐環(huán)的設(shè)計與制造[J].上海大中型電機(jī),2013(1):19.

[2]周芩芩.600MW～660MW 汽輪發(fā)電機(jī)用環(huán)氧浸漬纏繞玻璃鋼大錐環(huán)的研制[J].上海大中型電機(jī),2004(4):43.

[3]袁昌健,衣然,蘭波.大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部結(jié)構(gòu)分析[J].大電機(jī)技術(shù),2005(8):91.

[4]益小蘇,杜善義,張立同.復(fù)合材料手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2009:34.

[5]王星,王凡,蔡思遠(yuǎn).板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層合板的屈曲分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2009(4):7.

[6]王益軒,朱繼梅.大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部繞組的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2008,27(2):207.

[7]胡建波，徐福娣.定子端部線圈的設(shè)計計算方法與三維建模研究[J].大中型電機(jī),2006(4):14.