基于ANSYS熱固耦合的大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心熱膨脹計(jì)算

田　超，陳光輝，李建偉

(大電機(jī)研究所， 黑龍江哈爾濱　150040)

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基于ANSYS熱固耦合的大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心熱膨脹計(jì)算

田超，陳光輝，李建偉

(大電機(jī)研究所， 黑龍江哈爾濱150040)

摘要：指出了水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，鐵心溫度比機(jī)座高，因而鐵心的膨脹量要大于機(jī)座的膨脹量。但鐵心受到機(jī)座的約束會(huì)出現(xiàn)變形、內(nèi)徑縮小等問(wèn)題，從而影響水輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，解決辦法是在鐵心和機(jī)座之間留有一定的間隙。介紹了運(yùn)用ANSYS熱固耦合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)定子鐵心熱膨脹的計(jì)算，為大型水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；定子鐵心；熱膨脹

0引言

一般在大中型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)其鐵心外圓緊靠機(jī)座，沒(méi)有預(yù)留間隙。運(yùn)行一段時(shí)間之后，普遍都發(fā)生鐵心瓢曲變形、局部松動(dòng)和內(nèi)徑縮小等問(wèn)題。如烏江渡210 MW發(fā)電機(jī)，運(yùn)行一段時(shí)間后鐵心瓢曲變形波浪度達(dá)30 mm之多。東江電站1號(hào)、 2號(hào)發(fā)電機(jī)，經(jīng)過(guò)鐵損振動(dòng)加熱壓緊(70℃，24 h) 之后實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)鐵心瓢曲變形波浪度由熱壓前的5～6 mm增大到12～16 mm，鐵心內(nèi)徑比熱壓前分別縮小0.48 mm和1.04 mm[1]。

水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中鐵心溫度比機(jī)座高20～40℃，鐵心和機(jī)座之間沒(méi)有間隙，鐵心受到機(jī)座的約束使得鐵心不能向外膨脹，以致鐵心內(nèi)側(cè)出現(xiàn)變形、內(nèi)徑減小。現(xiàn)在，水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)在鐵心和定子機(jī)座之間會(huì)留有一定的間隙，使鐵心運(yùn)行發(fā)熱時(shí)能自由熱膨脹，不受機(jī)座約束。這種間隙的計(jì)算至關(guān)重要，間隙量過(guò)小會(huì)產(chǎn)生鐵心熱變形，當(dāng)達(dá)到某種強(qiáng)度極限時(shí)就可能拉斷鴿尾筋緊固件，間隙量過(guò)大會(huì)引起定子鐵心松動(dòng)。

本文運(yùn)用ANSYS熱固耦合的方法得出定子鐵心熱膨脹的計(jì)算方法[2]，為大型水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1計(jì)算方法

以某電站水輪發(fā)電機(jī)為例，定子機(jī)座和定子鐵心中間取2 mm間隙。計(jì)算模型如圖1所示，采用六面體實(shí)體單元SOLID70—SOLID45進(jìn)行網(wǎng)格劃分，依次進(jìn)行溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析。

圖1　定子機(jī)座有限元模型

根據(jù)電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，定子鐵心內(nèi)部溫度為58℃，機(jī)座外部環(huán)境溫度為22℃。溫度場(chǎng)計(jì)算完成后把溫度載荷寫入到ANSYS結(jié)構(gòu)文件中，定子鐵心和定子機(jī)座的材料特性如表1和表2所示。對(duì)發(fā)電機(jī)定子機(jī)座結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到其在指定溫度場(chǎng)下的變形量。

表1　定子鐵心和定子機(jī)座熱膨脹系數(shù)和彈性模量

表2　定子鐵心和定子機(jī)座泊松比

2結(jié)果分析

通過(guò)有限元計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)定子溫度分布如圖2所示，定子鐵心內(nèi)側(cè)溫度為58℃，外側(cè)溫度為42℃。

圖2　定子溫度場(chǎng)分布

熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算得到的定子熱膨脹變形如圖3、4所示。從表3中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，定子鐵心上部變形大于定子鐵心下部變形。從圖2中可以看出，定子鐵心的上端面溫度偏高，定子鐵心熱膨脹與定子鐵心的溫度場(chǎng)分布剛好吻合。

表3　定子鐵心熱膨脹變形計(jì)算結(jié)果　mm

圖3　定子鐵心局部變形圖

圖4　定子鐵心整體變形圖

3結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用熱結(jié)構(gòu)耦合原理，采用有限元方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)定子鐵心熱膨脹的數(shù)值計(jì)算，為大型水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 余恪三.大中型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心與機(jī)座間熱膨脹間隙的計(jì)算方法[J].大電機(jī)技術(shù)，1994,2:5-7.

[2] 胡仁喜，龍凱，堂沙沙，等.ANSYS多物理耦合場(chǎng)有限元分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

田超，男，1988年生，助理工程師，碩士。2012年畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，畢業(yè)至今從事水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)強(qiáng)度與診斷研究。

作者簡(jiǎn)介：