水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

王　宇

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

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水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

王宇

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要重點(diǎn)介紹了巨型水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座和上機(jī)架的斜支撐聯(lián)合結(jié)構(gòu)，以及轉(zhuǎn)子支架的斜支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立模型對(duì)發(fā)電機(jī)在各種工況下的剛強(qiáng)度和振動(dòng)頻率進(jìn)行有限元分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞水輪發(fā)電機(jī)；斜支撐聯(lián)合結(jié)構(gòu)；有限元分析

0引言

猴子巖電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦22級(jí)開發(fā)方案的第9個(gè)梯級(jí)電站，上游為丹巴水電站，下游為長(zhǎng)河壩水電站。猴子巖水輪發(fā)電機(jī)額定容量為472.2MWA，額定功率為425MW，額定轉(zhuǎn)速125rpm，是我公司自主設(shè)計(jì)制造的400MW級(jí)的巨型水輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的定子機(jī)座和上機(jī)架均采用斜支撐結(jié)構(gòu)。

1斜支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜支撐結(jié)構(gòu)是目前巨型水電機(jī)組廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)，包括官地600MW、三峽700MW、溪洛渡770MW及向家壩800MW機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都采用了斜支撐結(jié)構(gòu)。所謂的斜支撐結(jié)構(gòu)就是發(fā)電機(jī)定子機(jī)座采用斜立筋結(jié)構(gòu)見圖1；轉(zhuǎn)子之架采用斜支臂結(jié)構(gòu)見圖2；上機(jī)架支臂采用斜支臂見圖3。

發(fā)電機(jī)采用定子機(jī)座斜立筋結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子支架斜支臂結(jié)構(gòu)，上機(jī)架斜支臂結(jié)構(gòu)的斜支撐結(jié)構(gòu)可以確保發(fā)電機(jī)主要部件在各種工況下的受力合理，能夠吸收或轉(zhuǎn)化部分不正常工況下的沖擊力以及提高定子鐵心的防翹曲能力。通過(guò)對(duì)各個(gè)方面的綜合考慮，猴子巖水輪發(fā)電機(jī)最終優(yōu)化選取了斜支撐結(jié)構(gòu)方案[1]。

猴子巖水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座共有14個(gè)斜立筋，主要用來(lái)固定定子鐵心，承受軸向荷重，定子自重及電磁扭矩并傳遞于基礎(chǔ)上。機(jī)座的上板與上機(jī)架連接，下板通過(guò)螺栓和銷子與定子基礎(chǔ)板相連接，形成定子機(jī)座與上機(jī)架的聯(lián)合結(jié)構(gòu)，能夠承受各種短路狀態(tài)的應(yīng)力。

定子機(jī)座斜立筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是減少熱應(yīng)力，能阻止定子疊片翹曲和基礎(chǔ)的破壞，它具有足夠的彈性允許自由熱膨脹，保證圓環(huán)的穩(wěn)定性和同心度，它用特定的切向剛度，適應(yīng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩。當(dāng)定子機(jī)座熱膨脹時(shí)，斜立筋會(huì)朝機(jī)械阻力最小的方向偏轉(zhuǎn)，使斜立筋連接的環(huán)板同時(shí)偏轉(zhuǎn)，從而保證同心。在電磁扭矩作用下，斜立筋會(huì)朝機(jī)械阻力最大的方向變形，從而具有很高的穩(wěn)定性。定子機(jī)座采用斜立筋結(jié)構(gòu)，這樣容易改變定子的自然頻率，躲開危險(xiǎn)的共振頻率范圍。機(jī)座有足夠的剛度，同時(shí)機(jī)座還應(yīng)能適應(yīng)鐵心的熱變形，使鐵心在熱膨脹時(shí)不會(huì)對(duì)機(jī)座產(chǎn)生過(guò)大的壓應(yīng)力，不會(huì)引起鐵心產(chǎn)生有害變形。

猴子巖水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架為斜立筋圓盤式焊接結(jié)構(gòu)。受運(yùn)輸條件的限制，轉(zhuǎn)子支架分為1個(gè)中心體和4個(gè)外環(huán)組件，含16個(gè)斜支臂，在工地組焊成整體。轉(zhuǎn)子支架的斜立筋結(jié)構(gòu)具有保證轉(zhuǎn)子支架的環(huán)向穩(wěn)定性和向心穩(wěn)定性的能力，在熱打鍵時(shí)能吸收一部分能量，減小立筋的剛度對(duì)熱打鍵的影響，改善中心體的受力，使熱打鍵時(shí)轉(zhuǎn)子支架與轉(zhuǎn)軸配合處變形小。機(jī)組運(yùn)行時(shí)斜立筋對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱膨脹、離心力也有較好的抵消作用，有利于保證氣隙的均勻度。

上機(jī)架由中心體和14斜支臂組成,中心體和斜支臂在工地焊接成整體。上機(jī)架徑向通過(guò)螺栓和鍵與基礎(chǔ)連接，將徑向力傳遞到混凝土基礎(chǔ)上。斜支臂軸向與定子機(jī)座連接，將上機(jī)架及上導(dǎo)軸承的全部重量通過(guò)定子機(jī)座傳遞到基礎(chǔ)上。上機(jī)架的斜支臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)定子機(jī)座熱膨脹變形時(shí)會(huì)將一部分徑向力通過(guò)斜支撐傳遞給上機(jī)架，由于上機(jī)架采用了斜支臂結(jié)構(gòu),改善了受力狀態(tài)，從而使熱膨脹不會(huì)影響上機(jī)架中心體和導(dǎo)軸承間隙。斜支臂結(jié)構(gòu)還可以使混凝土圍墻承受徑向力減小。

2斜支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

為保證猴子巖水輪發(fā)電機(jī)斜支撐結(jié)構(gòu)的合理性，我們對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的有限元計(jì)算分析，以便找出更合理的傾斜角度，使整體結(jié)構(gòu)更加合理。其中包括定子機(jī)座和上機(jī)架聯(lián)合結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8，轉(zhuǎn)子支架剛強(qiáng)度有限元計(jì)算見圖9。

對(duì)定子機(jī)座和上機(jī)架建立了三維模型，并且通過(guò)有限元進(jìn)行了網(wǎng)格分布，精細(xì)的網(wǎng)格分布更有利于對(duì)綜合應(yīng)力的分析計(jì)算。

通過(guò)有限元對(duì)機(jī)組在各種工況下的分析，定子機(jī)座在額定工況下的最大綜合應(yīng)力為122MPa，半數(shù)磁極短路工況下的最大綜合應(yīng)力為164MPa，地震工況的最大綜合應(yīng)力為124MPa。定子機(jī)座采用的材料是合金鋼板，屈服極限為345MPa，有限元在各種工況下分析的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服極限的2/3，滿足設(shè)計(jì)要求。

上機(jī)架在額定工況下的最大綜合應(yīng)力為69MPa，半數(shù)磁極短路工況下的最大綜合應(yīng)力為219MPa，地震工況的最大綜合應(yīng)力為65MPa。上機(jī)架采用的材料是合金鋼板，屈服極限為345MPa，通過(guò)有限元分析，除半數(shù)磁極短路工況下的數(shù)據(jù)略小于材料屈服極限的2/3，其余工況均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服極限的2/3，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)轉(zhuǎn)子支架分別進(jìn)行了靜止工況和額定工況的有限元分析，在不同工況下轉(zhuǎn)子支架斜支撐，磁軛都會(huì)產(chǎn)生變形，變形的程度取決于轉(zhuǎn)子支架的受力情況[2]。轉(zhuǎn)子支架在靜止工況下的最大綜合應(yīng)力185.521MPa，在額定工況下的最大綜合應(yīng)力151.992MPa，轉(zhuǎn)子支架采用合金材料，屈服極限為345MPa，有限元在各種工況下分析的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服極限的2/3，滿足設(shè)計(jì)要求。

利用有限元分析振動(dòng)頻率可知，機(jī)架軸向振動(dòng)模態(tài)為19.3281Hz，上機(jī)架扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)21.8043Hz，定子鐵心軸向振動(dòng)模態(tài)32.2399Hz，定子機(jī)座彎轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)37.144Hz，上機(jī)架固有頻率要求在轉(zhuǎn)頻 2.08 的1±20%范圍內(nèi)不能有徑向晃動(dòng)振型，所以上機(jī)架橫向振型應(yīng)避開的頻率范圍為：1.66Hz≤f≤2.5Hz，各種關(guān)鍵振動(dòng)模態(tài)頻率均有效避開了機(jī)組相應(yīng)激振頻率，滿足相應(yīng)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，采用斜支撐的猴子巖水輪發(fā)電機(jī)各部件的剛強(qiáng)度均滿足結(jié)構(gòu)需要，有效地避開了機(jī)組相應(yīng)激振頻率，保證了定子鐵心熱膨脹作用不會(huì)對(duì)定子鐵心產(chǎn)生屈曲變形破壞，能夠滿足機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

3結(jié)語(yǔ)

猴子巖電站水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)充分考慮了巨型機(jī)組運(yùn)行的特點(diǎn)，在機(jī)組安全可靠性方面進(jìn)行了大量的電氣、機(jī)械計(jì)算及研究分析，特別是發(fā)電機(jī)斜支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，充分考慮了各主要受力部件的特性，反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元分析計(jì)算，優(yōu)化了傾斜角度，保證主要結(jié)構(gòu)部件在最安全穩(wěn)定的受力區(qū)域內(nèi)，使得整體運(yùn)行性能得到了更大的提升。機(jī)組運(yùn)行結(jié)果表明發(fā)電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良，滿足了機(jī)組長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的需要。

猴子巖電站水輪發(fā)電機(jī)是我公司獨(dú)立自主設(shè)計(jì)的又一巨型全空冷水輪發(fā)電機(jī)組，為今后設(shè)計(jì)制造巨型全空冷機(jī)組提供了重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.第五版[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]楊德馬.水輪發(fā)電機(jī)斜支臂轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)研究.東方電機(jī)，2010.

[3]吳朝霞.水輪發(fā)電機(jī)推力軸承彈性油箱的制造工藝.防爆電機(jī)，2010.3.

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Design and Analysis on Structure of Hydraulic Generator

WangYu

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

AbstractInclined support structure combining stator frame with upper bracket of large hydraulic generator, and inclined support structure of rotor bracket are emphatically introduced in this paper. Finite?element?analysis of stiffness, strength and vibration frequency under various working conditions are made by modeling generator, and then the structure is further optimized.

Key wordsHydraulic generator；inclined support composite structure；finite element analysis

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.04

中圖分類號(hào)：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)03-0012-004

作者簡(jiǎn)介：王宇男1982年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作.

收稿日期：2016-03-19