抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極圍帶剛強(qiáng)度和疲勞壽命計(jì)算

梁慶春

(華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205)

抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極圍帶剛強(qiáng)度和疲勞壽命計(jì)算

梁慶春

(華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極圍帶能夠有效防止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力對(duì)線圈的破壞，從而保障機(jī)組正常運(yùn)行.采用有限元法，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)國(guó)內(nèi)某抽水蓄能電站的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極圍帶剛強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以ASME標(biāo)準(zhǔn)為考核依據(jù)，驗(yàn)證了該轉(zhuǎn)子磁極圍帶設(shè)計(jì)滿足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和剛強(qiáng)度要求，完全能夠保證機(jī)組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行.同時(shí)，采用Miner累積損傷準(zhǔn)則進(jìn)行磁極圍帶疲勞壽命計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)果表明轉(zhuǎn)子磁極圍帶能夠滿足運(yùn)行要求.

轉(zhuǎn)子；磁極圍帶；剛強(qiáng)度；有限元；疲勞壽命

抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中起著調(diào)峰調(diào)相的作用，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要的保障和控制作用.發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子部分通過(guò)旋轉(zhuǎn)切割磁力線實(shí)現(xiàn)發(fā)電，如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，勢(shì)必影響機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量，甚至導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常發(fā)電.近年來(lái)，新建抽水蓄能電站的發(fā)電機(jī)容量均較大，運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速較高，容易發(fā)生各種運(yùn)行故障.為了避免機(jī)組運(yùn)行故障的發(fā)生，需要在發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn).目前，大部分發(fā)電機(jī)制造廠家在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈外部添加磁極圍帶作支撐，以防止轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力切向分量對(duì)線圈質(zhì)量造成影響.因此，在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)轉(zhuǎn)子磁極圍帶進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算以保障機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行是十分必要的.目前，國(guó)內(nèi)還未見針對(duì)抽蓄機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極圍帶的剛強(qiáng)度和疲勞壽命計(jì)算的相關(guān)論文，本研究以國(guó)內(nèi)一個(gè)具體抽蓄電站磁極圍帶剛強(qiáng)度和疲勞壽命計(jì)算為例進(jìn)行詳細(xì)論述，具有重要意義.

表1 機(jī)組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of unit rotor structure

1 某抽水蓄能電站主要參數(shù)

1.1 機(jī)組參數(shù)

機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為375 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為538 r/min.

1.2 材料參數(shù)

機(jī)組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的主要材料參數(shù)見表1.

2 磁極圍帶剛強(qiáng)度計(jì)算

著名結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS是目前最流行的有限元分析軟件，被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，亦被引入水利工程領(lǐng)域[1-2].本研究采用有限元法，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)該電站發(fā)電機(jī)磁極線圈圍帶進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算分析，考核其疲勞強(qiáng)度水平.

2.1 有限元計(jì)算模型及邊界條件

圖1 磁極本體有限元模型(部分)Fig.1 Magnetic body finite element model(quarter)

在建立有限元計(jì)算模型時(shí)，將磁極本體(包括磁極線圈、絕緣部)部分作為分析對(duì)象.

磁極本體的有限元計(jì)算模型采用ANSYS軟件中的三維實(shí)體單元建模，采用全六面體單元?jiǎng)澐值姆椒▽?duì)磁極進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分.磁極圍帶有限元實(shí)體模型見圖1.

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子圍帶、絕緣部分和線圈之間存在相互作用，傳統(tǒng)的計(jì)算方法很難精確估計(jì)它們之間的作用力大小和作用分布區(qū)域.為了真實(shí)地模擬它們之間的相互作用，均采用ANSYS的接觸單元進(jìn)行模擬.在ANSYS程序中，接觸狀態(tài)是通過(guò)跟蹤接觸面上的點(diǎn)相對(duì)于另一個(gè)目標(biāo)面上的點(diǎn)的位置來(lái)表示的，使用接觸單元來(lái)跟蹤兩個(gè)面的相對(duì)位置，接觸單元形狀可以為三角形、四面體或錐形，其底面由目標(biāo)面上的節(jié)點(diǎn)組成，而頂點(diǎn)為接觸面上的節(jié)點(diǎn).在進(jìn)行接觸分析時(shí)，通過(guò)罰函數(shù)或罰函數(shù)與拉格朗日法協(xié)調(diào)控制，保證一個(gè)面不會(huì)滲透另一個(gè)面超過(guò)某一容許量.同時(shí)，通過(guò)定義適當(dāng)?shù)慕佑|剛度，使其既不會(huì)因接觸剛度過(guò)小引起過(guò)大的滲透，又不會(huì)因接觸剛度過(guò)大而導(dǎo)致病態(tài)條件.

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

在額定轉(zhuǎn)速和飛逸轉(zhuǎn)速下，磁極圍帶部分的最大應(yīng)力及位移見表2.

表2 磁極本體各工況的最大應(yīng)力及位移Tab.2 Maximum stress and deformation of each part of the magnetic body

額定轉(zhuǎn)速和飛逸轉(zhuǎn)速下的磁極圍帶等效應(yīng)力分布和位移分布見圖2至圖5.

圖2 磁極圍帶等效應(yīng)力分布(額定轉(zhuǎn)速)Fig 2 Equivalent stress distribution of magnetic shroud(rated speed)

圖3 磁極圍帶位移分布(額定轉(zhuǎn)速)Fig 3 Displacement distribution of magnetic shroud(rated speed)

圖4 磁極圍帶等效應(yīng)力分布(飛逸轉(zhuǎn)速)Fig.4 Equivalent stress distribution of magneticshroud(runaway speed)

圖5 磁極圍帶位移分布(飛逸轉(zhuǎn)速)Fig.5 Displacement distribution of magneticshroud(runaway speed)

3 磁極圍帶剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

圖6 應(yīng)力分類Fig.6 Sketch of stress classification

3.1 考核標(biāo)準(zhǔn)

將美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)標(biāo)準(zhǔn)作為磁極圍帶剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的考核依據(jù).根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)給出的用有限元法計(jì)算應(yīng)力的限制[3]將應(yīng)力分類，見圖6.

不同應(yīng)力類型的許用應(yīng)力需滿足如下要求：

Pm

(1)

PL+PB<1.5Sm，

(2)

PL+PB+Q<3.0Sm.

(3)

3.2 計(jì)算結(jié)果與ASME標(biāo)準(zhǔn)比較

將磁極圍帶剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3和表4.

表3 按ASME標(biāo)準(zhǔn)確定許用應(yīng)力Tab.3 According to ASME standard to determine the allowable stress MPa

表4 計(jì)算應(yīng)力與ASME許用應(yīng)力對(duì)比表Tab.4 Comparison table of calculating stress and ASME allowable stress

4 磁極圍帶疲勞壽命計(jì)算

4.1 計(jì)算準(zhǔn)則

基于ASME規(guī)范，采用Miner累積損傷準(zhǔn)則[4]進(jìn)行疲勞壽命分析.Miner累積損傷系數(shù)計(jì)算公式為

(4)

式中：ni為在一個(gè)應(yīng)力變化幅度(或者事件)內(nèi)的載荷循環(huán)次數(shù)；Ni為在一個(gè)應(yīng)力變化幅度(或者事件)內(nèi)的需用載荷循環(huán)次數(shù)，通過(guò)S-N曲線獲得；D為累積損傷系數(shù).如果在所計(jì)算的載荷循環(huán)次數(shù)內(nèi)，累積損傷系數(shù)D≤1，那么在這些所計(jì)算的載荷循環(huán)內(nèi)，疲勞壽命是安全的.

4.2 疲勞壽命計(jì)算

電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極圍帶的屈服極限為343 MPa，材料強(qiáng)度極限為490 MPa，根據(jù)力學(xué)理論和東方電機(jī)磁極圍帶疲勞特性[5-6]，磁極圍帶材料交變循環(huán)的S-N曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)近似如表5所示.

此處將材料持久極限作為1 000 000次循環(huán)應(yīng)力點(diǎn)安全保守算法.考慮99%樣本成活率和有限元計(jì)算規(guī)范,即交變應(yīng)力乘以50%作S-N曲線的對(duì)應(yīng)點(diǎn)修正.在額定工況圍帶應(yīng)力集中處，根據(jù)疲勞計(jì)算理論公式SM×N=C(常數(shù)) ,計(jì)算可得M=8.29.

在額定工況，考慮平均應(yīng)力，采用Goodman修正進(jìn)行疲勞計(jì)算[7-9]，得到啟機(jī)-額定-停機(jī)循環(huán)次數(shù)N為3 289 300.在飛逸工況，采用Gerber修正進(jìn)行疲勞計(jì)算得到允許飛逸次數(shù)N為8 400[10].本研究中疲勞損傷因子計(jì)算假定機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行的40 a內(nèi),每天啟停機(jī)10次和飛逸2次，據(jù)此進(jìn)行的圍帶疲勞壽命計(jì)算見表6.

表5 S-N曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.5 The data of S-N Curve corresponding point

表6 磁極圍帶啟停機(jī)疲勞壽命計(jì)算表(99%樣本成活率)Tab.6 Fatigue life calculation table for starting and stopping of magnetic shroud(99% sample survival rate)

5 結(jié)論

電站機(jī)組制造單位在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)過(guò)程中按本方法對(duì)磁極圍帶剛強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，機(jī)組投運(yùn)至今，轉(zhuǎn)子磁極圍帶部分未發(fā)生任何故障，由此可見該方法對(duì)磁極圍帶剛強(qiáng)度計(jì)算有效.

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Calculationofthestiffnessandfatiguelifeoftherotormagneticshroudofthegeneratorinthepumpedstoragepowerstation

LIANGQingchun

(EastChinaYixingPumpedStoragePowerCo.,Ltd.,Yixing214205,China)

The rotor magnetic shroud of the generator can effectively prevent the centrifugal force from the damage to the coil generated when the rotor is rotated, and guarantee the normal operation of the unit. ANSYS software,is applied to calculate the generator rotor shroud of a pumped storage power station the with the ASME standard as the basis for the assessment, verifying that the rotor shroud design meet the design criteria of stiffness and stiffness requirements. At the same time, the miner cumulative damage criterion is used to calculate the fatigue life of the magnetic shroud, and the results show that the rotor magnetic shroud can meet the operation requirements.

rotor; magnetic shroud; stiffness; finite element; fatigue life

TV734.2

A

1674-330X(2017)04-0072-04

2017-09-02

梁慶春(1981-)，男，江蘇濱海人，高級(jí)工程師，主要從事抽蓄電站機(jī)電運(yùn)維工作.