仙游發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及優(yōu)化研究

羅功富 張建偉 王世建??

摘要：大容量高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可靠性是研制大型抽水蓄能機(jī)組所關(guān)心和研究的核心課題。抽水蓄能機(jī)組相比于其他水電機(jī)組，其運(yùn)行工況惡劣且復(fù)雜，因此要求其具有更高的結(jié)構(gòu)可靠性。本文通過對(duì)仙游電站（300MW級(jí)）發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化分析，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平及分析方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)電電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子支架；強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

300MW至400MW級(jí)大容量、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能電站屬于大規(guī)模高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相HYPERLINK"http：//baike.baidu.com/view/141357.htm"t"_blank"等任務(wù)，為電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)高效、安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

本文通過對(duì)仙游電站（300 MW級(jí)）大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化研究，確定了仙游電站機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架的結(jié)構(gòu)形式及其可靠性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，為其他大容量、高轉(zhuǎn)速的大型發(fā)電電動(dòng)機(jī)自主化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

1 研究內(nèi)容

本文通過利用大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS，完成了仙游電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架分別在彈性鍵和熱打鍵兩種磁軛鍵連接方式下的應(yīng)力分析，通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化計(jì)算，掌握了轉(zhuǎn)子支架強(qiáng)度計(jì)算的最佳分析方法及分析流程。

2 仙游電站機(jī)組主要參數(shù)

仙游電站機(jī)組的主要參數(shù)如下：

額定轉(zhuǎn)速428r/min

分離轉(zhuǎn)速471 r/min

3 轉(zhuǎn)子支架強(qiáng)度計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 轉(zhuǎn)子支架有限元計(jì)算

仙游電站機(jī)組的轉(zhuǎn)速偏高，這為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了一定的難度。轉(zhuǎn)子支架設(shè)計(jì)時(shí)考慮了直支臂和斜支臂兩種結(jié)構(gòu)形式，本文將介紹仙游發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架最終結(jié)構(gòu)方案的強(qiáng)度分析及優(yōu)化過程。

轉(zhuǎn)子支架最終結(jié)構(gòu)為彈性鍵結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子支架由中心軸、三角支撐等部件組成，轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間通過彈性鍵連接。

在建立有限元計(jì)算模型時(shí)，應(yīng)用三維實(shí)體單元（SOLID45）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。由于該結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分析時(shí)取1/7模型進(jìn)行建模分析。

3.1.1彈性鍵、熱打鍵處理方法

斜支臂（直支臂可認(rèn)為是斜支臂的特例）轉(zhuǎn)子支架在打鍵狀態(tài)時(shí)，磁軛和轉(zhuǎn)子支架支臂受到徑向打鍵力作用，由于斜支臂轉(zhuǎn)子支架支臂與中心軸具有一定的夾角，定義六維打鍵力函數(shù)F（x，y，z，θ，δ，c），其中：

x，y，z為位置坐標(biāo)

θ斜支臂傾角

δ打鍵緊量

c機(jī)組狀態(tài)參數(shù)

打鍵力函數(shù)F（x，y，z，θ，δ，c）可以分解為支架向心方向的力F1及周向的力F2兩矢量力之和，矢量力F2將引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而造成轉(zhuǎn)子支架大立筋打鍵力不再向心，引起大立筋的彎扭變形，以至打鍵力在大立筋上不再均勻分布。直接計(jì)算各運(yùn)行狀態(tài)下的打鍵力及其分布較為困難，且打鍵力與徑向變形不再呈線性關(guān)系，因此不能簡單地進(jìn)行打鍵力計(jì)算，針對(duì)這一特點(diǎn)，利用以下方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理：

利用結(jié)構(gòu)分析軟件的實(shí)體單元（SOLID）模擬鍵與轉(zhuǎn)子支架大立筋和磁軛的過盈配合，將支架支臂上的打鍵力函數(shù)F（x，y，z，θ，δ，c）作為隱函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模（該方法不需直接計(jì)算打鍵力），考慮鍵的影響，在支架過盈面和磁軛過盈面通過過盈量設(shè)置來分析計(jì)算轉(zhuǎn)子支架剛強(qiáng)度、自動(dòng)模擬支臂轉(zhuǎn)動(dòng)等問題。

上述處理方法能有效解決仙游轉(zhuǎn)子支架在打鍵工況、負(fù)荷工況、飛逸工況或機(jī)組在其它任意運(yùn)行狀態(tài)下的打鍵力F（x，y，z，θ，δ，c）再分配問題，真實(shí)、客觀地反映實(shí)際情況，并且能大大減輕轉(zhuǎn)子支架的計(jì)算工作量。

3.1.2打鍵力函數(shù)F（x，y，z，θ，δ，c）的計(jì)算

首先計(jì)算出機(jī)組在任意運(yùn)行狀態(tài)下的變形，提取出轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)子模型，讀取前述的位移作為新的邊界條件，提取大立筋處的反力，該反力的大小與分布即為打鍵力函數(shù)F（x，y，z，θ，δ，c）的大小與分布。

3.2 斜支臂結(jié)構(gòu)方案計(jì)算

仙游轉(zhuǎn)子支架的初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為斜支臂結(jié)構(gòu)，經(jīng)過對(duì)斜支臂傾角、環(huán)板位置及數(shù)量優(yōu)化后形成了最佳應(yīng)力水平的斜支臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1仙游斜支臂轉(zhuǎn)子支架計(jì)算實(shí)體模型

斜支臂轉(zhuǎn)子支架計(jì)算結(jié)果及分析。（1）打鍵工況。轉(zhuǎn)子支架在分離轉(zhuǎn)速下只承受重力、離心力作用，經(jīng)計(jì)算磁軛和支架之間的打鍵緊量為amm。支架在此打鍵緊量并且承受重力作用下，最大等效應(yīng)力為 387 MPa，位于支架大立筋處，屬于典型的局部應(yīng)力集中。圖2為該工況轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布示意圖。

圖2轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布（打鍵工況）

（2）額定工況。在額定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子支架受打鍵緊量、額定扭矩和重力作用。支架最大等效應(yīng)力為212MPa，位于支架大立筋上，圖3為轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布示意圖。

圖3轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布（額定工況）

（3）飛逸工況。在飛逸轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子支架承受離心力和重力載荷。在此工況下，支架上的最大等效應(yīng)力為322MPa，圖4為飛逸工況轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布示意圖。

圖4轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布（飛逸工況）

從上面計(jì)算可以看出，如果仙游轉(zhuǎn)子支架采用斜支臂結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力水平明顯偏高，不建議采用，因此計(jì)算了直支臂+彈性鍵的轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)。

直支臂+彈性鍵結(jié)構(gòu)闡述：轉(zhuǎn)子支架由中心軸、三角支撐等部件組成，轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間通過彈性鍵連接。

3.3 直支臂結(jié)構(gòu)方案計(jì)算

直支臂+彈性鍵的轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5仙游直支臂轉(zhuǎn)子支架計(jì)算實(shí)體模型

直支臂轉(zhuǎn)子支架計(jì)算結(jié)果及分析。（1）打鍵工況。轉(zhuǎn)子支架在分離轉(zhuǎn)速下只承受重力、離心力作用，經(jīng)計(jì)算磁軛和支架之間的打鍵緊量為b。

轉(zhuǎn)子支架在此打鍵緊量并且承受重力作用下，最大等效應(yīng)力為 323MPa，位于支架大立筋處，屬于典型的局部應(yīng)力集中。圖6為該工況轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布示意圖，支架撓度為0.1mm，翹曲安全系數(shù)為19.44。

圖6轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布（打鍵工況）

（2）額定工況。在額定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子支架受打鍵緊量、額定扭矩和重力作用。支架最大等效應(yīng)力為99MPa，位于支架大立筋上，圖7為轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布示意圖。

圖7轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布（額定工況）

（3）飛逸工況。在飛逸轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子支架承受離心力和重力載荷。在此工況下，支架上的最大等效應(yīng)力為134MPa，圖8為飛逸工況轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布示意圖。

圖8轉(zhuǎn)子支架等效應(yīng)力分布（飛逸工況）

通過斜支臂和直支臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比較，直支臂+彈性鍵結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子支架應(yīng)力水平較斜支臂轉(zhuǎn)子支架的應(yīng)力水平有大幅降低，最終仙游電站機(jī)組采用了直支臂+彈性鍵的轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)。

4 分析與總結(jié)

仙游轉(zhuǎn)子支架計(jì)算結(jié)果表明，直支臂轉(zhuǎn)子支架在打鍵工況、額定工況、飛逸工況的應(yīng)力水平較斜支臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平有大幅下降，在該應(yīng)力水平比較容易選擇材料。

東方電氣通過仙游轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程和取得的經(jīng)驗(yàn)，掌握了大容量、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)子支架強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法等關(guān)鍵核心技術(shù)。仙游轉(zhuǎn)子支架的優(yōu)化結(jié)構(gòu)確定了東方型發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架的基本結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式已陸續(xù)應(yīng)用于仙居、績溪、敦化、長龍山等高水頭、大容量、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支架的設(shè)計(jì)之中。

參考文獻(xiàn)：

[1]斜支臂轉(zhuǎn)子支架機(jī)械性能計(jì)算方法研究及工程應(yīng)用.東方電機(jī)，2010（4）.

[2]轉(zhuǎn)子支架剛強(qiáng)度分析.機(jī)電信息，2013（15）.