大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)分析

何國慶

【摘 要】定子機(jī)座是貫流式水輪發(fā)電機(jī)的重要組成部件，用以固定定子鐵心和繞組，承受定子所有部件的重量和電磁、熱及外部水壓等載荷作用，因此必須具有足夠的剛度以維持定子鐵心的圓度，將載荷傳遞至基礎(chǔ)上。文章使用ANSYS Mechanical軟件對老口水電站發(fā)電機(jī)定子的起吊、額定運(yùn)行、突然短路等工況時，機(jī)座、鐵心等的應(yīng)力情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，以證明定子的設(shè)計(jì)是安全可靠的。

【關(guān)鍵詞】燈泡貫流；水輪發(fā)電機(jī)組；定子機(jī)座；有限元計(jì)算；結(jié)構(gòu)分析；老口水電站；共振

【中圖分類號】TM312 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）06-0102-03

0 引言

老口航運(yùn)樞紐工程位于郁江上游廣西壯族自治區(qū)南寧市區(qū)，在左、右江匯合口下游4.7 km，上距左江山秀壩址84 km，距右江金雞灘壩址121 km，下距西津壩址198 km。老口壩址控制集水面積為72 368 km2，是郁江綜合利用規(guī)劃十個梯級中的第七個梯級，是一座以航運(yùn)、防洪為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧改善南寧市水環(huán)境效益的水資源綜合利用工程。電站安裝了5臺容量為30 MW的大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

1 機(jī)組參數(shù)

機(jī)組參數(shù)如下：額定容量為30 MW；額定轉(zhuǎn)速為78.9 r/min；短路扭矩為24 641.1 kN·m；定子線棒及鐵芯重量為50 000 kg；磁極數(shù)為76極；單極磁拉力為195.2 kN/極；中心線高度水壓為23 m；定子機(jī)座外徑為8 100 mm。

2 額定工況

2.1 有限元模型的建立

為獲得真實(shí)可靠的計(jì)算結(jié)果，對定子所包含的定子機(jī)座、定子鐵心、燈泡頭及垂直支撐等進(jìn)行了全模型建模，計(jì)算模型采用實(shí)體與板殼混合建模方式。

2.2 邊界條件

（1）在燈泡頭和機(jī)座外表面施加水壓力，并沿高沿線性變化。

（2）在機(jī)座下游環(huán)板施加全約束，約束鐵心下游底面所有節(jié)點(diǎn)的Z向位移。

（3）鐵心上所有節(jié)點(diǎn)施加溫度載荷，達(dá)到40 ℃。

（4）鐵心上所有節(jié)點(diǎn)施加徑向磁拉力及切向額定矩扭。

（5）施加重力加速度，達(dá)到9 800 mm/s2。

（6）鴿尾筋與鐵心之間建立三面接觸。

（7）燈泡頭與機(jī)座間建立接觸，機(jī)座與鴿尾筋之間也建立接觸。

（8）垂直支撐上端與燈泡頭對應(yīng)節(jié)點(diǎn)耦合，下端節(jié)點(diǎn)全約束。

2.3 額定工況計(jì)算結(jié)果

額定工況下，定子機(jī)座最大位移在鐵心下游處，約1.29 mm，鐵心徑向最大變形為1.12 mm，最小徑向變形為0.75 mm，整個鐵心的圓度保持良好；此時，定子最大應(yīng)力發(fā)生在機(jī)座外環(huán)板與豎筋焊接處，屬于應(yīng)力集中，約140 MPa；鐵心最大應(yīng)力發(fā)生在鴿尾筋與機(jī)座連接處，約54 MPa，也屬于應(yīng)力集中；整個定子的平均應(yīng)力不超過30 MPa，計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示。

3 短路工況計(jì)算

3.1 有限元模型與邊界條件

突然短路工況與額定工況的有限元模型相同，計(jì)算邊界條件如下。

（1）在燈泡頭和機(jī)座外表面施加水壓力，并沿高沿線性變化。

（2）在機(jī)座下游環(huán)板處施加全約束，約束鐵心下游底面所有節(jié)點(diǎn)的Z向位移。

（3）鐵心上所有節(jié)點(diǎn)施加溫度載荷，達(dá)到40 ℃。

（4）鐵心上所有節(jié)點(diǎn)施加徑向磁拉力及切向短路矩扭。

（5）施加重力加速度，達(dá)到9 800 mm/s2。

（6）鴿尾筋與鐵心之間建立三面接觸。

（7）燈泡頭與機(jī)座建立接觸，機(jī)座與鴿尾筋之間也建立接觸。

（8）垂直支撐上端與燈泡頭對應(yīng)節(jié)點(diǎn)耦合，下端節(jié)點(diǎn)全約束。

3.2 短路工況計(jì)算結(jié)果

短路工況下，定子機(jī)座最大位移在鐵心下游處，約1.31 mm，鐵心徑向最大變形為1.12 mm，最小徑向變形為0.75 mm，整個鐵心的圓度保持良好；此時，定子最大應(yīng)力發(fā)生在機(jī)座外環(huán)板與定位筋托塊焊接處，屬于應(yīng)力集中，約171 MPa；鐵心最大應(yīng)力發(fā)生在鴿尾筋與機(jī)座連接處，約76 MPa，也屬于應(yīng)力集中；整個定子的平均應(yīng)力不超過50 MPa，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

4 起吊工況計(jì)算

4.1 有限元模型及邊界條件

起吊工況的定型模型仍采用實(shí)體與板殼混合建模方式，各部件的裝配情況與額定工況相同。

（1）施加重力加速度，達(dá)到9 800 mm/s2。

（2）鴿尾筋與鐵心之間建立三面接觸。

（3）約束起吊時使用3個起吊座的Y向位移。

4.2 起吊工況計(jì)算結(jié)果

額定工況下，定子機(jī)座最大位移在鐵心的下游處，約0.4 mm，鐵心徑向最大變形為0.4 mm，最小徑向變形為-0.2 mm，整個鐵心的圓度仍保持良好；此時，定子最大應(yīng)力發(fā)生在起吊座位置，屬于應(yīng)力集中，約57 MPa；鐵心最大應(yīng)力發(fā)生在鴿尾筋與機(jī)座連接處，約20 MPa；整個定子的平均應(yīng)力不超過10 MPa，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

5 模態(tài)分析

為了防止共振發(fā)生，在易發(fā)生共振范圍內(nèi)進(jìn)行頻率搜索，計(jì)算結(jié)果見表1。

機(jī)組轉(zhuǎn)頻為1.315 Hz，小于定子的最小振動頻率（一階頻率為10.2 Hz），定子四花振動模態(tài)為52.7 Hz，即在電網(wǎng)倍頻影響范圍（80～120 Hz）內(nèi)沒有出現(xiàn)四花振型，也不會發(fā)生次諧波振動，因此定子的設(shè)計(jì)有效避開了所有激振頻率，不會發(fā)生共振。

6 結(jié)語

通過對各工況應(yīng)力和變形的計(jì)算可以看出，整個結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平和最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度的1/3，結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度都在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，機(jī)組振動頻率避開了所有不利區(qū)域，可以保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊理明.大型燈泡貫流式發(fā)電機(jī)定子的吊裝方法[J].廣東水利水電，2014（8）：98-101，107.

[2]白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3]JB/T 7071—2005，燈泡式水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件[S].

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]