大型風(fēng)力機(jī)機(jī)座與定子過(guò)盈配合的影響因素分析與計(jì)算

張水龍， 陳朝富

（欣達(dá)重工股份有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

風(fēng)電為清潔可再生能源，開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能既符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，也符合社會(huì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)電機(jī)為風(fēng)電動(dòng)機(jī)組的核心部件，機(jī)座與定子部件為發(fā)電機(jī)核心部件，配合設(shè)計(jì)合理性涉及到機(jī)組安全性[1]。機(jī)座和定子的過(guò)盈量有許多不確定因素需加以考慮，例如機(jī)座與定子的不圓度、平整度和不均勻度，定子彈性系數(shù)各向異性及定子單邊磁拉力等[2]。所以，至今國(guó)內(nèi)外沒(méi)有統(tǒng)一的工程經(jīng)驗(yàn)公式作為機(jī)座與定子過(guò)盈的設(shè)計(jì)依據(jù)。

目前，蘭波、李志和[3]采用復(fù)合材料理論，將定子鐵心的疊片層與絕緣漆層等效為同向的彈性模量，得到縱向、橫向的彎曲彈性模量及剪切彈性模量、泊松比等5個(gè)彈性常數(shù)。徐忠海等[4]將大型水輪機(jī)定子疊片視為各項(xiàng)同性材料，采用Matlab程序編程，計(jì)算得到定子鐵心等效工程彈性常數(shù)。

據(jù)工作載荷和工程經(jīng)驗(yàn)值，選定過(guò)盈量，視各向同性等效彈性模量，忽略不平衡磁拉力和機(jī)座加工不圓度，采用ANSYS WORKBENCH軟件討論磁吸力、表面粗糙度和溫度等對(duì)過(guò)盈量影響，并分析機(jī)座與定子接觸應(yīng)力、焊縫應(yīng)力以及定子壓縮量和機(jī)座膨脹量[5]。

1 機(jī)座與定子過(guò)盈設(shè)計(jì)因素

1.1 工作載荷

發(fā)電機(jī)實(shí)際的工作狀態(tài)下，機(jī)座與定子相對(duì)靜止，不允許有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦機(jī)座與定子相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，定子線圈電纜接頭會(huì)被撕斷或絕緣破壞，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)無(wú)法正常工作。機(jī)座與定子過(guò)盈配合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一：1）電動(dòng)機(jī)在突然短路狀態(tài)下，不允許滑動(dòng)；2）電動(dòng)機(jī)在額定載荷工作下，不允許滑動(dòng)；3）焊縫應(yīng)力不允許超過(guò)疲勞強(qiáng)度DC80[6]。

風(fēng)力機(jī)組額定載荷[7]為

式中：K為過(guò)載系數(shù)，工程上取值為1.05～1.1 N·m；Prated為額定功率，kW；nrated為額定轉(zhuǎn)速，r/min。

短路衰減力矩[8]為

式中：A為振幅，N·m；λ為衰減系數(shù)；f為衰減頻率，Hz；t為時(shí)間，s。

圖1 某MW級(jí)電動(dòng)機(jī)短路衰減力矩曲線

1.2 磁吸力

磁吸力是由于定子磁鋼的磁場(chǎng)對(duì)定子線圈的吸力，其原理詳見(jiàn)圖2。此磁力FPlate會(huì)減少定子與機(jī)座的配合量，其值[8-9]為

圖2 磁力產(chǎn)生原理

式中：W（s,i）為系統(tǒng)磁能積，Jm3；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，Am；s為氣隙間距，見(jiàn)圖2，m；V為體積，m3。

從式（3）可以得出，磁力FPlate與磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H、氣隙s相關(guān)。B、H越大（磁能積就越大），s越小，磁力FPlate越大。

1.3 表面粗糙度

據(jù)過(guò)盈配合計(jì)算原理與設(shè)計(jì)規(guī)則，加工粗糙度會(huì)造成過(guò)盈量的損失，粗糙度等級(jí)越低，損失量越大。損失量[10]為

表1 算術(shù)平均粗糙度與不平度十點(diǎn)高度換算

式中：RZA為包容件粗糙度，微觀不平度十點(diǎn)高度，μm；RZl為被包容粗糙度，微觀不平度十點(diǎn)高度，μm。

式（4）表明，粗糙度值越大，損失量越高。所以配合面要求一定級(jí)別的粗糙度。算術(shù)平均粗糙度與不平度十點(diǎn)高度換算見(jiàn)表1。

1.4 溫度

定子線圈為發(fā)熱源，與機(jī)座形成溫度梯度，機(jī)座與定子的溫度差對(duì)機(jī)座與定子的過(guò)盈影響較大，主要膨脹量[11]為

式中：Δt為定子平均溫度與機(jī)座平均溫度之差，K；α為線性膨脹系數(shù)，碳鋼取11×10-6K-1；D為機(jī)座與定子配合直徑，mm。

表2 溫度差與膨脹量關(guān)系

當(dāng)材質(zhì)與配合直徑一定時(shí)，兩者存在的溫差影響過(guò)盈量大小。表2中溫度差與膨脹量關(guān)系根據(jù)式（5）計(jì)算,取配合直徑為4.7 m的機(jī)座，機(jī)座的溫差對(duì)膨脹量影響較大。一般情況機(jī)組運(yùn)行情況，定子溫度高于機(jī)座溫度，定子較機(jī)座膨脹量更多，有利于過(guò)盈，但機(jī)座焊縫應(yīng)力會(huì)響應(yīng)增加。

2 算例與分析

定子由定子鐵心、線圈、絕緣材料、嵌條組合成一體。定子鐵心由0.5 mm硅鋼片層疊后，經(jīng)300 t壓力壓制后，數(shù)根肋條焊接成一體[12]?？梢?jiàn)準(zhǔn)確計(jì)算定子剛度比較困難，據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，熱套前，測(cè)量機(jī)座內(nèi)、外徑值，熱套后，待冷卻完畢，再次測(cè)量機(jī)座外徑、和定子內(nèi)徑值，比較熱套前后數(shù)據(jù)，得出等效彈性模量。

式中:t1為定子等效厚度;t2為機(jī)座等效厚度；D1為熱套前定子內(nèi)徑;D2為熱套后定子內(nèi)徑；D3為熱套后機(jī)座外徑；D4為熱套前機(jī)座外徑。

經(jīng)實(shí)際對(duì)定子和機(jī)座尺寸的測(cè)量，等效彈性模量取80 GPa。泊松比取0.44（僅考慮定子軸向伸長(zhǎng)量與定子徑向壓縮量）。

圖3 單元電動(dòng)機(jī)磁拉力模型

3 案例分析

某發(fā)電機(jī)功率P為2500 kW，定子長(zhǎng)度L為1 m，配合直徑4.7 m，機(jī)座厚度為60 mm，額定轉(zhuǎn)速n為14.8 rmin，定轉(zhuǎn)子之間的氣隙直徑為4.43 m，氣隙厚度為5.8 mm。本文取單元電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)定X坐標(biāo)為單元電動(dòng)機(jī)的徑向方向，Y坐標(biāo)為單元電動(dòng)機(jī)切向方向，詳見(jiàn)圖3單元電動(dòng)機(jī)磁拉力模型[13]。總過(guò)盈量采用網(wǎng)格偏移功能[14]，參數(shù)offset數(shù)值為1.3 mm，即單邊偏移量1.3 mm。

表3 空載與滿載情況下磁吸力與氣隙的關(guān)系

圖4 機(jī)座與定子過(guò)盈變形、接觸壓強(qiáng)和應(yīng)力

從圖4機(jī)座與定子過(guò)盈變形、接觸壓強(qiáng)和應(yīng)力可得，機(jī)座變形量為0.68 mm，定子變形量為0.62 mm，兩者接觸應(yīng)力為1.1 MPa，定子最大應(yīng)力為67 MPa，機(jī)座焊縫處最大應(yīng)力為75 MPa。從表3空載與滿載情況下磁吸力與氣隙的關(guān)系表明，滿載比空載吸力大25%左右，發(fā)電機(jī)滿載工作時(shí)，定子磁吸力對(duì)機(jī)座與定子過(guò)盈配合的影響因子約為0.1651.1=15%[15-17]。

4 結(jié) 論

以某發(fā)電機(jī)機(jī)座與定子配合設(shè)計(jì)為案例，忽略機(jī)座本身的不圓度，采用有限元軟件分析方法，計(jì)算分析了過(guò)盈產(chǎn)生的偏移量和應(yīng)力，結(jié)論如下：1）大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)直徑4～5 m之間，等效彈性模量為80～110 GPa；2）設(shè)計(jì)機(jī)座過(guò)盈配合時(shí)，需考慮發(fā)電機(jī)定子繞組的磁吸力，其滿載較空載影響較大，影響量為15%左右；3）機(jī)座的過(guò)盈應(yīng)力較定子高，尤其關(guān)注機(jī)座的焊縫應(yīng)力不允許超過(guò)其許用疲勞應(yīng)力；4）機(jī)座與定子變形均為弧形狀，給鋼端蓋配合提供理論基礎(chǔ)。