超大容量低速柴油同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

龍 瑋

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

上電公司在柴油同步發(fā)電機(jī)業(yè)務(wù)領(lǐng)域一直占據(jù)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，同類(lèi)型較小規(guī)格的發(fā)電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)成熟。此次基于的是援非項(xiàng)目訂單，需要設(shè)計(jì)兩臺(tái)規(guī)格為23 047 kW，10.5 kV，150 r/min的低速柴油同步發(fā)電機(jī)，以滿(mǎn)足非洲厄立特里亞日益加快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。

1 項(xiàng)目背景

上電公司為非洲厄立特里亞的HIRGIGO電廠二期工程設(shè)計(jì)的柴油驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)。HIRGIGO電廠位于厄立特里亞MASSAWA市，煤炭和水利資源非常匱乏。但該市地處紅海沿岸，石油和天然氣資源豐富，因此該電廠選用低速柴油發(fā)電機(jī)組作為發(fā)電設(shè)備。HIRGIGO電廠為厄立特里亞核心電廠，現(xiàn)有四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組為ABB設(shè)計(jì)，目前電廠運(yùn)行情況已無(wú)法滿(mǎn)足厄立特里亞經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的供電需求，故要開(kāi)展二期擴(kuò)建工程。

根據(jù)電廠擴(kuò)建所需功率要求以及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留空間，新建柴油發(fā)電機(jī)組方案為兩套低速柴油發(fā)電機(jī)組，單機(jī)組輸出容量28 809 kVA。

2 電氣設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)時(shí)，我們針對(duì)之前一期工程的ABB電機(jī)進(jìn)行了比對(duì)優(yōu)化，ABB發(fā)電機(jī)為42P，而此次設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)采用了40P方案。經(jīng)過(guò)空載感應(yīng)電勢(shì)波形及頻譜分析、負(fù)載額定電繞組感應(yīng)電勢(shì)波形及電流波形及頻譜分析，波形畸變率(THD)和諧波分量以及空載損耗都較之前的電機(jī)有所減小。從性能角度說(shuō)，我們的方案跟ABB方案近似相同，而從電勢(shì)電流轉(zhuǎn)矩波形來(lái)看，我們40P方案的發(fā)電機(jī)波形畸變以及波動(dòng)明顯小于ABB的42P方案。從電磁場(chǎng)角度分析來(lái)說(shuō)，更能滿(mǎn)足用戶(hù)要求：

(1) 本發(fā)電機(jī)要能適應(yīng)紅海沿岸的環(huán)境并能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；

(2) 在發(fā)電機(jī)開(kāi)路和額定轉(zhuǎn)速及額定電壓下按GB 755(IEC 60034-1)規(guī)定的方法測(cè)試，發(fā)電機(jī)線端電壓總諧波畸變量(THD)不大于5%；

(3) 發(fā)電機(jī)應(yīng)具備無(wú)功調(diào)節(jié)功能，允許并網(wǎng)運(yùn)行；

(4) 在GB 755規(guī)定的幾種情況下，發(fā)電機(jī)應(yīng)能輸出額定容量；

(5) 發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱(chēng)的電力系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，如任一相電流不超過(guò)額定值，且其負(fù)序電流分量與額定電流之比不超過(guò)8%時(shí)應(yīng)能長(zhǎng)期運(yùn)行。此時(shí)繞組溫度不作考核；

(6) 發(fā)電機(jī)甩100%額定負(fù)荷、調(diào)速器系統(tǒng)正常工作的條件下應(yīng)允許機(jī)組不經(jīng)任何檢查并入系統(tǒng)；

(7) 須滿(mǎn)足GB 755中對(duì)發(fā)電機(jī)的全部性能要求，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性。電機(jī)主要電氣參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 主要電氣參數(shù)

3 機(jī)械設(shè)計(jì)要求

按IEC 60034及GB 755的相關(guān)要求，發(fā)電機(jī)采用F級(jí)絕緣、B級(jí)溫升考核，因此電機(jī)的溫升限值都按照B級(jí)進(jìn)行。另外，所有定子、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)等機(jī)械部分在設(shè)計(jì)時(shí)都必須考慮其在最大容量工況運(yùn)行時(shí)所引起的機(jī)械負(fù)載。電機(jī)的機(jī)械性能及要求(見(jiàn)表2)。

表2 機(jī)械性能及要求

在進(jìn)行電磁方案設(shè)計(jì)時(shí)，選定了該發(fā)電機(jī)的定子鐵心沖片外徑為7 220 mm，396槽。為了滿(mǎn)足以上機(jī)械性能要求，我們?cè)谶M(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。發(fā)電機(jī)各部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)能承受在發(fā)電機(jī)空載以及端電壓等于105%額定電壓下定子出線端發(fā)生三相突然對(duì)稱(chēng)或不對(duì)稱(chēng)短路歷時(shí)3 s，不產(chǎn)生有害變形。在熱狀態(tài)下應(yīng)能承受150%額定電流，歷時(shí)30 s，而不發(fā)生有害變形及接頭開(kāi)焊等情況，此時(shí)電壓應(yīng)接近額定值。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)能承受在120%額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行2 min而不產(chǎn)生有害變形。

3.1 定子定位筋焊縫計(jì)算

基于以上要求，根據(jù)額定轉(zhuǎn)速、額定功率、定子鐵心和繞組的總重量、定子鐵心內(nèi)徑和總長(zhǎng)、氣隙磁密、極弧系數(shù)等參數(shù)，對(duì)定子定位筋所需焊縫寬度及強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算及核算。輸入數(shù)據(jù)需要：額定轉(zhuǎn)速、額定功率、定子鐵心和繞組總重量、定子鐵心內(nèi)徑、定子鐵心長(zhǎng)度、氣隙磁通密度、極弧系數(shù)、短路轉(zhuǎn)矩系數(shù)、定位筋數(shù)目(預(yù)設(shè)值)、每根定位筋有效托塊數(shù)目(預(yù)設(shè)值)，撐筋與機(jī)座以及撐筋與托塊的布置位置(見(jiàn)圖1)，定子定位筋焊縫計(jì)算如下。

圖1 撐筋與機(jī)座以及撐筋與托塊的布置位置

首先計(jì)算出作用在一個(gè)托塊上的載荷因短路力矩產(chǎn)生的切向力：

因定子重量產(chǎn)生的切向力為：

總切向力：

T=TM+TG

磁拉力產(chǎn)生的徑向力：

其次，計(jì)算托塊與定位筋之間的應(yīng)力

焊縫長(zhǎng)度：

l0=a0+2b0

焊縫面積：

F0=0.707hl0

對(duì)Z軸慣性矩：

焊縫應(yīng)力：

托塊與機(jī)座板之間的焊接應(yīng)力計(jì)算

焊縫長(zhǎng)度:

l=a+2b

焊縫面積:

F=0.707hl

焊縫慣性矩:

合成焊縫應(yīng)力：

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求

為滿(mǎn)足整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)及電網(wǎng)的穩(wěn)定，此次設(shè)計(jì)的同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定不小于564 335 kg·m2。轉(zhuǎn)軸有限元模型(見(jiàn)圖2)，邊界條件參數(shù)為發(fā)電機(jī)的額定輸出功率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、彈性E、磁拉力、軸材料(選擇鋼34CrMo1A)，軸的撓度(見(jiàn)圖3)，扭轉(zhuǎn)變形(見(jiàn)圖4)，對(duì)應(yīng)扭轉(zhuǎn)角度(見(jiàn)圖5)，軸等效應(yīng)力計(jì)算(見(jiàn)圖6)。

圖2 轉(zhuǎn)軸有限元模型

圖3 軸撓度

圖4 軸的扭轉(zhuǎn)變形

圖5 對(duì)應(yīng)扭轉(zhuǎn)角度

圖6 軸等效應(yīng)力計(jì)算

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)軸的有限元分析，得出軸身表面的平均等效應(yīng)力和軸肩處的最大等效應(yīng)力，設(shè)計(jì)好整個(gè)轉(zhuǎn)子各個(gè)部分合理的尺寸及位置分布，控制好整個(gè)軸系的變形量。

3.3 軸系扭振計(jì)算

該柴油發(fā)電機(jī)與12缸2沖程低速柴油機(jī)配套。柴油機(jī)由于燃?xì)鈮毫瓦\(yùn)動(dòng)部件所產(chǎn)生的慣性力矩，對(duì)軸系產(chǎn)生有無(wú)數(shù)個(gè)振幅不同、頻率不同、相角不同的力矩，構(gòu)成多質(zhì)量有阻尼的強(qiáng)制振動(dòng)系統(tǒng)，因此需要進(jìn)行詳細(xì)的軸系扭振計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)臨界轉(zhuǎn)速要避開(kāi)90%～110%額定轉(zhuǎn)速，以避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

此次的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案與HIRGIGO電廠一期工程的ABB發(fā)電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)度放長(zhǎng)，主要體現(xiàn)在軸伸端面至鐵心段的加長(zhǎng)。我們根據(jù)軸系的詳細(xì)圖紙和聯(lián)軸器參數(shù)，求取轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，繪制當(dāng)量圖，然后根據(jù)當(dāng)量圖參數(shù)完成扭振臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。柴油發(fā)電機(jī)組的軸系(見(jiàn)圖7)，右側(cè)大圓盤(pán)表示同步發(fā)電機(jī)，左側(cè)表示柴油機(jī)。

圖7 柴油發(fā)電機(jī)組的軸系

3.4 發(fā)電機(jī)吊運(yùn)方案設(shè)計(jì)

在制造、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和運(yùn)行等狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)會(huì)承受不同的應(yīng)力，必須防止可能危及人身安全的變形或故障，因此，需要對(duì)機(jī)座進(jìn)行剛性計(jì)算。輸入數(shù)據(jù)：機(jī)座重量、定子重量、發(fā)電機(jī)的額定有功功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、過(guò)載倍數(shù)以及吊運(yùn)加速度。

考慮機(jī)座整體吊運(yùn)方案，使用上半機(jī)座最上端兩個(gè)吊攀，吊運(yùn)高度按8 m(鐵心軸線到吊鉤的垂直距離)計(jì)，上下機(jī)座的連接螺釘采用連接副(Fixed Joints)約束，計(jì)算出最大等效應(yīng)力值在吊攀圓管上，最大變形量在下機(jī)座底端，變形方向垂直向下(見(jiàn)圖8～圖9)。

圖8 吊攀變形情況

圖9 機(jī)座整體吊運(yùn)應(yīng)力分布

若采用上、下定子分半吊運(yùn)，上半定子使用最上部?jī)蓚€(gè)吊攀起吊，同樣吊運(yùn)距離按8 m計(jì)算，經(jīng)分析上、下半定子最大變形量在分半哈夫面上。

過(guò)載轉(zhuǎn)矩工況分析考慮4倍額定轉(zhuǎn)矩作用于鐵心內(nèi)圓表面，下圖給出了機(jī)座的應(yīng)力與變形：最大等效應(yīng)力在受壓底腳一側(cè)；機(jī)座的最大變形在機(jī)座上部，機(jī)座承受過(guò)載轉(zhuǎn)矩時(shí)的等效應(yīng)力分布圖和變形量分布(見(jiàn)圖10～圖11)。

圖10 機(jī)座承受過(guò)載轉(zhuǎn)矩時(shí)的等效應(yīng)力分布圖

圖11 機(jī)座承受過(guò)載轉(zhuǎn)矩時(shí)的變形量分布

基于以上對(duì)機(jī)座的剛度分析，確定了機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選用，保證機(jī)座的安全可靠，并留出足夠的安全裕度。

4 結(jié)論

本文介紹的柴油同步發(fā)電機(jī)為目前國(guó)內(nèi)試制成功的直徑最大的臥式柴油同步發(fā)電機(jī)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案合理，電機(jī)性能達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，在國(guó)際上還具有良好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。上電公司也是目前國(guó)內(nèi)唯一一家有此類(lèi)電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的制造廠商。公司通過(guò)23 047 kW、40P無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品試制開(kāi)發(fā)，在國(guó)內(nèi)外大容量、低轉(zhuǎn)速同步發(fā)電機(jī)市場(chǎng)取得了突破。