600 MW級汽輪發(fā)電機組聯(lián)軸器強度分析

李汪繁，徐佳敏

(上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

在汽輪發(fā)電機組中，聯(lián)軸器的作用是將汽輪機及發(fā)電機的各轉子互相連接成一個軸系，主要功能是傳遞扭矩[1-2]。隨著發(fā)電機組朝著單機大容量、高參數(shù)的方向發(fā)展，軸系變得相對細長，同時電力系統(tǒng)也朝著規(guī)模大型化、結構復雜化及負荷多樣化等方向發(fā)展，使得機網(wǎng)耦合扭振問題日益受到關注[3]。國內外發(fā)生過多起因軸系扭振引起的機組損傷事故[4-6]，造成了嚴重的經濟損失。電力系統(tǒng)擾動如短路、誤同期合閘等典型故障是軸系扭振的主要誘因之一[7-9]。當發(fā)生典型電氣故障時，軸系將受到急劇增大的瞬態(tài)電磁力矩沖擊，激發(fā)軸系扭振，危險部位由于受到較大的交變扭應力可能會產生疲勞壽命損耗，嚴重時可能會產生裂紋甚至斷裂，而低壓轉子與發(fā)電機轉子間的聯(lián)軸器(低發(fā)聯(lián)軸器)正是典型電氣故障下最危險的部位之一[10]，應予以重點關注。

為全面量化評估600 MW級汽輪發(fā)電機組低發(fā)聯(lián)軸器在額定工況及多種典型電氣故障下的應力水平，針對某600 MW級機組低發(fā)聯(lián)軸器建立了有限元模型，計算了機組額定工況及典型電氣故障下聯(lián)軸器承受的扭矩情況，分析了聯(lián)軸器的應力分布，確定其危險部位并開展了強度校核，為600 MW級機組在設計環(huán)節(jié)保障低發(fā)聯(lián)軸器強度安全提供參考。

1 聯(lián)軸器應力分析方法

機組在額定工況時，聯(lián)軸器所傳遞的扭矩可根據(jù)功率和轉速得到，計算公式為：

T=9 550P/n

(1)

式中：T為扭矩，N·m；P為功率，kW；n為轉速，r/min。

當機組發(fā)生電氣故障時，根據(jù)暫態(tài)過程電磁力矩的方程，基于軸系結構參數(shù)、汽輪機各級功率和發(fā)電機本體各分段功率等數(shù)據(jù)，結合模態(tài)疊加法和Newmark-β數(shù)值積分法可計算得到聯(lián)軸器位置扭矩的響應情況[11-12]。

聯(lián)軸器對輪靠螺栓連接，需要采用熱緊或冷緊等手段使每個螺栓具有一定的伸長量，以保證螺栓的預緊力。在安裝時，螺栓伸長量的估算公式[1]為：

ΔL=1.1×10-3L

(2)

式中：ΔL為螺栓伸長量，m；L為螺栓有效長度，m。

螺栓預緊力的計算公式為：

ε=ΔL/L

(3)

σ=Eε

(4)

F=σA

(5)

式中：F為螺栓所受預緊力，N；ε為螺栓軸向應變；σ為螺栓所受拉應力，Pa；E為螺栓材料的彈性模量，Pa；A為螺栓截面積，m2。

機組在額定工況及典型電氣故障下，根據(jù)上述方法計算得到聯(lián)軸器所承受的扭矩及螺栓預緊力，并將其作為分析邊界導入至采用有限元計算軟件ANSYS建立的聯(lián)軸器有限元模型中，最終可計算得到聯(lián)軸器在不同機組狀態(tài)下的應力分布。

2 低發(fā)聯(lián)軸器模型建立

某600 MW級汽輪發(fā)電機組軸系示意圖見圖1，軸系含高中壓轉子、2根低壓轉子、發(fā)電機轉子及勵磁小軸。

圖1 某600 MW級汽輪發(fā)電機組軸系示意圖

該機組低發(fā)聯(lián)軸器為剛性聯(lián)軸器，在其對輪整圈均勻布置16個螺栓，相關材料性能參數(shù)見表1。據(jù)此建立的低發(fā)聯(lián)軸器有限元模型見圖2，生成六面體結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為422 625。

表1 低發(fā)聯(lián)軸器材料性能參數(shù)

圖2 低發(fā)聯(lián)軸器有限元模型

根據(jù)低發(fā)聯(lián)軸器實際結構及受力特點，設置邊界條件如下：聯(lián)軸器對輪接觸面、螺桿圓周面與螺栓孔、螺母與聯(lián)軸器輪盤之間均設置為摩擦接觸，摩擦因數(shù)設置為0.15；不考慮螺紋，螺母與螺桿之間設置為綁定；取轉速為3 000 r/min；在聯(lián)軸器對輪接觸面上施加相應的扭矩；在螺栓上施加相應的預緊力；由于低發(fā)聯(lián)軸器所處的環(huán)境溫度較低，不計入溫度對其的影響。

3 額定工況下應力分析

根據(jù)低發(fā)聯(lián)軸器應力分布情況，選取7個區(qū)域進行分析，具體見圖3。7個區(qū)域的定義如下：部位A為低壓轉子側聯(lián)軸器螺栓沉孔處；部位B為低壓轉子側聯(lián)軸器端面螺栓孔處；部位C為發(fā)電機轉子側聯(lián)軸器螺栓沉孔處；部位D為發(fā)電機轉子側聯(lián)軸器端面螺栓孔處；部位E為低壓轉子側螺栓螺紋根部處；部位F為發(fā)電機轉子側螺栓螺紋根部處；部位G為螺栓螺桿中間截面處。

圖3 低發(fā)聯(lián)軸器強度薄弱部位示意圖

圖4為額定工況下螺栓等效應力分布云圖。額定工況下，由于螺栓預緊力拉伸的影響，低發(fā)聯(lián)軸器最大等效應力(384.69 MPa)出現(xiàn)在部位E，16個螺栓受力情況基本一致，同時部位G的等效應力(306.66 MPa)也相對較大。

圖4 額定工況下螺栓等效應力分布云圖

圖5為額定工況下低發(fā)聯(lián)軸器等效應力分布云圖。聯(lián)軸器對輪由于受到螺栓軸向擠壓的影響，最大等效應力(284.26 MPa)發(fā)生在部位C；低壓轉子側聯(lián)軸器輪盤應力分布與發(fā)電機側聯(lián)軸器輪盤應力分布情況相似，最大等效應力(276.45 MPa)也發(fā)生在聯(lián)軸器螺栓沉孔處(即部位A)。上述最大等效應力均小于材料屈服強度，滿足要求。

圖5 額定工況下低發(fā)聯(lián)軸器等效應力分布云圖

圖6為額定工況下發(fā)電機轉子側聯(lián)軸器端面等效應力分布云圖。額定工況下，端面整體應力均較小，部位D由于受到螺栓徑向擠壓的影響，等效應力相對較大，最大值約為190 MPa。

圖6 額定工況下發(fā)電機轉子側聯(lián)軸器端面等效應力分布云圖

圖7為額定工況下螺栓剪切應力分布云圖。最大剪切應力(122.87 MPa)發(fā)生在螺栓部位F，而螺栓部位G的剪切應力僅為13.25 MPa。額定工況下，聯(lián)軸器所受扭矩主要靠螺栓預緊力產生的聯(lián)軸器對輪之間的靜摩擦力來傳遞，螺栓受到的剪切應力相對較小。

圖7 額定工況下螺栓剪切應力分布云圖

4 典型電氣故障下強度校核

當發(fā)生兩相短路故障時，疊加額定工況扭矩后的低發(fā)聯(lián)軸器處扭矩響應見圖8。

圖8 兩相短路故障下低發(fā)聯(lián)軸器處扭矩響應

在最大扭矩下，計算得到低發(fā)聯(lián)軸器端面和螺栓的剪切應力分布云圖見圖9和圖10。由于扭矩突然增大，聯(lián)軸器端面之間的靜摩擦力不足以傳遞全部扭矩，螺栓螺桿和聯(lián)軸器端面螺栓孔之間相互擠壓，承擔了部分扭矩，導致部位B、D和G的剪切應力相比于額定工況下均明顯增大。同時，螺栓剪切應力最大部位不再是部位E或F，而是部位G，并且整個截面剪切應力均較大。

圖9 兩相短路故障最大扭矩時低發(fā)聯(lián)軸器端面剪切應力分布云圖

圖10 兩相短路故障最大扭矩時螺栓剪切應力分布云圖

因此，選取部位G作為考核對象進行分析，兩相短路故障時該危險部位的剪切應力響應見圖11，該部位的剪切應力與低發(fā)聯(lián)軸器承受的扭矩呈正相關。

圖11 兩相短路故障下低發(fā)聯(lián)軸器螺栓螺桿中間截面剪切應力響應

同時，分別在三相短路、90°誤同期合閘、120°誤同期合閘和180°誤同期合閘等典型電氣故障下，對低發(fā)聯(lián)軸器螺栓的受力情況進行分析，發(fā)現(xiàn)其最大剪切應力也均在部位G。典型電氣故障下低發(fā)聯(lián)軸器處最大扭矩及螺栓最大剪切應力見表2。根據(jù)有關技術評判標準，螺栓剪切應力在短路故障下應小于0.577σ0.2(σ0.2為屈服強度)，在誤同期合閘故障下應小于0.7σ0.2。

表2 典型電氣故障下低發(fā)聯(lián)軸器相關計算結果

由表2及相關應力分布云圖可得：

(1)5種典型電氣故障下，由于低發(fā)聯(lián)軸器所承受的扭矩遠大于額定工況下承受的扭矩，螺栓所施加的預緊力不足以產生足夠的靜摩擦力來承受相應的扭矩，需要更多地依靠聯(lián)軸器端面螺栓孔和螺栓螺桿的擠壓作用來傳遞扭矩，導致相應位置產生較大的剪切應力。

(2)5種典型電氣故障下，低發(fā)聯(lián)軸器螺栓螺桿中間截面最大剪切應力均未超過許用應力，滿足強度要求，但已遠大于額定工況下該位置的剪切應力(13.25 MPa)，需要在結構強度設計校核時予以關注。

5 結語

(1)額定工況下，低發(fā)聯(lián)軸器所承受的扭矩較小，主要靠聯(lián)軸器端面之間的靜摩擦力傳遞扭矩，螺栓的剪切應力較小，由于受到螺栓預緊力的影響，危險部位出現(xiàn)在螺栓螺紋根部和聯(lián)軸器螺栓沉孔處，聯(lián)軸器各處應力均滿足強度要求。

(2)典型電氣故障下，聯(lián)軸器端面之間的靜摩擦力不足以傳遞絕大部分扭矩，螺栓會受到軸向的拉力、剪切應力與擠壓應力的共同作用，受力情況復雜，危險部位出現(xiàn)在螺栓螺桿中間截面處，螺栓各處剪切應力均滿足考核要求。

(3)不同機組狀態(tài)下，低發(fā)聯(lián)軸器危險部位出現(xiàn)的位置不同，可根據(jù)計算分析結果視情況合理優(yōu)化聯(lián)軸器應力集中部位結構，以保障在額定工況和典型電氣故障下低發(fā)聯(lián)軸器的安全性。