高壓電力滑環(huán)匯流結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計

俞力峰,李甘霖

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

單點系泊系統(tǒng)高壓電力滑環(huán)應(yīng)用于海上浮動式發(fā)電站、海上油氣和海上風(fēng)電等領(lǐng)域,用于解決浮動式發(fā)電或用電終端伴隨海浪隨機轉(zhuǎn)動引發(fā)的電力傳輸問題。由于浮動式發(fā)電站和用電終端的輸電功率及輸電距離都遠高于普通電滑環(huán),因此對電滑環(huán)的電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了全新的要求。根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求,高壓電力滑環(huán)的運行電壓和傳輸功率為35 kV/25 MW,同時滿足運輸和海洋環(huán)境使用的各種要求[1-3]。

電力滑環(huán)應(yīng)確保內(nèi)部絕緣和輸電結(jié)構(gòu)可承受運輸及使用過程中的各種振動。電力滑環(huán)內(nèi)部的絕緣支承材料為改性環(huán)氧樹脂,其結(jié)構(gòu)強度和抗振性能可通過增加設(shè)計冗余和零件整體鑄造工藝得到保證?；h(huán)的環(huán)路電流引出結(jié)構(gòu)由L型銅排和高壓套管組成。其中L型銅排底部連接固定在環(huán)路上,高壓套管則安裝固定在滑環(huán)機殼上。高壓套管為一由改性環(huán)氧樹脂包封的導(dǎo)電結(jié)構(gòu),在滑環(huán)內(nèi)部電力傳輸上的作用較為關(guān)鍵,其結(jié)構(gòu)強度和抗振性能將直接影響電力滑環(huán)的耐高壓可靠性。本文通過對高壓套管和L型銅排進行強度、剛度分析和振動模態(tài)分析來研究該部件的結(jié)構(gòu)強度和抗振性能并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1 強度剛度分析

電力滑環(huán)匯流結(jié)構(gòu)由匯流排和高壓套管組成,其強度和剛度分析需要計算其在受到最大變形情況下的應(yīng)力。強度分析通過Von Mises準則校核,變形產(chǎn)生應(yīng)力不應(yīng)對高壓套管絕緣結(jié)構(gòu)造成影響,即:

σvM=

(1)

式中:σvM為Mises應(yīng)力;σ1、σ2、σ3為第一、第二、第三主應(yīng)力;σc為臨界應(yīng)力值。

電流引出結(jié)構(gòu)底部與環(huán)路聯(lián)接固定,頂部固定在機殼部分,由于頂部機殼部分為可上下浮動式結(jié)構(gòu),最大浮動空間達到±2 mm,當(dāng)其處于極限位置時,結(jié)構(gòu)將承受最大的內(nèi)部應(yīng)力?？紤]極限狀態(tài),滑環(huán)可能受到輕微的側(cè)向沖擊,在計算時添加5gn的側(cè)向加速度[4]。

按照匯流結(jié)構(gòu)實際的安裝工況將匯流排底部完全固定,頂部高壓套管部分則在水平方向限位,垂直方向保持上下移動自由度。在高壓套管安裝面施加一定載荷,使其位移量達到2 mm,同時在水平方向施加沖擊加速度,模擬極限工況。銅排的材料密度為8.9 g/cm3,彈性模量為120 GPa;環(huán)氧材料的密度為2.4 g/cm3,彈性模量為29 GPa。采用ABAQUS計算,采用四面體劃分網(wǎng)格,Miss應(yīng)力及位移計算結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3計算結(jié)果可知,匯流結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力為308 MPa,位于匯流排底部折彎處,接近材料抗拉強度極限。高壓套管部分最大應(yīng)力約100 MPa,位于安裝面根部,小于改性環(huán)氧材料的抗彎曲強度130 MPa,可以滿足結(jié)構(gòu)強度要求,但也存在一定改進空間。

2 振動模態(tài)分析

電力滑環(huán)在運輸過程中需要承受較大的振動沖擊,在運行過程中也伴隨著系泊浮船和海浪、潮汐等因素的沖擊,其內(nèi)部結(jié)構(gòu),尤其是絕緣結(jié)構(gòu)需要具備一定的抗振性能,結(jié)構(gòu)的固有振型應(yīng)避開可能的頻譜范圍,防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

動力學(xué)有限元法的控制平衡方程為[5]:

(2)

由于模態(tài)是系統(tǒng)的固有特性,與外部加載條件無關(guān),因此系統(tǒng)的固有頻率和振型可以通過求解系統(tǒng)的自由振動方程得到。系統(tǒng)自由振動時無外部激振力作用,即R(t)=0?？紤]到阻尼對結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響不大,從而略去阻尼項得到無阻尼自由振動方程為:

(3)

令U(t)=Φsin[ω(t-t0)],變換為特征值方程:

KΦ=ω2MΦ=λMΦ

(4)

式中:ω、Ф分別為系統(tǒng)的固有頻率和振型。

參考圖1匯流結(jié)構(gòu)安裝示意圖,L型匯流排底部固接,由于高壓套管安裝在滑環(huán)頂部可浮動的轉(zhuǎn)盤上,對高壓套管在其安裝面上設(shè)置水平方向位移約束,僅保留豎直方向的位移自由度,采用實體單元進行網(wǎng)格劃分[6]。計算匯流結(jié)構(gòu)前4階固有頻率如表1所示,對應(yīng)模態(tài)振型如圖4所示。

表1 匯流結(jié)構(gòu)固有頻率

圖1 電力滑環(huán)及匯流結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 Mises應(yīng)力云圖

圖3 位移云圖

圖4 匯流結(jié)構(gòu)1～4階固有振型

由表1及圖4可知,匯流結(jié)構(gòu)低階振型伴隨有匯流排部分的大變形,由于匯流排為一扁平長條結(jié)構(gòu),剛度較弱,為匯流結(jié)構(gòu)的最薄弱部位,低階振型主要集中在匯流排變形所引起的共振形式,其一階固有頻率為84.18 Hz,根據(jù)相關(guān)試驗標準存在一定的風(fēng)險,需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證計算

由式(4)可知,在相同振型條件下,要提高結(jié)構(gòu)的固有頻率ω,可以降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣M和增加結(jié)構(gòu)的剛度矩陣K。當(dāng)前結(jié)構(gòu)由于需要承載一定電流,改變材料或結(jié)構(gòu)減重均較為困難,由此考慮改進結(jié)構(gòu),提高剛度。這里將L型銅排底部折彎處改為圓滑過渡,在銅排上加裝帶沖壓凸臺的3 mm厚度不銹鋼薄鋼板,并適當(dāng)減小高壓套管錐度以加強結(jié)構(gòu)剛度,如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的匯流結(jié)構(gòu)

對優(yōu)化后的匯流結(jié)構(gòu)按相同工況進行振動模態(tài)分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的匯流結(jié)構(gòu)1～4階固有振型

如表2所示,經(jīng)過優(yōu)化,匯流結(jié)構(gòu)的一階固有頻率提升至113.99 Hz,與原結(jié)構(gòu)相比提高了35%,且有效避開了可能出現(xiàn)的振動頻率范圍,提升了結(jié)構(gòu)抗振性能。由于對結(jié)構(gòu)做了加強,結(jié)構(gòu)強度也得到了一定程度的提高。

表2 匯流結(jié)構(gòu)固有頻率(優(yōu)化后)

4 結(jié)束語

本文通過對電力滑環(huán)匯流結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析和有限元仿真發(fā)現(xiàn):原有結(jié)構(gòu)低階振動模態(tài)頻率較小,在運輸和使用過程中存在發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的風(fēng)險。在保證結(jié)構(gòu)電流載流性能的前提下,通過對高壓套管增加結(jié)構(gòu)幾何尺寸,并在匯流排上加裝帶凸臺的沖壓不銹鋼板的方法,在不影響原有載流性能的前提下將原有的84.18 Hz的一階模態(tài)頻率提升至113.99 Hz,有效規(guī)避了可能振動頻率區(qū)間,降低了發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的風(fēng)險;同時通過加強一定程度上也提高了其結(jié)構(gòu)強度,使滑環(huán)的高壓運行更加安全。