翁祥玲,蔡恒川,王正平,周 平
(山東齊魯電機(jī)制造有限公司,山東濟(jì)南 250100)
空冷40 MW汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析
翁祥玲,蔡恒川,王正平,周 平
(山東齊魯電機(jī)制造有限公司,山東濟(jì)南 250100)
對(duì)40 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、強(qiáng)度分析和整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果做了描述。介紹了此臺(tái)空冷發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析工作。通過工廠整機(jī)型式試驗(yàn),可以看出樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致,成功地完成了40 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制。該發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和主要參數(shù)為其它容量發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。
汽輪發(fā)電機(jī);空冷;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);強(qiáng)度分析
蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)和熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目要求以汽定電、以熱定電。從近幾年電力工業(yè)迅速發(fā)展對(duì)發(fā)電機(jī)需求增加的信息看,QF-40-2 10 500 V發(fā)電機(jī)在國內(nèi)外有著廣泛的用戶需求。
型號(hào):QF-40-2 額定功率:40 MW
功率因數(shù):0.8 額定電壓:10.5 kV
額定電流:2 749 A 額定轉(zhuǎn)速:3 000 r/min
效率:98.1% 轉(zhuǎn)子質(zhì)量:16.1 t
定子質(zhì)量:45.3 t 軸承質(zhì)量:1.7 t
最大運(yùn)輸質(zhì)量:48.3 t 轉(zhuǎn)子靜止撓度:0.586 mm
突然短路力矩倍數(shù):10 冷卻空氣量:20 m3/s
發(fā)電機(jī)軸承耗油量:110 L/ min
臨界轉(zhuǎn)速(1階/2階):1 370/4 020 r/min
發(fā)電機(jī)為臥式、隱極式結(jié)構(gòu)[1],由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、電刷裝置和冷卻系統(tǒng)等主要部件組成。發(fā)電機(jī)的外形圖見圖1。
圖1 40 MW發(fā)電機(jī)外形圖
2.1 定子
定子由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組組成。發(fā)電機(jī)機(jī)座為鋼板焊接。定子鐵心采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片沖制疊壓而成。定子線圈設(shè)計(jì)為雙層疊繞組,采用多股玻璃絲包扁銅線,桐馬粉云母帶連續(xù)包扎模壓成型,表面選用不同阻值的防暈帶進(jìn)行防暈處理。
機(jī)座采用三段機(jī)座:中間段為固定、支撐定子鐵心和繞組裝置部分之用,兩端端罩段為保護(hù)繞組端部部分之用。同時(shí)它還構(gòu)成了發(fā)電機(jī)通風(fēng)循環(huán)回路[2]。機(jī)座與定子鐵心之間為彈性連接。
2.2 轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)子的主要部件由轉(zhuǎn)子大軸、轉(zhuǎn)子繞組和絕緣、阻尼繞組、護(hù)環(huán)、風(fēng)扇等部分組成。
轉(zhuǎn)子大軸由優(yōu)質(zhì)合金鋼整體鍛件加工而成。轉(zhuǎn)子軸的勵(lì)端有一個(gè)軸向中心孔,延伸至轉(zhuǎn)子繞組端部的下方。中心孔的內(nèi)部裝有兩個(gè)相互絕緣的半圓銅棒,為轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流。
轉(zhuǎn)子繞組為同心式分布繞組,由若干個(gè)線圈組成。線圈由含銀0.1%的銀銅合金導(dǎo)體冷拉成的矩形空心導(dǎo)線制成,比一般銅線具有更好的抗蠕變性能和更高的屈服極限,從而有效地防止了運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子繞組有害變形的發(fā)生。轉(zhuǎn)子線圈的空心導(dǎo)線上開有進(jìn)出風(fēng)口,由空氣直接冷卻導(dǎo)線,提高了冷卻效果。各出風(fēng)口在槽中呈V形分布,使得線圈各處風(fēng)量均勻,冷卻效果好,有效地避免了過熱點(diǎn)形成。轉(zhuǎn)子所用的所有絕緣材料均為F級(jí),槽襯和匝間絕緣采用Nomex紙。矩形空心導(dǎo)線見圖2。
圖2 矩形空心導(dǎo)線
阻尼繞組是由轉(zhuǎn)子槽楔構(gòu)成的。槽楔由高導(dǎo)電率的銅鎳合金制造。每根槽楔與轉(zhuǎn)子等長(zhǎng),兩端護(hù)環(huán)內(nèi)設(shè)有阻尼環(huán),形成一個(gè)完整的阻尼籠。
轉(zhuǎn)子兩端裝有軸流式風(fēng)扇。護(hù)環(huán)材料為50 Mn 18Cr5反磁鋼材料,提高了抗應(yīng)力腐蝕能力。護(hù)環(huán)以懸掛的方式熱套在轉(zhuǎn)子本體上,避免了轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中所產(chǎn)生的交變應(yīng)力導(dǎo)致的配合面的損傷。
2.3 軸承
發(fā)電機(jī)軸承為壓力油循環(huán)的座式滑動(dòng)軸承。軸承上裝有可自動(dòng)調(diào)心的球面軸瓦。軸瓦材料為巴氏合金。為減少開機(jī)時(shí)的軸承摩擦,便于起動(dòng),軸承裝有高壓頂油裝置。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子汽端通過接地電刷直接接地,勵(lì)端采用絕緣軸承,有效地阻斷了軸電流,減少了電氣腐蝕。
2.4 冷卻系統(tǒng)
發(fā)電機(jī)采用密閉循環(huán)空氣冷卻方式。定子采用空外冷冷卻方式,轉(zhuǎn)子采用空內(nèi)冷冷卻方式。
發(fā)電機(jī)有兩條對(duì)稱于發(fā)電機(jī)中心的空冷回路。冷卻空氣由電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇打入。一部分冷卻空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子線圈端部區(qū)域,冷卻轉(zhuǎn)子繞組端部,然后進(jìn)入氣隙。一部分冷卻空氣直接進(jìn)入氣隙, 在此處與來自轉(zhuǎn)子端部線圈的冷卻空氣匯合,然后冷卻轉(zhuǎn)子本體表面。另一部分冷卻空氣對(duì)定子線圈端部冷卻后,沿軸向風(fēng)道進(jìn)入機(jī)座中部,冷卻鐵心和繞組后,進(jìn)入氣隙,再冷卻轉(zhuǎn)子本體中部。然后與前兩部分冷卻空氣匯合,經(jīng)過定子鐵心中的徑向通風(fēng)道冷卻定子繞組和鐵心后回到空氣冷卻器。經(jīng)冷卻后,再回到風(fēng)扇,形成密閉循環(huán)。
在40 MW發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中,機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算是主要的工作。通過計(jì)算,合理選取各主要零部件的形狀、尺寸和材料,使電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得既安全又經(jīng)濟(jì)。
采用ANSYS11.0軟件[3]有限元法分析在超速3 600 r/min的狀況下轉(zhuǎn)子齒部的應(yīng)力分布特點(diǎn)。
3.1 模型建立
通過CAD軟件創(chuàng)建了物理模型,通過ANSYS導(dǎo)入接口將物理模型轉(zhuǎn)入ANSYS程序中。物理模型見圖3。
圖3 物理模型
3.2 網(wǎng)格劃分
轉(zhuǎn)子的齒頭、齒根是計(jì)算分析的重要部分。這些部分采用精細(xì)的網(wǎng)格剖分。所有的單元均采用四面體四節(jié)點(diǎn),接觸自動(dòng)生成,按實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。此模型共有32 209個(gè)節(jié)點(diǎn),3 868個(gè)單元。網(wǎng)格劃分見圖4、圖5。
圖4 整體的網(wǎng)格劃分
圖5 轉(zhuǎn)子本體的網(wǎng)格劃分
3.3 計(jì)算結(jié)果
在超速狀況下,旋轉(zhuǎn)角速度ω=376.8 弧度/秒,轉(zhuǎn)子各部分受力最大。轉(zhuǎn)子本體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6。
圖6 轉(zhuǎn)子齒部的最大應(yīng)力
根據(jù)圖6,轉(zhuǎn)子齒部的各主要部位的計(jì)算結(jié)果如下。
齒根處的最大應(yīng)力:
σ1=274.9 MPa
齒頭處的最大應(yīng)力:
σ2=139.2 MPa
根據(jù)上述應(yīng)力分析計(jì)算,合理選取轉(zhuǎn)子鍛件材料,滿足設(shè)計(jì)要求。
在整試驗(yàn)中,該電機(jī)的主要電氣性能參數(shù)都滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2。
表1 整機(jī)電氣性能參數(shù)對(duì)照表
表2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、超速試驗(yàn)參數(shù)表
以上就40 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、強(qiáng)度分析和整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果做了描述。為設(shè)計(jì)這臺(tái)空冷發(fā)電機(jī),對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析的研究做了大量的工作。通過工廠整機(jī)型式試驗(yàn),可以看出樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致,成功地完成了40 MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制。該發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和主要參數(shù)為其它容量發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。
[1] 湯蘊(yùn)璆,史乃. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.4.
[2] 汪耕.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,2000.11.
[3] 張洪信,管殿柱.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS11.0應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.10.
翁祥玲,女,1980年生,本科,工程師,2004年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué),主要從事電機(jī)設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)分析等理論研究。