柳　菲，蘭　波

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

空冷185 MW 60 Hz汽輪發(fā)電機護環(huán)及中心環(huán)有限元計算

柳菲，蘭波

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)是用來保護和固定端部的轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子線圈兩端外側(cè)，則依靠與護環(huán)配合的中心環(huán)來遏止其在軸向的移動。當汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時，護環(huán)-中心環(huán)的支撐結(jié)構(gòu)避免了轉(zhuǎn)子繞組的徑向移動，同時也承受著強大離心力和熱膨脹力，所以對發(fā)電機設(shè)計來說，護環(huán)和中心環(huán)的分析十分重要。文中以哈爾濱電機廠全新開發(fā)的空冷系列機組中的185 MW 60 Hz汽輪發(fā)電機為例，針對轉(zhuǎn)子護環(huán)及中心環(huán)的應(yīng)力進行有限元分析計算，供汽輪發(fā)電機設(shè)計人員參考。

關(guān)鍵詞：空冷60 Hz汽輪發(fā)電機；護環(huán)及中心環(huán)；有限元計算

0引言

護環(huán)的作用是承受勵磁繞組端部在高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的離心力，使之不致因徑向位移而使絕緣損壞。轉(zhuǎn)子上護環(huán)的直徑最大，既是汽輪發(fā)電機中承受應(yīng)力最大的部件，也是最重要的部件。中心環(huán)不僅支撐住護環(huán)，保持護環(huán)與轉(zhuǎn)軸同心，還由于它阻止端部繞組的軸向位移，又起到了防止護環(huán)變成橢圓的作用。以哈爾濱電機廠全新開發(fā)的空冷系列機組中的185 MW 60 Hz汽輪發(fā)電機為例，針對護環(huán)和中心環(huán)進行了有限元分析計算。

1基本數(shù)據(jù)

名稱符號數(shù)值額定轉(zhuǎn)速/r·min-1nN3600超速轉(zhuǎn)速/r·min-1nr4320轉(zhuǎn)子銅線最大溫度/℃ΔT115護環(huán)材料型號1Mn18Cr18N護環(huán)屈服極限/MPaσ11070轉(zhuǎn)子材料型號25Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子屈服極限/MPaσ2660轉(zhuǎn)子強度極限/MPaσb740中心環(huán)材料型號25Cr2Ni4MoV中心環(huán)屈服極限/MPaσ3660

2材料力學性能及考核工況

2.1材料機械及力學性能

部件名稱材料名稱熱膨脹系數(shù)密度/kg·m-3護環(huán)1Mn18Cr18N1.6×10-57.85×103本體及中心環(huán)25Cr2Ni4MoV1.1×10-57.85×103

2.2考核工況

計算工況轉(zhuǎn)速/r·min-1計算溫度/℃端部線圈離心力作用對護環(huán)產(chǎn)生的壓力/MPa靜止000額定360011533.0超速432011547.5

2.3接觸面剛度系數(shù)：FKN=0.1

2.4接觸面摩擦因數(shù)：μ=0.1

3有限元模型描述及緊量確定

3.1有限元模型描述

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性特點，建立1/2護環(huán)模型。轉(zhuǎn)子及中心環(huán)與護環(huán)間過盈配合通過建立接觸單元實現(xiàn)，護環(huán)接觸面采用CONTACT174單元，轉(zhuǎn)子齒頭及中心環(huán)目標面采用TARGET169單元。轉(zhuǎn)子及中心環(huán)與護環(huán)有限元模型示意圖(見圖1)。

圖1　有限元模型示意圖

3.2配合緊量數(shù)據(jù)和計算結(jié)果

護環(huán)與齒部接觸位置節(jié)點平均徑向位移:1.74 mm

齒部接觸位置節(jié)點平均徑向位移: 0.139 mm

護環(huán)與齒部雙邊配合緊量(直徑方向):

(1.74-0.139+0.25)×2=4.34 mm

護環(huán)與中心環(huán)接觸位置節(jié)點平均徑向位移:

2.16 mm

中心環(huán)接觸位置節(jié)點平均徑向位移：0.713 mm

護環(huán)與中心環(huán)雙邊配合緊量(直徑方向):

(2.16-0.713+0.05)×2=2.994 mm

(注：緊量計算中0.25 mm，0.05 mm代表過盈量安全裕度。)

3.3分離轉(zhuǎn)速工況下轉(zhuǎn)速結(jié)果

冷態(tài)分離:大于4 520 r/min

熱態(tài)分離:大于4 420 r/min

為加深學生對演示實驗的印象，使學生深刻理解、靈活應(yīng)用物理知識，更好的提升學生的實驗?zāi)芰Α嶒炈仞B(yǎng)，當做完演示實驗后，教師應(yīng)引導學生進行實驗創(chuàng)新.一方面，要求學生充分理解實驗原理，對實驗步驟進行創(chuàng)新，盡量在不影響實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上簡化實驗步驟，提高實驗效果.另一方面，引導學生從實驗器材入手進行實驗器材的創(chuàng)新，降低實驗難度的同時，更加容易得出實驗結(jié)論.

4分析說明

護環(huán)緊量施加于模型，護環(huán)與本體齒部直徑方向的配合緊量根據(jù)計算，確定為4.34 mm。護環(huán)與中心環(huán)直徑方向的配合緊量根據(jù)計算，確定為3.868 mm。額定運行和超速工況均考慮運行狀態(tài)護環(huán)的最大溫度為115°C。

靜止狀態(tài)護環(huán)應(yīng)力是由過盈配合引起的；在3 600 r/min時，應(yīng)力是由剩余公盈，護環(huán)自身離心力及線圈離心力產(chǎn)生的；在4 320 r/min時，應(yīng)力主要由護環(huán)和線圈離心力產(chǎn)生。

護環(huán)與本體配合按照4.34 mm配合，會在本體齒根處產(chǎn)生非常大的壓應(yīng)力，而且會產(chǎn)生很大范圍的塑性變形(見圖2)，因此配合緊量按照漸變方式設(shè)計，計算緊量說明(見圖3)。

圖2　塑性變形圖

圖3　計算緊量圖

5 設(shè)計配合緊量下有限元應(yīng)力計算

1)靜止工況有限元分析計算結(jié)果(見圖4、圖5、圖6及圖7。)

圖4　靜止工況護環(huán)綜合應(yīng)力分布

圖5　靜止工況本體綜合應(yīng)力分布

圖6　靜止工況環(huán)向應(yīng)力分布

圖7　靜止工況中心環(huán)綜合應(yīng)力分布

2)額定工況有限元分析計算結(jié)果(見圖8、圖9、圖10及圖11)。

圖8　額定工況整體綜合應(yīng)力分布

圖9　額定工況護環(huán)綜合應(yīng)力分布

圖10　額定工況本體齒部壓應(yīng)力分布

圖11　額定工況中心環(huán)綜合應(yīng)力分布

3)超速工況有限元分析計算結(jié)果(見圖12、圖13、圖14及圖15)。

圖12　超速工況整體綜合應(yīng)力分布

圖13　超速工況本體齒部綜合應(yīng)力分布

圖14　超速工況護環(huán)綜合應(yīng)力分布

圖15　超速工況中心環(huán)綜合應(yīng)力分布

6有限元計算結(jié)果

表1　護環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算結(jié)果

2)中心環(huán)在設(shè)計配合緊量下的應(yīng)力計算結(jié)果匯總見表2。

表2　中心環(huán)的應(yīng)力計算結(jié)果

7齒部疲勞分析

根據(jù)齒部分析結(jié)果，靜止工況，齒根壓應(yīng)力最大節(jié)點號為51 236，壓應(yīng)力數(shù)值為779 MPa。此節(jié)點在額定工況下壓應(yīng)力數(shù)值為74 MPa。按照起停機循環(huán)10 000次的要求，計算齒根的疲勞壽命。由于壓應(yīng)力超過材料屈服極限，因此齒根壽命屬于低周疲勞。在每一個應(yīng)力循環(huán)中均有一定量的塑性變形。按照由靜止工況到額定工況作為一個循環(huán)，計算起停機疲勞壽命。

計算表達式:

式中：護環(huán)的彈性模量：E=1.9×105MPa

疲勞極限幅值(單軸，拉壓)：σF=0.23×(σs+σb)=246.1 MPa

斷面收縮率：φ=52%

材料塑性指數(shù)：α=0.556

最終計算結(jié)果，起停機循環(huán)次數(shù)為：33 370次。

8結(jié)語

1)冷態(tài)分離轉(zhuǎn)速大于4 520 r/min，熱態(tài)(115℃)分離轉(zhuǎn)速大于4 420 r/min。

2)護環(huán)應(yīng)力均滿足要求，中心環(huán)應(yīng)力均滿足要求。

3)齒根應(yīng)力在靜止工況下，局部超過材料屈服極限，結(jié)構(gòu)為有限壽命，且為低周疲勞。按照疲勞考核齒根壽命，從靜止工況到額定工況作為一個循環(huán)，齒根壽命為33 370次，按照合同要求能夠滿足10 000次起停機要求。

作者簡介:

柳菲，男，1984年生，本科，工程師，2005年畢業(yè)于哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，電器工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)在哈爾濱電機廠有限責任公司產(chǎn)品設(shè)計部從事汽輪發(fā)電機設(shè)計工作。