方靜輝，朱何會

（浙江富春江水電設(shè)備股份有限公司，浙江 杭州310013）

大型燈泡機組不同轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)剛強度特性分析對比

方靜輝，朱何會

（浙江富春江水電設(shè)備股份有限公司，浙江 杭州310013）

通過利用商業(yè)有限元軟件ANSYS對針對同一個燈泡貫流機組設(shè)計的斜筋整體磁軛圈式轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)和雙圓盤整體磁軛圈式轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)進行多工況的有限元剛強度分析，然后從兩者分析結(jié)果的對比中，總結(jié)了兩種結(jié)構(gòu)的特點，便于以后在大型燈泡貫流機組設(shè)計時，根據(jù)機組特點進行選擇。

燈泡貫流機組；轉(zhuǎn)子支架；有限元；剛強度特性

1 前言

近年來，憑借投資少、開發(fā)周期短等優(yōu)點，一大批低水頭水力開發(fā)項目和近海地區(qū)的潮汐發(fā)電項目被提上了開發(fā)日程。燈泡貫流機組是低水頭、大流量河川水電站和潮汐電站的主要水電機組類型，也是近年來水電市場上具備很大市場份額的機組類型，正在朝著大容量、多運行工況的方向發(fā)展。目前，國內(nèi)已經(jīng)有多個單機容量大于40M W的燈泡貫流機組投入了運行，如洪江、尼那、長洲、橋鞏等，國內(nèi)燈泡貫流機組的制造已經(jīng)達到了國際先進水平[1]。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子是燈泡貫流機組的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)子支架是連接磁軛和轉(zhuǎn)軸成一體的中間件，也是機組中最易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)事故的部件之一。由于轉(zhuǎn)子自重方向與機組轉(zhuǎn)動軸心線垂直，運行工況下，轉(zhuǎn)子支架的受力呈交變狀態(tài)，如果轉(zhuǎn)子支架的結(jié)構(gòu)剛度較小，應(yīng)力幅值變化大，則很容易出現(xiàn)疲勞破壞；而轉(zhuǎn)子支架的結(jié)構(gòu)剛度較大時，往往存在應(yīng)力水平高的特點，容易引起靜態(tài)破壞。這種現(xiàn)象隨著機組容量的增大而明顯，所以，在大型燈泡貫流機組的設(shè)計中，轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)的選擇對保證機組安全運行很關(guān)鍵。

當前，大型燈泡貫流機組轉(zhuǎn)子支架的常用結(jié)構(gòu)有與疊片磁軛配合的圓盤式轉(zhuǎn)子支架，與磁軛圈合為一體的雙圓盤型轉(zhuǎn)子支架，與疊片磁軛配合的斜筋轉(zhuǎn)子支架，與磁軛圈合為一體的斜筋轉(zhuǎn)子支架等結(jié)構(gòu)型式。設(shè)計選型時，需要結(jié)合機組各運行工況下的轉(zhuǎn)子支架應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)、制造廠到工地之間的運輸條件、工地現(xiàn)場的安裝條件等要素進行綜合考慮。在此基礎(chǔ)上，還要結(jié)合各機組的實際情況進行優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)于轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)的選擇，研究較多，文獻[2]利用ANSYS軟件，對三種轉(zhuǎn)子支架方案進行了對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在斜筋轉(zhuǎn)子支架外周上下兩側(cè)加上環(huán)板之后，在飛逸運行工況下，轉(zhuǎn)子支架的剛度改善；在斜筋轉(zhuǎn)子支架上增加了平行于端面的圓盤之后，運行時的應(yīng)力和變形都大幅減小。但文中僅對關(guān)注的應(yīng)力、應(yīng)變特性做了對比，未提出各結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點對比。

此外，轉(zhuǎn)子支架的安全運行還與加工工藝有關(guān)，特別是焊接工藝，焊接缺陷是造成燈泡貫流機組轉(zhuǎn)子支架開裂的一個重要因素，文獻[3]介紹了某燈泡貫流機組轉(zhuǎn)子輪轂和輻板出現(xiàn)疲勞裂紋之后，在機坑內(nèi)進行補焊的工藝過程，文章指出，轉(zhuǎn)子支架的焊接必須要做到應(yīng)力消除等工藝，焊接過程須嚴格規(guī)范。

本文利用ANSYS軟件，對針對某燈泡貫流機組選用的斜筋整體磁軛圈式轉(zhuǎn)子支架（簡稱：斜筋結(jié)構(gòu)）和雙圓盤整體磁軛圈式轉(zhuǎn)子支架（簡稱：雙圓盤結(jié)構(gòu)）兩種不同結(jié)構(gòu)的剛強度特性作做了分析，并進行對比，由此總結(jié)了這兩個結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

2 機組基本參數(shù)

額定容量：42M W 額定轉(zhuǎn)速：75r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：235r/min 額定磁拉力：232.5k N/極

磁極數(shù)量：80磁極重量：815k g/極

定子鐵心內(nèi)徑：7.8m 轉(zhuǎn)子重量：180t

3 有限元模型、載荷和邊界條件

3.1 有限元模型

針對同一機組設(shè)計的斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架和雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的有限元模型圖如圖1、圖2所示。其中，斜筋轉(zhuǎn)子支架設(shè)有32條斜筋，斜筋與磁軛圈通過焊接方式連接，在有限元分析時，將磁軛圈與轉(zhuǎn)子支架一起建模分析，以保證分析的精確性。

雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架由上下圓盤、磁軛圈、制動環(huán)板固定板、16個立筋、32個小立筋焊接成整體結(jié)構(gòu)。圓盤上加工有軸向通風孔，磁軛圈上加工了徑向通風孔，磁極通過緊固螺栓固定在磁軛圈上，有限元分析時對其進行整周建模。

圖1 斜筋結(jié)構(gòu)有限元分析模型

圖2 雙圓盤結(jié)構(gòu)有限元分析模型（剖視）

如圖3、圖4所示，兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子支架分析模型均采用Solid 186單元進行六面體網(wǎng)格劃分。

圖3 斜筋結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

圖4 雙圓盤結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

3.2 轉(zhuǎn)子支架的主要載荷

燈泡機組轉(zhuǎn)子支架的主要載荷有：

轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑間存在的溫度差；

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的制動環(huán)板離心力，作用于磁軛圈上；

在正常運行工況下，作用在轉(zhuǎn)子上的磁拉力；

在正常運行工況下，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁扭矩；

轉(zhuǎn)子的重力；

轉(zhuǎn)子支架模型在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的自身離心力；

磁極的等效離心力。

分析工況：

額定運行工況；

飛逸運行工況。

表1 各計算工況所對應(yīng)的載荷條件

3.3 邊界條件

轉(zhuǎn)子支架與主軸法蘭配合面設(shè)置成位移約束。

4 計算結(jié)果

從表2的結(jié)果可知，在各運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的徑向位移大于雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架，斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的應(yīng)力遠小于雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架。

表2 各運行工況下剛強度特性對比表

比較圖5和圖6可知，在預定運行工況下，斜筋機構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的徑向位移要大于雙盤結(jié)構(gòu)，磁軛圈外徑側(cè)的徑向位移為1.22mm，軸向變形較為均勻，總體呈整體均勻徑向膨脹趨勢；雙圓盤結(jié)構(gòu)的最大徑向位移為0.89mm，發(fā)生在磁軛圈外徑側(cè)，磁軛圈外徑側(cè)的徑向變形不太均勻，磁軛與圓盤或立筋焊接處的徑向變形較小。

圖5 額定運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)徑向位移

圖6 額定運行工況下，雙圓盤結(jié)構(gòu)徑向位移

比較圖7和圖8可知，額定運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的應(yīng)力遠小于雙圓盤結(jié)構(gòu)；從圖7中發(fā)現(xiàn)，斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的最大應(yīng)力為47M P a，出現(xiàn)在斜筋與轉(zhuǎn)子支架輪轂焊接處；從圖8可知，雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的最大應(yīng)力為174M P a，出現(xiàn)在制動環(huán)板固定板與小立筋的焊接處。

圖7 額定運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力

圖8 額定運行工況下，雙圓盤結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力

比較圖9和圖10可知，在飛逸運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的徑向位移大于雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架，最大徑向位移達3.1mm，位于磁軛外徑側(cè)；雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的最大徑向位移為2.32mm，發(fā)生在下游側(cè)磁軛圈外徑側(cè)，磁軛圈與圓盤或立筋的焊接處的徑向位移較小。

圖9 飛逸運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)徑向位移

如圖11所示，飛逸運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的最大應(yīng)力為237M P a，出現(xiàn)在斜筋與轉(zhuǎn)子支架輪轂焊接處；雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的最大應(yīng)力為459M P a，出現(xiàn)在制動環(huán)板固定板與小立筋的焊接處。

圖10 飛逸運行工況下，雙圓盤結(jié)構(gòu)徑向位移

圖11 飛逸運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力

圖12 飛逸運行工況下，雙圓盤結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力

5 總結(jié)

通過以上針對同一個大型燈泡貫流機組轉(zhuǎn)子支架采用的斜筋整體磁軛圈式結(jié)構(gòu)和雙圓盤整體磁軛圈式結(jié)構(gòu)剛強度特性的有限元分析及結(jié)果對比，我們可以得出這兩種結(jié)構(gòu)的以下特點：

（1）斜筋整體磁軛圈式轉(zhuǎn)子支架的徑向剛度比雙圓盤整體磁軛圈式轉(zhuǎn)子支架小，在相同運行工況下，斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的徑向膨脹量要遠大于雙圓盤整體磁軛圈式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，所以，在設(shè)計機組額定氣隙時，需要考慮這一點；

（2）斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架由于剛度小，運行工況下的變形大，造成局部區(qū)域應(yīng)力變化幅值大，容易造成該區(qū)域出現(xiàn)疲勞破壞，所以，在選用斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架時，需要仔細校核疲勞強度；

（3）斜筋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的整體應(yīng)力要遠小于雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架，在飛逸運行工況下，最大應(yīng)力值也遠小于常用材料的屈服極限，不宜造成結(jié)構(gòu)的靜強度破壞；

（4）雙圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架的徑向剛度較好，但是，支架的應(yīng)力較大，特別是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置存在明顯的應(yīng)力偏高現(xiàn)象，因此，在機組轉(zhuǎn)速高的案例中，需要避免出現(xiàn)垂直焊角等易引起應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)特征。

綜上所述，在完整掌握斜筋轉(zhuǎn)子支架和雙圓盤轉(zhuǎn)子支架的特點之后，在大型燈泡貫流機組轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)的選擇過程中，因地制宜，以上兩種結(jié)構(gòu)均能很好的實現(xiàn)機組的安全運行。

[1]田樹棠，杜傳忠.大型燈泡貫流式機組的發(fā)展與進步[A]水電站機電技術(shù)研討會[C]2010：7-12.

[2]張學玲，唐 毅，滿 佳.基于有限元分析的發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].工藝與裝備，2009，（12）：103－106.

[3]喬宏來.燈泡式水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子輪轂焊縫返修工藝[J].大電機技術(shù)，2005,（6）:15-17.

TK 733.8

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1672-5387（2013）01-0023-04

2012-08-15

方靜輝（1982-），男，工程師，從事水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作.