牟玉壯,沈潤(rùn)杰,王青華,4,黃建德,孫育哲

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院 上海 201804;3.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江天臺(tái)317200; 4.上海明華電力技術(shù)工程有限公司,上海 200090)

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抽水蓄能發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)連接片強(qiáng)度及壽命評(píng)估

牟玉壯1,沈潤(rùn)杰2,王青華2,4,黃建德3,孫育哲3

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院 上海 201804;3.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江天臺(tái)317200; 4.上海明華電力技術(shù)工程有限公司,上海 200090)

抽水蓄能發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子中阻尼環(huán)連接片作為阻尼繞組的重要部件,在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中受到離心力、電磁力等作用,極易發(fā)生疲勞開(kāi)裂并刮傷定子繞組絕緣等嚴(yán)重事故.目前應(yīng)用最廣的轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)連接片有兩種,分別為普通型阻尼環(huán)連接片和Ω型阻尼環(huán)連接片.通過(guò)有限元軟件分析兩種轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)連接片在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變,并計(jì)算了兩種阻尼環(huán)連接片的安全系數(shù).根據(jù)疲勞壽命評(píng)估方法,得到了兩種轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)連接片的疲勞壽命,為阻尼環(huán)連接片的選型和制定連接片的維護(hù)及更換周期提供參考.

抽水蓄能發(fā)電機(jī)組; 轉(zhuǎn)子; 阻尼環(huán)連接片; 壽命評(píng)估

Mou Yu-zhuang1,Shen Run-jie2,Wang Qing-hua2,4,Huang Jian-de3,Sun Yu-zhe3

(1.School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.School of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 3.East China Tongbai Pumped Storage Power Co.,Ltd.,Tiantai,317200,China;4.Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China)

抽水蓄能發(fā)電機(jī)組的設(shè)置是調(diào)節(jié)電力供需的重要手段,保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定[1].阻尼繞組作為抽水蓄能發(fā)電機(jī)組的重要部件[2],其作用是抑制磁場(chǎng)突變和轉(zhuǎn)子振蕩,并且為抽水蓄能電機(jī)電動(dòng)異步起動(dòng)提供起動(dòng)力矩.阻尼環(huán)連接片作為阻尼繞組的一部分,在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,由于受到離心力等作用產(chǎn)生位移,容易碰觸到高壓定子線圈,造成連接片開(kāi)裂并刮傷定子繞組絕緣等嚴(yán)重事故.

目前研究主要集中在對(duì)轉(zhuǎn)子和阻尼繞組的損耗上,但對(duì)阻尼環(huán)連接片的強(qiáng)度和壽命研究較少.文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值模擬的方法研究了轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的分布規(guī)律,文獻(xiàn)[4]對(duì)3種阻尼繞組排布方式的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了綜合分析比對(duì),分析了這3種阻尼節(jié)距的排布對(duì)轉(zhuǎn)子部件溫度場(chǎng)的影響.文獻(xiàn)[5]對(duì)額定對(duì)稱工況下轉(zhuǎn)子的損耗和溫度分布規(guī)律進(jìn)行了綜合計(jì)算分析.文獻(xiàn)[6]分析了轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件的應(yīng)力應(yīng)變,但沒(méi)有分析阻尼環(huán)連接片的應(yīng)力應(yīng)變.本文將通過(guò)有限元軟件計(jì)算抽水蓄能發(fā)電機(jī)組在不同運(yùn)行工況下兩種阻尼環(huán)連接片的應(yīng)力與應(yīng)變情況,分析連接片所受的最大應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域,并計(jì)算阻尼環(huán)連接片的安全系數(shù).通過(guò)疲勞壽命評(píng)估方法,得到兩種阻尼環(huán)連接片的疲勞壽命,為阻尼環(huán)連接片的選型和制定維護(hù)及更換周期提供參考.

1 旋轉(zhuǎn)彈性體動(dòng)力學(xué)方程和疲勞壽命評(píng)估方法建立

1.1 旋轉(zhuǎn)彈性體動(dòng)力學(xué)方程

轉(zhuǎn)子繞主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),建立圖1所示的兩種坐標(biāo)系,O-XYZ是固定的絕對(duì)坐標(biāo)系,O-xyz是隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系.根據(jù)變形體動(dòng)力學(xué)方法,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述符合旋轉(zhuǎn)彈性體振動(dòng)方程:

(1)

圖1 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

1.2 疲勞壽命評(píng)估方法建立

本文依據(jù)廠家提供的抽水蓄能發(fā)電機(jī)組阻尼環(huán)連接片材料的疲勞壽命曲線,采用Palmgren-Miner線性累積損傷法計(jì)算兩種阻尼環(huán)連接片的疲勞壽命.

根據(jù)Palmgren-Miner假說(shuō),應(yīng)力Si經(jīng)過(guò)循環(huán)次數(shù)ni下的損傷率Di為

(2)

式中:Ni為應(yīng)力Si下出現(xiàn)失效的總循環(huán)數(shù).

所以,承受多應(yīng)力下的累計(jì)失效D為

(3)

式中:nky為每年應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；L為運(yùn)行壽命年數(shù).

可知,當(dāng)D1時(shí),零件發(fā)生失效,即得:

(4)

即零件工作L年后有可能發(fā)生失效.

2 轉(zhuǎn)子和阻尼連接片有限元模的型建立及分析

2.1 轉(zhuǎn)子和阻尼連接片有限元模型的建立

抽水蓄能發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子由磁軛、磁極、磁極壓板、繞組和阻尼繞組等組成.由于轉(zhuǎn)子模型循環(huán)對(duì)稱,為了降低計(jì)算強(qiáng)度,只取半個(gè)磁極作分析,在有限元軟件中建立轉(zhuǎn)子三維模型如圖2所示.兩種阻尼環(huán)連接片分別連接在同一轉(zhuǎn)子上,并且選擇一半作分析,Ω型阻尼環(huán)連接片和普通型阻尼環(huán)連接片的三維模型分別如圖3和圖4所示.

圖2 轉(zhuǎn)子三維模型

2.2 不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變分析

在飛逸工況、甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速工況和額定轉(zhuǎn)速工況(加電磁力)下得到的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如表1所示,由于篇幅有限,僅列出轉(zhuǎn)子和Ω型阻尼環(huán)連接片的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D.

從仿真結(jié)果看,轉(zhuǎn)子各個(gè)部分所受的應(yīng)力均滿足各自材料的強(qiáng)度要求,3種工況下轉(zhuǎn)子的最大位移都發(fā)生在阻尼繞組一線上,并且轉(zhuǎn)速越大轉(zhuǎn)子所發(fā)生的應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱?即飛逸工況下的轉(zhuǎn)子各個(gè)部件的應(yīng)力應(yīng)變最大.兩種阻尼環(huán)連接片的最大位移均發(fā)生在靠近磁極壓板處,其位移也是系統(tǒng)的最大位移處.將兩種阻尼環(huán)連接片在3種工況下的應(yīng)力應(yīng)變匯總,如表2所示,在相同的工況下,Ω型阻尼環(huán)連接片的應(yīng)力要遠(yuǎn)小于普通型阻尼環(huán)連接片.在安全系數(shù)為1.5的標(biāo)準(zhǔn)下,Ω型阻尼環(huán)連接片的強(qiáng)度要求均滿足,但是普通型阻尼環(huán)連接片的安全系數(shù)在飛逸轉(zhuǎn)速和甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速下均小于1.5,不滿足強(qiáng)度要求.

圖3 Ω型阻尼環(huán)連接片三維模型

圖4 普通型阻尼環(huán)連接片三維模型

圖名飛逸轉(zhuǎn)速(720r·min-1)甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速:680r·min-1)額定轉(zhuǎn)速(500r·min-1)+電磁力轉(zhuǎn)子應(yīng)變?cè)茍D轉(zhuǎn)子應(yīng)力云圖連接片應(yīng)變?cè)茍D連接片應(yīng)力云圖

表2 Ω型和普通型阻尼環(huán)連接片剛強(qiáng)度匯總

2.3 阻尼環(huán)連接片疲勞壽命分析

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),抽水蓄能發(fā)電機(jī)組飛逸工況每10年發(fā)生一次;甩負(fù)荷工況每2年發(fā)生一次;在額定工況下平均每天啟停4次.每個(gè)工況下最大應(yīng)力作為應(yīng)力循環(huán)值Si,考慮樣本存活率為95%,根據(jù)Palmgren-Miner假說(shuō)可得兩種阻尼環(huán)連接片的壽命,如表3所示.

表3 阻尼環(huán)連接片壽命評(píng)估

由表3可知,Ω型阻尼環(huán)連接片的疲勞壽命大大超過(guò)普通型阻尼環(huán)連接片的疲勞壽命,與普通型阻尼環(huán)連接片相比,Ω型阻尼環(huán)連接片的使用將減少維護(hù)和更換的成本,降低轉(zhuǎn)子因阻尼環(huán)連接片發(fā)生故障的概率.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)抽水蓄能發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的整體分析,得到兩種阻尼環(huán)連接片的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D,并計(jì)算了兩種阻尼環(huán)連接片的疲勞壽命.得出以下結(jié)論:

(1) 轉(zhuǎn)子在各個(gè)工況下的應(yīng)變最大一般發(fā)生在阻尼繞組一線,所以在日常維護(hù)或故障檢測(cè)時(shí),應(yīng)著重檢查阻尼繞組一線,防止出現(xiàn)疲勞裂痕或斷裂.

(2) 阻尼環(huán)連接片的最大應(yīng)變是整個(gè)轉(zhuǎn)子變形最大處,阻尼環(huán)連接片的最大應(yīng)力發(fā)生在飛逸轉(zhuǎn)速工況下靠近磁極壓板處,對(duì)阻尼環(huán)連接片的探傷應(yīng)主要集中在這個(gè)區(qū)域.

(3) 根據(jù)本文建立的壽命評(píng)估方法,Ω型阻尼環(huán)連接片明顯優(yōu)于普通型阻尼環(huán)連接片.故阻尼環(huán)連接片選型時(shí),推薦使用Ω型阻尼環(huán)連接片.

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Strength andlife assessment of pumped storage generatorrotor damping ring joint

Due that the rotor damping ring connection strap of pumped storage generator set,a critical component of damping winding,is impacted by centrifugal and electromagnetic forces,such accidents as fatigue cracking and stator winding insulation scratching frequently occur.Currently,two types of rotor damping ring connection straps are widely applied,i.e.the general and Ω types.By analyzing the stress variations during acceleration and deceleration processes via finite element software,such working conditions as runaway,unloading and rated rotary speeds in term of 720,680 and 500 rpm respectively are first investigated.Then,the maximum stress and strain areas of rotor damping ring connection straps,together with safety coefficients,are obtained.Based on the fatigue life assessment,the connection strap selection,along with tailor-made strap maintenance and regular replacement,is provided.

pumped storage generator set; rotor; damping ring connection strap; life-cycle assessment

牟玉壯(1992-),男,碩士.E-mail:muyz92@163.com

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