85MW高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子設(shè)計

胡金秀 胡祥甫

【摘要】發(fā)電機轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機組中的關(guān)鍵部件，對于大容量、高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計更是行業(yè)內(nèi)研究的重點和難點。本文重點介紹GD-3電站轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計特點、關(guān)鍵部件應力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化成果，為同類高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考、借鑒和經(jīng)驗交流。

【關(guān)鍵詞】高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子；結(jié)構(gòu)特點；應力分析

Design of 85MW High Speed Hydro Generator Rotors

HU Jin-xiuHU Xiang-fu

（DEC DongFeng Electric Machinery Co.，LTD. Leshan Sichuan，614000，China）

【Abstract】Generator rotor is the key component among the hydro generating unit. The structural design for the rotor with large capacity and high speed is the focus and difficulty of the research in industry. In this paper, the structural design characteristics of generator rotor and the stress analysis and structural optimization result of the key components for GD-3 Project in Ethiopia are presented for the purpose of reference and experience exchange for the structural design of high speed hydro generator rotors of similar kind.

【Key words】High Speed Rotor; Structural Characteristics; Stress Analysis

1電站概述

埃塞俄比亞GD-3水電站位于埃塞俄比亞首都亞的斯南部，裝設(shè)3臺單機容量85MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組。發(fā)電機機型為SF85-14/5000，水輪機型號HLA892-LJ-245，最大水頭273m，采用密閉自循環(huán)雙路徑向無風扇端部回風冷卻系統(tǒng)。具有上、下兩個導軸承，推力軸承與上導軸承合用一個油槽，布置在上機架推力油槽內(nèi)。該電站單機容量大、轉(zhuǎn)速高，飛逸工況下發(fā)電機轉(zhuǎn)動部件的最大線速度高達168.37 m/s。發(fā)電機設(shè)計時，需確保各主要受力部件滿足發(fā)電機在各種工況下運行的安全穩(wěn)定性，同時還需考慮其工藝性和經(jīng)濟性。高轉(zhuǎn)速、大容量水輪發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是行業(yè)內(nèi)研究的重點和難點，它的性能好壞直接影響整個機組的安全穩(wěn)定運行。

GD-3電站發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù):

額定容量100MVA

額定功率85MW

額定電壓13800V

額定電流4183.7A

額定功率因數(shù) 0.85（滯后）

額定頻率 50Hz

額定轉(zhuǎn)速 428.6 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 763.4 r/min

額定勵磁電壓 240V

額定勵磁電流 970A

轉(zhuǎn)動慣量(GD2) ≥1260 t.m2

2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機組核心部件之一，它的設(shè)計、制造和安裝質(zhì)量等直接影響機組的總裝質(zhì)量乃至機組的安全運行。

圖1發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

GD-3電站根據(jù)發(fā)電機通風冷卻方式，轉(zhuǎn)子采用旋轉(zhuǎn)擋風板、無風扇結(jié)構(gòu)。它主要由磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子支架、主軸等組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1磁極

磁極是水輪發(fā)電機產(chǎn)生磁場的主要部件，由磁極鐵芯、磁極線圈及阻尼繞組等組成，通過T尾和磁極鍵固定在磁軛上。因此，它不但要具備良好的電磁性能，還必須有一般轉(zhuǎn)動部件具有的機械性能。GD-3電站磁極結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了降低加工工藝，經(jīng)反復論證，并通過大量計算和有限元分析，設(shè)計一種當前加工能力可實現(xiàn)又能滿足產(chǎn)品性能要求的結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2磁極裝配

2.2磁軛

轉(zhuǎn)子磁軛是發(fā)電機磁路的重要組成部分，也是固定磁極的結(jié)構(gòu)部件。GD-3電站磁軛采用疊片磁軛結(jié)構(gòu)，軸向長2160mm（含上下磁軛壓板），多邊形至對邊尺寸為3286mm。疊片磁軛裝配由磁軛沖片、通風槽片、拉緊螺桿、磁軛壓板、鎖定板、卡鍵、磁軛鍵等組成。磁軛沖片的疊片方式對磁軛的重量、磁軛的應力和拉緊螺桿的剪應力有直接影響。發(fā)電機極數(shù)少（14極）、轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動慣量要求高，合理選擇磁軛疊片方式顯得尤為重要。磁軛沖片設(shè)計時，設(shè)計人員將層間相錯一個極距的基本疊法和層間相錯1/2個極距的疊片方式作了詳細的計算分析。

2.3轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架是水輪發(fā)電機的主要組成部分，也是將磁軛和主軸連接成一體的關(guān)鍵部件。GD-3電站轉(zhuǎn)子支架采用圓盤式結(jié)構(gòu)，由輪轂、上圓盤、下圓盤、立筋及筋板組成，其機械性能通過強度計算和有限元應力分析得以保證。輪轂用20SiMn鍛造而成，上圓盤、下圓盤、立筋材料均采用高強度鋼板。該結(jié)構(gòu)具有重量輕，剛度大的優(yōu)點，特別適合本機組的徑向通風方式。

3主要部件有限元分析

通過CATIA三維軟件對磁極、轉(zhuǎn)子支架建立幾何模型，并用MSC.Ptran有限元軟件建立計算模型，利用 MSC.MARC有限元軟件進行有限元計算分析。

3.1磁極強度有限元分析

1）計算模型取1/14模型，施加循環(huán)對稱約束。采用4節(jié)點四邊行單元建模，由磁極結(jié)構(gòu)及受力狀況采用平面應力計算模型進行計算。

2）磁極材料為：2WDER550；彈性模量：1500000MPa；泊松比：0.3；密度：5.75525×10-10t/mm3；屈服強度：550MPa。

磁極鍵材料為：鍛45；彈性模量：206800MPa；泊松比：0.3；密度：7.85×10-9t/mm3；屈服強度：355MPa。

3）計算結(jié)果：額定工況下磁極的Von Mises應力分布圖見圖3。

圖3額定工況下磁極的Von Mises應力分布

3.2轉(zhuǎn)子支架有限元分析

1）由對稱性取結(jié)構(gòu)1/7建立計算模型，小三角筋板采用四邊形殼單元，其余部件采用八節(jié)點六面體單元。

2）輪轂材料：鍛20SiMn，彈性模量：206800MPa，泊松比：0.3，密度：7.85×10-9t/mm3，屈服強度：225MPa；拉伸強度：470MPa；延伸率：14%。支架其他部件材料：

Q390，彈性模量：206800MPa，泊松比：0.3，密度：7.85×10-9t/mm3，屈服強度：≤16mm，≥390MPa；≤16～35mm，≥370MPa；≤35～100mm，≥330MPa。拉伸強度：490～650MPa；延伸率：19%。

3）計算結(jié)果：額定工況下磁極的Von Mises應力分布圖見圖4。

圖4額定工況下磁極的Von Mises應力分布

根據(jù)有限元分析計算結(jié)果，額定工況計算應力偏大，調(diào)整了轉(zhuǎn)子支架上、下圓板及腹板材料，最終選用了性能更好的優(yōu)質(zhì)鋼板，滿足機械性能要求。

4結(jié)論

針對大容量高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時合理應用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)，并運用有限元分析手段，通過對發(fā)電機結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整，提高了機組的安全穩(wěn)定性，為同類高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考、借鑒和經(jīng)驗交流。

【參考文獻】

［1］白延年.主編.水輪發(fā)電機設(shè)計與計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

［2］陳錫芳.主編.水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)運行監(jiān)測與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

［責任編輯：許麗］