中小型水輪發電機轉子整體磁軛疊片結構的應用

【摘要】水輪發電機轉子磁軛采用疊片結構取代整體鑄件結構，經過詳細的分析計算，該新結構能滿足發電機運行時的機械強度要求，解決了磁軛鑄件外協難、質量難保證等問題，并具有一定的經濟效益

【關鍵詞】整體磁軛疊片結構機械強度

轉子磁軛是發電機磁路的組成部分，也是固定磁極的重要結構部件。中小型水輪發電機轉子磁軛采用整體鑄件結構已經普遍應用，但長期存在著磁軛鑄件外協難、質量難保證的問題，特別是對于磁軛本體長度超過1m的整體焊接件，外協生產廠家不多，難以采購，而且往往單價高，采購周期長。磁軛采用鋼板疊片結構后，不但能滿足水輪發電機在各種運行工況下的機械強度要求，解決了上述難題，而且在企業自身設備能力下也能加工，縮短了生產制造周期，降低了成本。

1.整體疊片磁軛的介紹

整體疊片磁軛結構，是在原鑄件結構上進行的改進：磁軛由一系列中等厚度的鋼板拼合而成，一般鋼板厚度在16～60mm范圍內,鋼板應按GB/T2970-91中厚鋼板超聲波檢驗方法 達到Ⅱ級要求，板與板之間采用長螺桿拉緊固定形成整體結構。然后取過盈配合與主軸尺寸配車,加工內孔尺寸，通過過盈配合熱套于主軸上。這一結構，已經在SF5000-10-2600水輪發電機中成功應用。如圖１疊片式磁軛：

2.整體疊片磁軛的機械強度分析

以SF5000-10-2600水輪發電機轉子磁軛為例，磁軛本體長800mm，磁軛外圈直徑為φ1425mm,重約9.5t,采用疊片磁軛，用16mm與40mm,60mm規格共計34塊鋼板疊緊。利用計算機有限元程序對轉子磁軛熱套進行分析計算，磁軛各部分熱套應力均滿足機械強度要求。

2.1 基本數據

磁軛內徑D0=310mm；外徑D0=1425mm；額定轉速Nn=600 r/min；飛逸轉速Np=978.6r／min；D2孔數：N=10；D2=100mm；縱軸超瞬變電抗：Xd=0.2213；容量：P=6250 KVA 。磁極總重量(不帶”T”尾) 6970kg；

圖１疊片式磁軛

2.2有限元分析計算

根據該轉子支架的產品特性，我們總共計算三個工況：1、裝配、熱套工況； 2、額定轉速工況； 3飛逸轉速工況。由于該部件的結構、載荷都關于中心軸線旋轉對稱，所以我們取整個轉子支架的二十分之一進行有限元分析、優化。（見下圖）

2.2.1邊界條件

考慮轉子支架與轉軸之間的熱過盈量和磁軛和磁極裝配間的熱打緊過盈。

為了計算準確，采用8節點的6面體單元劃分網格。

2.2.2分析工況：

1).整個裝配體結構由于過盈產生的變形和應力-裝配工況

2).整個裝配體在額定轉速(600rpm)工作情況下的變形和應力,考慮過盈和自重--額定轉速工況

3).整個裝配體在飛逸轉速(978.6 rpm)工作情況下的變形和應力,考慮過盈和自重--飛逸工況

2.2.3分析、計算的內容與結果

磁軛在裝配工況的應力分布圖(最大值為255MPa)磁軛在額定轉速工況的應力分布圖(最大值為252MPa)

磁軛在飛逸工況的應力分布圖(最大值為244MPa) 主軸在裝配工況的應力分布圖(最大值為144MPa)

主軸在額定轉速工況的應力分布圖(最大值為141MPa)主軸在飛逸工況的應力分布圖(最大值為137.7MPa)

2.2.4結論：

磁軛最大應力為255MPa, 材料許用應力σ=345MPa。主軸最大應力為144MPa, 材料許用應力σ=255MPa。綜上，此轉子磁軛機械強度合格。

3．經濟效益

磁軛采用整體疊片結構后，整體磁軛結構得到了優化，可節約一定的材料成本。SF5000-10/2600轉子磁軛為例，以當時鑄件最低單價為1.07萬元／t計算，2臺機直接節約成本：(9.5tX2臺)×(1.07-0.7)萬元／t=7.03萬元,另外若采用整體鑄件結構，鑄件木模費將增加，附近外協廠家不能生產，當時只能到外省市大型鑄鍛廠生產，運輸費用也將增加，至少需增加費用約共計3萬元(當時生產管理處提供數據)。綜上所述，2臺機節約本7.03萬元+3萬元=10.03萬元。若改為鍛件，則價格更高。

4．結語

該磁軛疊片結構確保了產品質量，縮短了生產制造周期，為今后生產同類型機組提供了參考價值。

5.作者簡介

張建鋒（1980-) 男 本科主要從事水輪發電機組設計工作。