300MW等級抽水蓄能發電電動機轉子機械性能綜合研究

摘 要：文章以有限元仿真分析技術為基礎對某在建的300MW等級抽水蓄能發電電動機轉子支架機械剛強度、疲勞壽命以及軸系臨界轉等機械性能進行了綜合研究，為抽水蓄能機組轉子的機械可靠性設計提供了理論校核依據。

關鍵詞：抽水蓄能；有限元仿真；剛強度；疲勞壽命；軸系臨界轉速；動力響應

1 概述

文章以有限元仿真分析技術為基礎對某在建的300MW等級抽水蓄能發電電動機轉子支機械剛強度、疲勞壽命以及軸系臨界轉等機械性能進行了綜合研究，為抽水蓄能機組轉子的機械可靠性設計提供了理論校核依據。該機組的基本技術參數如下表1所示。

2 轉子支架剛強度計算

2.1 有限元模型建立

應用Ansys軟件，建立發電電動機轉子實體三維幾何模型，并用Solid181單元進行全六面體掃掠有限元網格劃分，建立的有限元模型如下圖1所示。

2.2 各工況剛強度計算

抽水蓄能發電電動機在運行過程中會頻繁在靜止工況、發電機額定運行工況、電動機額定運行工況間轉換，并且會出現極端的飛逸轉速工況，文章首先在充分考慮各工況實際載荷形式的基礎上，對三個典型工況（靜止、發電機額定工況和飛逸工況）轉子支架的綜合應力和軸、徑向變形進行了仿真計算，以校核該轉子支架結構是否滿足剛強度要求。剛強度計算結果如下表2所示。

2.3 轉子支架疲勞壽命計算

抽水蓄能發電電動機有頻繁的工況轉換，這會在結構內產生交變應力循環，勢必會造成結構的疲勞損傷，所以必須在各工況靜力學剛強度分析的基礎上，對結構進行的疲勞壽命進行計算。將以上各工況分成3個載荷步在Ansys平臺中進行多載荷步計算，將產生的結果文件導入專業的疲勞壽命計算軟件Ncode中，計算結果如下圖2所示，由圖中計算結果可知該結構的疲勞壽命為1.655e5次。

3 軸系臨界轉速及動力響應計算

在Ansys平臺中，使用Beam188、Combin14和Mass21三種 單元建立發電電動機及水輪機軸系模型，計算軸系第一階橫向振動固有頻率、第一階扭轉振動固有頻率和橫向動力響應。第一階橫向振動固有頻率結果如下圖3所示、第一階扭轉振動固有頻率計算結果如下圖4所示，軸系最大擺度雙幅值如下表3所示。

4 結束語

4.1 由表2可知該轉子支架各工況最大綜合應力為293MPa，該值小于轉子支架材料屈服極限500MPa的三分之二，滿足強度要求；最大軸、徑向變形為0.69mm，該值小于1mm，滿足剛度要求。

4.2 由疲勞壽命計算可知該結構可以承受工況轉換的次數為1.655e3次，如果按每天工況轉換10次計算，可以安全服役45年，該值大于40年，滿足疲勞壽命要求。

4.3 由軸系臨界轉速及動力響應計算可知，第一階橫向振動固有頻率為13.73Hz，對應的第一階橫向臨界轉速為823.8rpm，該值大于飛逸轉速621.5rpm的1.3倍，滿足要求；第一階扭轉振動固有頻率為15.57Hz，對應的第一階扭轉臨界轉速為934.2，該值大于飛逸轉速的1.3倍滿足要求；導軸承位置的振動雙幅值2A小于0.14mm，滿足要求。

參考文獻

[1]衣然，蘭波.大型水輪發電機轉子支架應力分析[D].第十九次中國水電設備學術討論會論文集.黑龍江科技出版社，2013.

[2]白延年.水輪發電機設計與計算[J].機械工業出版社，1990.

作者簡介：程浩嵐（1985-），畢業于華中科技大學，現從事大型發電機和電動機結構設計、機械性能分析和振動、噪音測試工作，助理工程師。