大型水輪發(fā)電機定子鐵心翹曲問題淺析

馬永良

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大型水輪發(fā)電機定子鐵心翹曲問題淺析

馬永良

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

本文主要針對大型水輪發(fā)電機定子鐵心的翹曲問題進行分析與研究，著重研究和分析鐵心翹曲問題產(chǎn)生的具體原因、預防措施和解決方案，同時為大型水輪發(fā)電機的結構設計積累經(jīng)驗。

水輪發(fā)電機；鐵心翹曲；結構設計

0 前言

大型水輪發(fā)電機運行時，由于鐵心中的交變磁場作用使鐵心沖片產(chǎn)生鐵耗，進而使鐵心溫度升高，定子鐵心會發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，當鐵心熱膨脹到一定程度時，外側受到定子機座的約束限制，就會因為擠壓作用而產(chǎn)生翹曲變形，從而使鐵心波浪度變大，產(chǎn)生松動變形。一旦出現(xiàn)這種情況，會給機組帶來很大的危害，嚴重時會產(chǎn)生鐵心斷齒、燒毀以及線棒破壓等事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，正確地分析鐵心翹曲產(chǎn)生的原因，在結構設計時采取有效措施避免鐵心翹曲現(xiàn)象的發(fā)生，是工程技術人員需要面對并解決的實際問題。

1 鐵心翹曲變形原因分析

在大型水輪發(fā)電機定子結構設計時，必須考慮定子鐵心翹曲變形的問題。一般用翹曲安全系數(shù)來衡量定子鐵心發(fā)生翹曲變形的可能性。所謂翹曲安全系數(shù)是指臨界壓應力與實際切向力的比值，根據(jù)工程實際經(jīng)驗，此數(shù)值低于4時，定子鐵心很可能會發(fā)生翹曲現(xiàn)象。

以某水輪發(fā)電機實際參數(shù)為例，計算其翹曲安全系數(shù)過程如表1。

溫度引起的鐵心切向壓應力：

磁拉力引起的定子鐵心切向壓應力：

表1 水輪發(fā)電機基本數(shù)據(jù)列表

總的鐵心切向壓應力：

疊壓彈性基礎剛度：

引起屈曲的臨界力：

引起鐵心屈曲的臨界壓應力：

引起屈曲的安全系數(shù)：

從上述理論計算可知，安全系數(shù)的數(shù)值大小主要與鐵心和機座的溫差、各自的彈性模量以及機座和鐵心的結構參數(shù)等因素有關。機座的剛度設計選值過高、片間壓力選擇過低、溫升計算值與實際情況不一致、造成機座與鐵心熱膨脹量不匹配、鐵心彈性模量過小等原因都將使翹曲安全系數(shù)降低，可能引起定子鐵心翹曲現(xiàn)象。

1.1 結構設計原因

從機組結構設計角度分析，如果鐵心片間壓力值選取較低，會導致鐵心壓緊后徑向方向彈性模量太小，從而使鐵心整體抗熱變形能力低，運行時受同樣的機座限制力情況下，鐵心沖片易發(fā)生受力失穩(wěn)，出現(xiàn)翹曲。另外，機座剛度過大，且未在鴿尾筋與托塊間預留熱膨脹間隙時，當機組運行溫度升高后機座膨脹的尺寸較小，使機座限制鐵心徑向膨脹的力過大，也容易導致鐵心發(fā)生翹曲。同時在選擇鐵心定位筋數(shù)量時，如果定位筋數(shù)量較少，會使疊片精度不易控制，鐵心抗軸向變形能力低，產(chǎn)生較大的波浪狀變形，這也是產(chǎn)生鐵心翹曲現(xiàn)象的潛在原因之一。

1.2 安裝質量原因

除了結構設計的因素以外，鐵心的安裝質量也會影響到機組運行后的安全穩(wěn)定性。當鐵心安裝質量差，出現(xiàn)卡片或未達到設計要求時，會使裝壓后鐵心的實際片間壓力太低，使得鐵心裝壓后徑向方向的彈性模量太小，不能保證計算的鐵心翹曲安全系數(shù)，從而也會導致鐵心的翹曲變形。此外，如果采用機座在廠內(nèi)焊接定位筋，分瓣運輸?shù)焦さ睾蠼M圓疊片，會因為機座運輸過程中變形的原因，導致定位筋弦距不好，疊片時有定位筋卡片現(xiàn)象，使鐵心裝壓后波浪度大，鐵心難以壓緊，造成運行一段時間后發(fā)生鐵心松動，片間壓力達不到設計值，留下鐵心翹曲的隱患。

2 預防措施

要避免大型水輪發(fā)電機運行過程中發(fā)生鐵心翹曲現(xiàn)象就必須充分考慮機組運行時定子鐵心與機座的熱膨脹變形問題。一方面要精確計算二者的熱膨脹量，另一方面是優(yōu)化結構，減小熱膨脹帶來的影響。

為了精確計算定子鐵心在運行過程中的受力與變形情況，結構設計時會采用有限元三維模型進行分析，圖1是利用Ansys有限元軟件建立的大型水輪發(fā)電機定子三維模型。通過設置合理的邊界條件，可以準確模擬機組運行時定子鐵心等結構部件的應力與變形情況，為結構設計提供可靠的理論依據(jù)。

圖1 定子有限元模型

從結構優(yōu)化方面考慮，需要為機組選擇合適的機座形式和剛度，例如巨型機組通常選擇斜立筋形式的機座，可以適當降低機座的剛度，有利于避免鐵心翹曲的發(fā)生；另外，可以采用浮動式的定位筋結構（如圖2所示），即在定位筋與托塊之間沿徑向方向留有一定間隙，以減小鐵心熱膨脹時的影響，對防止發(fā)生鐵心翹曲現(xiàn)象作用明顯。

如果結構空間允許，采用穿心拉桿結構形式的鐵心，對于控制疊片質量，保證鐵心沖片之間的壓緊力，提高鐵心彈性模量和整體性有所幫助。定位筋數(shù)量過少不易保證鐵心在熱膨脹過程中圓周方向上的變形均勻度，易產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象。

圖2 浮動式雙鴿尾類型定位筋結構

對于安裝與維護方面，需要確保鐵心的疊壓安裝質量符合相關規(guī)范和圖紙要求，同時在機組投入運行后要定期對鐵心進行檢查，防止其產(chǎn)生松動變形問題，有隱患及早發(fā)現(xiàn)，避免產(chǎn)生嚴重的危害與損失。

3 結語

大型水輪發(fā)電機產(chǎn)生鐵心翹曲現(xiàn)象的原因比較復雜，有時不只是單一方面的原因。全面、準確地了解和掌握其產(chǎn)生的原因對定子鐵心結構設計至關重要，有利于工程技術人員采取有效措施加以預防，減小鐵心翹曲帶來的危害。本文僅從工程實踐中總結了若干鐵心翹曲現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和預防措施，鐵心翹曲問題的研究是水輪發(fā)電機設計領域的一項重要課題，有待進一步深入研究。

Analysis of Buckling Deformation for Large Hydro-generator Stator Core

MA Yongliang

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The article analyze and researches the problem of hydro-generator stator core buckling distortion, emphatically analyzing the reason, prevention measures and solution of it, at the same time, accumulating the experience for later structure design.

hydro-generator; stator core buckling distortion; structure design

TM312

A

1000-3983(2014)04-0025-02

2014-03-15

馬永良（1981-），2004年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學電氣工程系，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機設計工作，工程師。

審稿人：劉平安