大型汽輪發電機復合材料大錐環的設計與研究

高 丹，王益軒，梁瑜洋，陳榮榮

（西安工程大學機電工程學院，西安 710048）

0 引言

大型汽輪發電機端部繞組的固定決定著發電機能否長期安全可靠地運行。定子端部繞組采用復合材料大錐環進行固定可以對整個定子端部起到有效的減振作用，纏繞玻璃鋼大錐環是理想的抑制電磁振動力及突然短路下作用力的結構件[1]。目前，國內外600MW、900MW等大型發電機制造技術中，定子繞組端部的固定結構基本上都是采用纏繞玻璃鋼大錐環結構固定的。美國西屋公司通過試驗表明在三相短路產生最大端部形變下，大錐環支撐系統有效地均勻各元件的載荷，使線圈的變形和應變限制在極限范圍內[2]。

大型汽輪發電機定子端部模態固有頻率對發電機組的安全運行有很大的影響。汽輪發電機在運行過程中，將會受到100Hz以橢圓形式分布的電磁干擾力的作用。如果汽輪發電機定子端部繞組結構的固有頻率與這種電磁力頻率接近或相等時就會產生共振或較大的振動力，長時間會損壞線圈絕緣，導致端部短路燒壞發電機。因此，定子線圈或端部整體模態固有頻率避開電磁干擾力頻率是設計和制造必須遵守的準則[3]。

本文利用ANSYS/Workbench建立了復合材料大錐環的簡化模型；在復合材料ACP模塊中，運用復合材料經典層合板理論，采用環氧樹脂為基體，玻璃纖維為增強體，對復合材料大錐環進行了鋪層設計；將大錐環的半錐角作為設計變量，研究了不同角度下大錐環的結構變化，并對其進行了動態特性分析，計算出相應的固有頻率和振型，避開發電機50Hz的工頻和100Hz的電磁干擾力，為大錐環的設計提供了參考和依據。

1 復合材料大錐環的鋪層設計

1.1 建立模型

在ANSYS/Workbench中建立復合材料大錐環的簡化模型。對于1000MW的大型汽輪發電機，復合材料大錐環小端直徑1471mm。采用小端固定，大端自由的方式，將半錐角作為變化參數，由于錐環的小端固定，大端可能產生的變形最大，因此將錐環分為大端、中段和小端三部分進行鋪層設計。通過對大錐殼的結構分析，選取小端部分軸向長度為260mm，大端部分軸向長度為280mm。建立模型，如圖1所示。

1.2 材料選取

E—玻璃纖維也稱無堿玻璃纖維，是最先用于電子絕緣帶的纖維品種，也是最普通的聚合物基復合材料的增強玻璃纖維[4]。E—玻璃纖維彈性模量高，強度高，耐熱性能優良，現在國內外大部分都是采用這種纖維作為玻璃鋼的原材料。因此，復合材料大錐環采用E－玻璃纖維及其相配合的環氧樹脂基作為原材料，可以達到設計的要求。E－玻璃纖維和環氧樹脂制成的預浸漬帶的材料參數[5]如表1所示。

圖1 大錐環簡化模型圖

表1 玻璃/環氧樹脂復合材料的力學性能

1.3 鋪層方案確定

根據上述鋪層設計標準并結合復合材料大錐環的結構，確定鋪層設計方案如下：

（1）大端采用纖維方向順序為[90°/45°/0°/-45°]層合板；

（2）中段采用纖維方向順序為[45°/0°/-45°]層合板；

（3）小端采用纖維方向順序為[－45°/0°/45°/90°]層合板。

復合材料大錐環的鋪層順序和鋪層方向如圖2所示，鋪層數據如表2所示。

表2 大錐環的鋪層數據

圖2 大錐環的鋪層順序和方向

2 復合材料大錐環的鋪層分析

運用ANSYS/Workbench中的ACP模塊對復合材料大錐環鋪層后，使其具有一定厚度。鋪層完成后，大錐環各部分的厚度如圖3所示。ACP同時提供了復合材料層合板的分析結果：層合板的鋪層示意圖和材料特性示意圖分別如圖4～6所示。圖中玻璃纖維代表玻璃/環氧樹脂復合材料，a表示角度，t表示厚度。

圖3 鋪層厚度顯示

圖4 復合材料層合板鋪層示意圖

圖5 [90°/45°/0°/-45°]層合板材料特性示意圖

將半錐角作為設計變量，分別取0°、10°、15°、20°、22.5°、25°、30°、35°、37°、40°、45°建立了 11個模型，分別計算出其相應的固有頻率，結果如表3所示。

從表3可以看到錐殼半錐角對系統動態特性的影響，隨著半錐角度數的增加，固有頻率在不斷減小。錐殼半角為 0°、15°、20°、22.5°、35°、37°、40°時固有頻率避開了50Hz的工頻和100Hz的電磁倍頻，設計時應優先選擇。半錐角角度越大，定子繞組端部軸向長度減少，占據空間小，固定越方便。但是當發電機容量增大，電流增大，其漏磁通相對鐵心端部結構件的距離較小，在端部固定的結構件內漏磁附加損耗變大，引起端部結構件過熱，影響發電機正常運行，所以大型汽輪發電機端部線圈一般都采用小于30°錐度的籃式結構[7]。因此端部大錐環的半錐角角度不宜過大。同時，當半錐角角度過大時，端部支撐結構也不宜加工成型。半錐角角度過小時，對轉子周圍的電磁場影響較大，從而影響到整個端部結構，容易產生共振現象。

圖6 [45°/0°/-45°]層合板材料特性示意圖

表3 固有頻率隨著半錐角度的變化結果

結合大錐環的結構設計要求和定子繞組端部結構，決定采用半錐角為22.5°作為大錐環角度設計的最優選擇。此時結構的橢圓頻率為115.58Hz，有效地避開了50Hz的工頻和100Hz的電磁倍頻，避免了發電機端部的共振。通過調整鋪層的材料、角度、層數和成型工藝，還可以進一步優化大錐環的動態特性。計算得到半錐角為22.5°復合材料大錐環的前20階固有頻率如表4所示，其中幾種較典型的振型圖如圖7（a）～（h）所示。

表4 半錐角22.5°復合材料大錐環的前20階固有頻率

圖7 大錐環振型圖

4 結語

利用ANSYS/Workbench及其復合材料ACP模塊建立了大型汽輪發電機定子端部復合材料大錐環的簡化模型，并對其進行了復合材料鋪層設計。通過對不同角度的大錐環的動力學特性分析結果，結合發電機定子端部結構和設計要求，最終得出最優設計角度為22.5，結果合理，基本符合設計要求，為1000MW大型汽輪發電子定子端部復合材料大錐環的設計提供了參考依據。

[1]李端,王益軒,郭艷利,陳旭.大型汽輪發電機定子端部復合材料大錐環的設計與制造[J].上海大中型電機,2013(1):19.

[2]周芩芩.600MW～660MW 汽輪發電機用環氧浸漬纏繞玻璃鋼大錐環的研制[J].上海大中型電機,2004(4):43.

[3]袁昌健,衣然,蘭波.大型汽輪發電機定子端部結構分析[J].大電機技術,2005(8):91.

[4]益小蘇,杜善義,張立同.復合材料手冊[M].化學工業出版社,2009:34.

[5]王星,王凡,蔡思遠.板錐網殼結構復合材料層合板的屈曲分析[J].玻璃鋼/復合材料,2009(4):7.

[6]王益軒,朱繼梅.大型汽輪發電機定子端部繞組的動態優化設計[J].機械科學與技術,2008,27(2):207.

[7]胡建波，徐福娣.定子端部線圈的設計計算方法與三維建模研究[J].大中型電機,2006(4):14.