考慮結構非線性的隱藏式阻尼繞組數值分析與結構改進

柳海鵬，何　濤

（1.新疆烏魯瓦提建管局，新疆 和田 848000；2.重慶水輪機廠有限責任公司，重慶 400054）

考慮結構非線性的隱藏式阻尼繞組數值分析與結構改進

柳海鵬1，何濤2

（1.新疆烏魯瓦提建管局，新疆 和田 848000；2.重慶水輪機廠有限責任公司，重慶 400054）

摘要：針對隱藏式水輪發電機轉子阻尼繞組的結構特點，從結構非線性角度，綜合考慮阻尼繞組的幾何、材料和接觸的非線性特性，采用有限單元法，在ANSYS分析軟件中對其結構聯合體的剛強度進行數值分析，獲得了各零件的峰值應力及其分布規律，最后對其結構進行了優化改進，為該結構的應用和推廣提供理論指導。

關鍵詞：阻尼繞組；結構非線性；有限單元法；數值分析；結構改進

0　引言

為了提高電力系統運行的穩定性，國標GB7894《水輪發電機基本技術條件》第10.3.1條內容，要求“轉子應設置完整的阻尼繞組”。阻尼繞組結構能夠抑制發電機轉子的自由振蕩，消弱電網過電壓，增強水輪發電機承擔不對稱負荷的能力，是水輪發電機轉子的基本結構之一。

傳統水輪發電機轉子阻尼繞組結構（如圖1.a所示），阻尼環安裝在磁極壓板外邊沿上，而隱藏式阻尼環繞組結構（如圖1.b所示），是將阻尼環鑲嵌在磁極壓板的凹槽中，兩者在磁極之間的聯接方式基本一致，后者因其縮短了磁極鐵芯長度，節省了機組的軸向尺寸，從而倍受某些高轉速、大中型容量機組所青睞。近年來，隨著水電機組容量和轉速的不斷攀升，隱藏式阻尼繞組結構雖能節約成本，但因受裝配空間限制，阻尼環截面寬高比接近于1，受力狀況較差，在一定程度上制約著該結構的應用和推廣。

圖1　阻尼繞組在磁極上的聯接結構示意

鑒于隱藏式水輪發電機轉子阻尼繞組在實際應用中存在的問題，本文綜合考慮幾何、材料和接觸3種結構非線性特性，對此多零件裝配結構剛強度的影響，借用有限元分析軟件平臺對其進行數值分析，獲得其應力位移分布狀況，結合材料強度理論和工程實際經驗，對其結構進行了優化改進，為結構設計提供理論指導。

1　理論基礎

由經典力學理論我們知道物體的動力學通用方程是：

在線性靜力結構分析中，所有與時間有關的選項都被忽略，即可得下面的方程式：

式（2）中：[]為剛度系數矩陣，分析時必須是連續的，即相應的材料需滿足線彈性和小變形理論；{}為靜力載荷矩陣，分析時不考慮隨時變化的載荷、不考慮慣性（如質量、阻尼等）的影響。

事實上，所有結構問題都有一定程度的非線性。只要載荷、材料性質、接觸條件或結構的剛度是位移的函數，該問題就屬于非線性問題，結構為非線性結構。引起結構非線性的原因很多，一般主要有幾何非線性、材料非線性和接觸非線性。

1.1幾何非線性

當結構在承受大變形時，其變化的幾何形狀可能會引起結構的非線性地響應。如圖2.a所示，隨著端部載荷的增加，細長懸臂桿不斷變形彎曲，力臂明顯地減小，從而導致桿端在較高載荷下其剛度不斷增加，其結果載荷與桿的變形值之間的關系如圖2.b所示，這是大撓度引起的幾何非線性，除此之外，還有大應變和應力剛化引起的幾何非線性。

圖2　幾何非線性

1.2材料非線性

對于大多工程材料來說,當應力低于材料的屈服強度時,應力與應變的關系是線性的，即表現為彈性行為，此時，外載荷取消時，應變也隨之完全消失；當應力高于材料屈服強度時，應力與應變的關系表現為非線性，稱為材料的塑性行為。考慮材料的彈塑性行為，ANSYS分析軟件在其工程數據庫中提供了一些非線性材料模型，以滿足用戶進行結構非線性分析的需要。

本研究的對象結構聯合體主要包含結構鋼和銅合金兩類，考慮其非線性對剛強度影響，采用雙線性各向同性強化（BIS0）材料模型，所對應的應力應變曲線如圖3和圖4所示。

1.3接觸非線性

接觸非線性也稱為狀態非線性。通常情況下，一個部件是由若干個零件構成的，零件與零件之間通過各種方式進行聯接，接觸是零件聯接的基本特性。兩個獨立表面相互接觸并相切，稱之為接觸。一般物理意義上，接觸的表面包含如下特征：①不會滲透；②可傳遞法向壓縮力和切向摩擦力；③通常不傳遞法向拉伸力，即可自由分離和互相移動。

在ANSYS分析軟件中，對于非線性實體表面之間的接觸，可以使用罰函數（Pure Penalty）和增強拉格朗日（Augmented Lagrange）兩種算法，另外，還有法向拉格朗日（Normal Lagrange）和多點約束（MPC）算法，前者在接觸部位采用積分點探測方式；后者則采用節點探測方式。

圖3　結構鋼材料應力應變曲線

圖4　銅合金材料應力應變曲線

2　數值分析

圖5給出了某隱藏式水輪發電機阻尼繞組在極間的聯接結構示意圖，該機組型號為SF52-12/4250，額定轉速為500 r/min,飛逸轉速為840 r/min。

圖5　阻尼繞組在極間結構的聯接示意

2.1模型創建

在三維建模軟件中，建立此隱藏式阻尼繞組包含阻尼環、阻尼條、連接片、螺桿和磁極壓板等零件實體模型，零件所用材料的力學性能參數見表1所示。

表1　材料力學性能參數

考慮阻尼繞組結構在轉子周向的對稱性，取聯合體的（360°/12）局部作為分析模型（如圖6.a所示），改進后的分析模型如圖6.b所示。對幾何模型采用高階四面體單元進行網格劃分，并對零件的接觸部位進行局部加密細化處理，共產生節點數為218 657，單元數為120 748（如圖6.c所示），改進后的模型節點數為233 930，單元數為134 256（如圖6.d所示）。

圖6　阻尼繞組聯合體結構分析模型

2.2邊界條件

考慮阻尼繞組聯合體各零件之間的幾何裝配關系，除極間阻尼環與連接片之間的聯接視為剛性聯接外，其余各聯接均按實際接觸設置相應的接觸對，接觸對之間摩擦系數取0.15，接觸采用罰函數（Pure Penalty）算法。聯合體整體以轉速形式施加離心力，對稱面施加無摩擦（Frictionless Support）約束，螺桿和磁極壓板端部施加固定約束。在解算設置里，考慮結構的幾何非線性，打開大變形選項開關。

2.3分析結果

在ANSYS軟件中，對隱藏式阻尼繞組聯合體的有限元模型在飛逸（840 r/min）工況下進行靜強度分析，其結果匯總見表2和圖7～10所示。

表2　阻尼繞組聯合體分析結果匯總

根據表1材料的力學性能和表2的分析結果數據可知：

（1）阻尼環在其靠近極間的阻尼環端部強度不足。結合圖1.b、圖5、圖6阻尼繞組聯合結構和圖7的分析結果可以明顯看出，最大等效應力400.2MPa出現在阻尼環與螺桿接觸處，且在靠近極間端部和阻尼孔邊沿最大等效應力值均在180MPa左右，對于阻尼環而言，安全系數極小，不能滿足強度要求。

（2）螺桿整體剛度較差，頭部與光桿過渡處應力高。從圖9可以看出，此阻尼繞組的聯合體最大位移發生在螺桿頭部一側邊沿，并且螺桿整體有明顯的彎曲變形，未能對極間阻尼環端部起到約束作用。

圖7　改進前最大等效應力值及其分布云圖

圖8　改進后最大等效應力值及其分布云圖

圖9　改進前最大位移值及其分布云圖

圖10　改進后最大位移值及其分布云圖

3　結構改進

考慮該隱藏式轉子阻尼繞組的實際結構特點，對其零件局部進行優化改進，具體措施如下：

（1）增大螺桿光桿部位有效截面直徑，直徑由原20mm改為24mm；

（2）調整螺桿頭部結構，控制安裝誤差，使其與阻尼環和連接片充分接觸，同時將其材料更換為35CrMo；

（3）將原連接片的結構改為U形結構，并將其材料更換硬銅板（T2Y）；

（4）在現場裝配條件允許時，在磁極壓板的極靴部位靠近連接片一側的阻尼環上增設1～2顆銷釘（如圖6.b所示）。

改進后的阻尼繞組分析結果見表2，最大等效應力和最大位移分布云圖分布如圖8和圖10所示，結合表2材料的力學性能可知，改進后的結構最大等效應力值為32.5MPa出現在阻尼孔的邊沿，為局部擠壓應力，螺桿聯接處的位移由改前0.771mm降低至0.146mm，并且最大位移值附近的位移分布比改進前更均勻，剛度和強度均能滿足要求。

4　結束語

本文針對隱藏式水輪發電機轉子阻尼繞組的結構特點，綜合考慮幾何、材料和接觸3種結構非線性特性，運用數值分析手段對其剛強度進行了分析計算，獲得了應力和位移分布云圖，從定性和定量的角度提供數據支撐，最后，結合材料力學和工程經驗，對其整體結構在幾何尺寸、聯接方式和材料選擇等方面做出了局部改進和優化調整，促使此隱藏式阻尼繞組結構在大容量高轉速機組中更安全更可靠地運行。

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中圖分類號：TM312

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0007-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.003

收稿日期：2015-04-13

作者簡介：柳海鵬（1976-），男，高級工程師，從事水電站建設與運行管理工作。