水輪發(fā)電機結構設計與分析

王　宇

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

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水輪發(fā)電機結構設計與分析

王宇

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要重點介紹了巨型水輪發(fā)電機定子機座和上機架的斜支撐聯(lián)合結構，以及轉子支架的斜支撐結構，通過建立模型對發(fā)電機在各種工況下的剛強度和振動頻率進行有限元分析，對結構進一步優(yōu)化。

關鍵詞水輪發(fā)電機；斜支撐聯(lián)合結構；有限元分析

0引言

猴子巖電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，是大渡河干流水電規(guī)劃調整推薦22級開發(fā)方案的第9個梯級電站，上游為丹巴水電站，下游為長河壩水電站。猴子巖水輪發(fā)電機額定容量為472.2MWA，額定功率為425MW，額定轉速125rpm，是我公司自主設計制造的400MW級的巨型水輪發(fā)電機。發(fā)電機的定子機座和上機架均采用斜支撐結構。

1斜支撐結構設計

斜支撐結構是目前巨型水電機組廣泛采用的一種結構，包括官地600MW、三峽700MW、溪洛渡770MW及向家壩800MW機組的結構設計都采用了斜支撐結構。所謂的斜支撐結構就是發(fā)電機定子機座采用斜立筋結構見圖1；轉子之架采用斜支臂結構見圖2；上機架支臂采用斜支臂見圖3。

發(fā)電機采用定子機座斜立筋結構，轉子支架斜支臂結構，上機架斜支臂結構的斜支撐結構可以確保發(fā)電機主要部件在各種工況下的受力合理，能夠吸收或轉化部分不正常工況下的沖擊力以及提高定子鐵心的防翹曲能力。通過對各個方面的綜合考慮，猴子巖水輪發(fā)電機最終優(yōu)化選取了斜支撐結構方案[1]。

猴子巖水輪發(fā)電機定子機座共有14個斜立筋，主要用來固定定子鐵心，承受軸向荷重，定子自重及電磁扭矩并傳遞于基礎上。機座的上板與上機架連接，下板通過螺栓和銷子與定子基礎板相連接，形成定子機座與上機架的聯(lián)合結構，能夠承受各種短路狀態(tài)的應力。

定子機座斜立筋結構的優(yōu)點是減少熱應力，能阻止定子疊片翹曲和基礎的破壞，它具有足夠的彈性允許自由熱膨脹，保證圓環(huán)的穩(wěn)定性和同心度，它用特定的切向剛度，適應靜態(tài)和動態(tài)扭矩。當定子機座熱膨脹時，斜立筋會朝機械阻力最小的方向偏轉，使斜立筋連接的環(huán)板同時偏轉，從而保證同心。在電磁扭矩作用下，斜立筋會朝機械阻力最大的方向變形，從而具有很高的穩(wěn)定性。定子機座采用斜立筋結構，這樣容易改變定子的自然頻率，躲開危險的共振頻率范圍。機座有足夠的剛度，同時機座還應能適應鐵心的熱變形，使鐵心在熱膨脹時不會對機座產生過大的壓應力，不會引起鐵心產生有害變形。

猴子巖水輪發(fā)電機轉子支架為斜立筋圓盤式焊接結構。受運輸條件的限制，轉子支架分為1個中心體和4個外環(huán)組件，含16個斜支臂，在工地組焊成整體。轉子支架的斜立筋結構具有保證轉子支架的環(huán)向穩(wěn)定性和向心穩(wěn)定性的能力，在熱打鍵時能吸收一部分能量，減小立筋的剛度對熱打鍵的影響，改善中心體的受力，使熱打鍵時轉子支架與轉軸配合處變形小。機組運行時斜立筋對轉子產生的熱膨脹、離心力也有較好的抵消作用，有利于保證氣隙的均勻度。

上機架由中心體和14斜支臂組成,中心體和斜支臂在工地焊接成整體。上機架徑向通過螺栓和鍵與基礎連接，將徑向力傳遞到混凝土基礎上。斜支臂軸向與定子機座連接，將上機架及上導軸承的全部重量通過定子機座傳遞到基礎上。上機架的斜支臂結構的優(yōu)點是：當定子機座熱膨脹變形時會將一部分徑向力通過斜支撐傳遞給上機架，由于上機架采用了斜支臂結構,改善了受力狀態(tài)，從而使熱膨脹不會影響上機架中心體和導軸承間隙。斜支臂結構還可以使混凝土圍墻承受徑向力減小。

2斜支撐結構的計算分析

為保證猴子巖水輪發(fā)電機斜支撐結構的合理性，我們對該結構進行了大量的有限元計算分析，以便找出更合理的傾斜角度，使整體結構更加合理。其中包括定子機座和上機架聯(lián)合結構有限元計算見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8，轉子支架剛強度有限元計算見圖9。

對定子機座和上機架建立了三維模型，并且通過有限元進行了網格分布，精細的網格分布更有利于對綜合應力的分析計算。

通過有限元對機組在各種工況下的分析，定子機座在額定工況下的最大綜合應力為122MPa，半數(shù)磁極短路工況下的最大綜合應力為164MPa，地震工況的最大綜合應力為124MPa。定子機座采用的材料是合金鋼板，屈服極限為345MPa，有限元在各種工況下分析的數(shù)據(jù)遠遠小于材料屈服極限的2/3，滿足設計要求。

上機架在額定工況下的最大綜合應力為69MPa，半數(shù)磁極短路工況下的最大綜合應力為219MPa，地震工況的最大綜合應力為65MPa。上機架采用的材料是合金鋼板，屈服極限為345MPa，通過有限元分析，除半數(shù)磁極短路工況下的數(shù)據(jù)略小于材料屈服極限的2/3，其余工況均遠遠小于屈服極限的2/3，滿足設計要求。

對轉子支架分別進行了靜止工況和額定工況的有限元分析，在不同工況下轉子支架斜支撐，磁軛都會產生變形，變形的程度取決于轉子支架的受力情況[2]。轉子支架在靜止工況下的最大綜合應力185.521MPa，在額定工況下的最大綜合應力151.992MPa，轉子支架采用合金材料，屈服極限為345MPa，有限元在各種工況下分析的數(shù)據(jù)遠遠小于材料屈服極限的2/3，滿足設計要求。

利用有限元分析振動頻率可知，機架軸向振動模態(tài)為19.3281Hz，上機架扭轉振動模態(tài)21.8043Hz，定子鐵心軸向振動模態(tài)32.2399Hz，定子機座彎轉振動模態(tài)37.144Hz，上機架固有頻率要求在轉頻 2.08 的1±20%范圍內不能有徑向晃動振型，所以上機架橫向振型應避開的頻率范圍為：1.66Hz≤f≤2.5Hz，各種關鍵振動模態(tài)頻率均有效避開了機組相應激振頻率，滿足相應振動標準。

綜上所述，采用斜支撐的猴子巖水輪發(fā)電機各部件的剛強度均滿足結構需要，有效地避開了機組相應激振頻率，保證了定子鐵心熱膨脹作用不會對定子鐵心產生屈曲變形破壞，能夠滿足機組長期安全穩(wěn)定運行的需要。

3結語

猴子巖電站水輪發(fā)電機的設計充分考慮了巨型機組運行的特點，在機組安全可靠性方面進行了大量的電氣、機械計算及研究分析，特別是發(fā)電機斜支撐結構的應用，充分考慮了各主要受力部件的特性，反復優(yōu)化設計，結合有限元分析計算，優(yōu)化了傾斜角度，保證主要結構部件在最安全穩(wěn)定的受力區(qū)域內，使得整體運行性能得到了更大的提升。機組運行結果表明發(fā)電機各項性能指標優(yōu)良，滿足了機組長期安全可靠運行的需要。

猴子巖電站水輪發(fā)電機是我公司獨立自主設計的又一巨型全空冷水輪發(fā)電機組，為今后設計制造巨型全空冷機組提供了重要的實踐經驗。

參考文獻

[1]康華光. 電子技術基礎模擬部分.第五版[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]楊德馬.水輪發(fā)電機斜支臂轉子支架結構研究.東方電機，2010.

[3]吳朝霞.水輪發(fā)電機推力軸承彈性油箱的制造工藝.防爆電機，2010.3.

[4]翟志順.水輪發(fā)電機導水結構裝配工藝研究.防爆電機，2011.4.

[5]明野.水輪發(fā)電機磁極線圈溫升偏高研究分析.防爆電機，2013.4.

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Design and Analysis on Structure of Hydraulic Generator

WangYu

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

AbstractInclined support structure combining stator frame with upper bracket of large hydraulic generator, and inclined support structure of rotor bracket are emphatically introduced in this paper. Finite?element?analysis of stiffness, strength and vibration frequency under various working conditions are made by modeling generator, and then the structure is further optimized.

Key wordsHydraulic generator；inclined support composite structure；finite element analysis

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.04

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)03-0012-004

作者簡介：王宇男1982年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機的設計工作.

收稿日期：2016-03-19