大容量水輪發電機定子鐵心翹曲分析

摘 要：對某大容量水輪水電機的定子鐵心翹曲問題進行了分析，研究了溫升和運行載荷對鐵心翹曲的影響程度。經過分析發現，在機組運行時，定子鐵心翹曲主要是由定子鐵心和機座間的溫差引起的。

關鍵詞：大容量水輪發電機；環向應力；鐵心翹曲

1 概述

水輪發電機定子鐵心是定子的重要部件，由鐵心沖片、通風槽片、定位筋、齒壓板、拉緊螺桿及固定片等零部件裝壓而成。在水輪發電機運行過程中，由于溫升和結構等因素的影響，定子鐵心可能會產生沿環向的波浪形變形，稱為定子鐵心的翹曲變形。

為盡力避免定子鐵心翹曲的發生，需要從根本上分析各種可能導致定子鐵心發生翹曲的因素，在機組前期設計中最大程度的減少各種因素的影響。

根據理論分析及經驗，定子鐵心的環向應力是導致定子鐵心發生翹曲的主要原因，而影響環向應力大小的因素主要有機座溫升和定位筋個數等。

文章以某大容量水輪發電機組為基礎，計算比較了機座與鐵心溫差不同時定子鐵心環向應力的變化情況。

2 機組結構及參數

某大容量水輪發電機容量為550MW，定子鐵心外直徑為12782mm，內直徑為11810mm。定子機座用螺栓和徑向鍵固定在基礎板上。定子支墩共16個，均勻分布。定子鐵心受熱膨脹時，機座可沿徑向鍵移動。徑向鍵同時限制機座切向位移以承受發電機受到的電磁扭矩。機座沿圓周位置分布81個定位筋。

3 有限元模型描述

定子的有限元模型見圖1。鐵心和定位筋采用實體單元，機座采用殼單元，鐵心和機座分別與定位筋直接相連。

定子整體為直支臂結構，結構邊界條件及載荷設置如下：（1）定子支墩處約束環向和軸向自由度，允許徑向有位移；（2）考慮定子機座和鐵心溫升；（3）鐵心內圓施加偏心磁拉力和額定扭矩。

4 溫升對定子鐵心翹曲的影響

引起定子鐵心翹曲的環向壓應力主要由偏心磁拉力以及定子機座和鐵心間溫差引起的熱膨脹不均產生。因此在計算中主要考慮的載荷為溫升和偏心磁拉力。

為分析比較不同溫升對定子的應力和變形、鐵心環向應力的影響，分別進行了以下四種工況下的定子有限元計算：（1）鐵心內圓溫度70℃，機座外壁溫度35℃，只考慮溫升作用。（2）鐵心內圓溫度70℃，機座外壁溫度35℃，考慮偏心磁拉力和額定扭矩。（3）鐵心內圓溫度65℃，機座外壁溫度35℃，考慮偏心磁拉力和額定扭矩。（4）鐵心內圓溫度60℃，機座外壁溫度35℃，考慮偏心磁拉力和額定扭矩。

4.1 只考慮溫升

為進行溫升作用和磁拉力作用對定子鐵心環向應力的影響比較，進行了工況1的計算，只考慮了溫升引起的熱應力。計算得到，鐵心徑向變形為3.529mm；鐵心環向壓應力為17.193MPa，見圖2。

4.2 工況2計算結果

考慮溫升，鐵心內圓溫度70℃，機座外壁溫度35℃，在鐵心內圓施加偏心磁拉力和額定扭矩。計算得到，鐵心徑向變形為3.688mm；鐵心環向壓應力為20.612MPa，見圖3。

4.3 工況3計算結果

考慮溫升，鐵心內圓溫度65℃，機座外壁溫度35℃，在鐵心內圓施加偏心磁拉力和額定扭矩。計算得到，鐵心徑向變形為3.342mm；鐵心環向壓應力為18.536MPa，見圖4。

4.4 工況4計算結果

考慮溫升，鐵心內圓溫度60℃，機座外壁溫度35℃，在鐵心內圓施加偏心磁拉力和扭矩。計算得到，鐵心徑向變形為2.996mm；鐵心環向壓應力為16.46MPa，見圖5。

5 定子鐵心翹曲臨界應力計算

定子鐵心翹曲臨界應力由以下公式計算得到：

式中，k為疊壓彈性基礎剛度，E為鐵心等效彈性模量，b為鐵心高度，h為鐵心沖片單片厚度。

由上述公式計算得到定子鐵心屈曲穩定性臨界應力為70.046MPa。

6 結果對比及分析

四種工況下定子最大綜合應力、機座最大徑向變形、鐵心最大徑向變形、鐵心環向壓應力結果如表1所示。

對表中數據進行分析，可以得到兩條結論：（1）使鐵心產生翹曲的環向壓應力主要由于溫升引起。機組在正常運行過程中的其它載荷如偏心磁拉力和扭矩產生的鐵心環向應力與溫升相比屬于小值。（2）機座和鐵心溫度相差越大，鐵心環向壓應力也越大，鐵心就容易產生翹曲。

7 結束語

定子機座和鐵心溫升對定子的變形、綜合應力有很大的影響。使鐵心產生翹曲的環向壓應力主要是由于定子鐵心和機座間的溫差引起的。機座和鐵心溫差越大，鐵心環向壓應力也越大，鐵心就容易產生翹曲。因此，在定子的設計過程中，應充分提高定子運行過程中的通風性能，使定子的各個部件溫升平穩分布，從而降低鐵心的環向應力，減小鐵心發生翹曲的可能性。