核電站主氦風機電機轉子護環結構優化

張貴濱，張振禹，盛志偉

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

核電站主氦風機電機轉子護環結構優化

張貴濱，張振禹，盛志偉

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

主氦風機電機轉子鐵心端部應力強度應滿足要求，以確保高溫氣冷堆的安全運行。采用有限元分析方法對主氦風機電機轉子端部銅條、端環和護環結構進行強度分析計算，根據高轉速下銅條和端環的應力大小對護環結構和熱套緊量進行優化，使銅條、端環和護環的應力均小于材料的許用應力。

主氦風機電機；高轉速；護環；熱套緊量；應力

0 引言

高溫氣冷堆是全世界第四代反應堆，也是最新一代核反應堆，在任何情況下，高溫氣冷堆都不會發生堆芯融化事故和大量放射性釋放事故，主氦風機是氣冷反應堆的主要設備之一，用于向反應堆內泵入氦氣帶走堆內多余熱量，保證反應堆安全的重要設備。主氦風機的運行轉速是800～4000rpm，最高轉速可達到4200rpm，這對電機轉子的設計提出了很高的要求，轉子鐵心端部的銅條和端環是轉子強度最弱的部件，為了保證端部銅條和端環在高轉速下能夠長期運行，需要在端環上安裝護環來降低銅條和端環的徑向變形，以減小銅條和端環的應力。

主氦風機電機的轉速較高，轉子端部銅條和端環受離心力作用會產生較高的應力，為了降低轉子端部銅條和端環的應力，需要對護環的結構形式進行優化。本文分別對兩種護環結構進行應力對比分析，以篩選出最合理的護環保護形式，以保證主氦風機電機的可靠性和安全性。

1 應力強度有限元分析

對于三維問題，彈性體V域內任一點沿坐標軸x、y、z的平衡方程為

經過連續體離散化、單元分析、整體分析，就可用節點的力平衡和節點變形協調條件來建立整個連續體的節點力和節點位移的關系，即

[K]{δ}={R}

式中，[K]—整體剛度矩陣；{δ}—全部節點位移組成的矩陣；{R}—全部節點載荷組成的矩陣，包括溫度和轉速。

在這個方程中只有{δ}是未知的，求解該線性方程組就可得到各節點的位移，將節點位移代入相應的方程中可求出單元的應力分量。

2 電機轉子鐵心端部的物理模型

2.1 電機轉子鐵心端部結構

電機轉子鐵心裝配采用鼠籠結構，采用50W310硅鋼片疊成的鐵心熱套在軸上，電流通過沿軸向方向嵌入鐵心疊片的轉子銅條傳導(銅條按圓周34個均勻分布)，鐵心端部的銅條通過端環連接，端環的外圓有護環進行保護。本文主要分析主氦風機電機轉子鐵心端部兩種護環結構在不同轉速時護環、端環和銅條的應力和變形情況。

圖1 常用護環結構圖

圖2 護環優化結構圖

2.2 鐵心端部的材料特性

鐵心端部的材料特性見表1。

表1 鐵心端部的材料特性

3 電機轉子鐵心端部強度對比分析

本文采用有限元分析程序ANSYS 14.5對主氦風機電機轉子銅條、端環和護環結構進行強度計算分析，主要計算了兩種不同結構在不同轉速(800rpm、1600rpm、2400rpm、3200rpm、4000rpm和4200rpm)下轉子銅條、端環和護環的應力和變形。

3.1 常用護環結構的應力分析

3.1.1 轉子端部分析模型

在建立模型的過程中各部件均采用實體模型，網格由六面體單元(SOLID186)組成，根據結構的對稱性，取整體結構的1/34進行分析，約束兩側節點的切向位移，護環和端環之間搭接的接觸面采用摩擦(Frictional)接觸模擬接觸配合，銅條和沖片之間的接觸面采用摩擦(Frictional)接觸以傳遞銅條的離心力。

圖3 轉子端部模型網格劃分

圖4 轉子端部模型邊界條件

3.1.2 轉子端部分析結果

利用有限元分析軟件對電機轉子鐵心端部銅條、端環和護環在幾個不同轉速下的應力進行分析，圖5和圖6分別為電機不同轉速下端環的徑向變形和轉子銅條、端環和護環的最大應力變化關系曲線，可以看出隨著電機轉速的增加，端環的徑向變形逐漸增大，4200rpm時端環的最大徑向變形為0.34mm；端部銅條、端環和護環的應力隨著轉速增加都隨之增加，轉速達到4000rpm時，銅條和端環的應力分別為171.5MPa和140MPa，均大于了材料的許用應力，因此此結構在轉速大于4000rpm時不能滿足使用要求。

圖5 不同轉速下轉子端環的徑向變形

圖6 不同轉速下轉子端部銅條、端環和護環的應力

3.2 護環優化結構的應力分析

3.2.1 轉子鐵心端部優化結構分析模型

在建立模型的過程中各部件均采用實體模型，網格由六面體單元(SOLID186)組成，根據結構的對稱性，取整體結構的1/34進行分析，約束兩側節點的切向位移，護環內圓和端環外圓之間的接觸面采用摩擦(Frictional)接觸模擬熱套配合，銅條和沖片之間的接觸面采用摩擦(Frictional)接觸以傳遞銅條的離心力。

圖7 轉子端部模型網格劃分

圖8 轉子端部模型邊界條件

3.2.2 轉子端部優化結構分析結果

利用有限元分析軟件對電機轉子鐵心端部銅條、端環和護環在幾個不同轉速下的應力進行分析，圖9和圖10分別為電機不同轉速下端環的徑向變形和轉子銅條、端環和護環的最大應力變化關系曲線，可以看出隨著電機轉速的增加，端環的徑向變形逐漸增大，4200rpm時端環的最大徑向變形為0.28mm，較原結構有所減小，轉速低于1600rpm時端環的徑向變形是負的，是由于護環與端環之間的熱套緊量所致；銅條和端環的應力隨著轉速的增加先降低后增大，轉速達到4200rpm時，銅條和端環的應力達到最大，分別為72.3MPa和130MPa，銅條的應力較原結構的應力降低明顯，均小于材料的許用應力；護環的應力隨著轉速增加隨之增加，轉速達到4200rpm時的最大應力為471MPa，應力較高，但小于材料的許用應力646MPa，此結構能夠滿足主氦風機運行轉速的要求。

圖9 不同轉速下轉子端環的徑向變形

圖10 不同轉速下轉子端部銅條、端環和護環的應力

4 電機轉子鐵心端部護環優化結構強度分析

電機轉子端部護環優化結構是將護環的內圓和端環的外圓采用熱套緊量配合的接觸方式來降低銅條和端環的應力，熱套緊量的大小需要根據銅條和端環的受力和變形情況給定，本節主要分析了轉速為4200rpm時不同熱套緊量(0、0.5mm、1mm、1.5mm和2mm)下轉子銅條、端環和護環的應力和變形情況。

電機的運行環境溫度為40℃，轉子端環和銅條的平均溫度為130℃，轉子鐵心和護環的平均溫度為120℃，有限元模型和邊界條件與3.2節中的一致，圖11和圖12分別為4200rpm不同緊量時端環的徑向變形和轉子銅條、端環和護環的最大應力變化關系曲線，可以看出隨著熱套緊量的增大，端環的徑向變形逐漸減小；銅條和端環的應力隨著熱套緊量的增大也逐漸減小，緊量大于1mm后應力減小的幅度較小；護環的應力隨著熱套緊量的增大是逐漸增大的，當緊量為1.5mm時護環的應力為697MPa，大于護環材料的許用應力，因此護環和端環的熱套緊量的取值為1mm時，可以保證銅條和端環的應力較低，護環的應力也在許用的范圍內, 圖13、圖14、圖15、圖16為4200rpm護環緊量為1mm時端環、銅條、護環應力和轉子鐵心端部的徑向變形。

圖11 4200rpm不同緊量時轉子端環的徑向變形

圖12 4200rpm不同緊量時轉子端部銅條、

端環和護環的應力

圖13 端環的應力分析結果

圖14 銅條的應力分析結果

圖15 護環的應力分析結果

圖16 轉子鐵心端部的徑向變形

5 結語

本文采用有限元分析方法對主氦風機電機轉子銅條、端環和護環結構進行強度計算分析，根據兩種不同護環結構的應力分析結果，結論如下

(1)轉子端部護環優化結構與原結構相比相同轉速下端環的徑向變形都有所減小；銅條和端環在高轉速下的最大等效應力降低較為明顯，均小于材料的許用應力；護環的最大等效應力增加較大，但小于材料的許用應力，因此是安全的。

(2)轉子端部護環優化結構中護環和端環之間的熱套緊量大小對計算結果影響較大，緊量的大小選擇需根據結構的轉速和溫度而定，此主氦風機電機護環和端環之間的實際緊量建議取值為1mm。

[1] 何云風，張奕黃，曹君慈.不同工況運行時異步牽引電動機轉子端環與護環的強度分析[J].黑龍江大學工程學報，2012.8.

[2] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

Structural Optimization for Rotor Guard Ring of Primary Helium Circulator Motor in Nuclear Power Station

ZhangGuibin,ZhangZhenyu,andShengZhiwei

(Harbin Electric Power Equipment Company limited, Harbin 150066, China)

Rotor core ends of primary helium circulator motor should meet requirements of stress intensity to ensure security operation of high-temperature gas-cooled reactor. Intensity of end copper bar, end ring and guard ring of the motor rotor are analyzed and calculated by finite-element method. Based on stress results of copper bars and end ring of motor at high rotating speed，the design structure and shrink fit parameter of guard ring are optimized to make the stresses of copper bar, end ring and guard ring lower than allowable limits of their materials.

Primary helium circulator motor；high rotating speed；guard ring；shrink fit parameter；stress

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.07

TM303.3

A

1008-7281(2017)02-0022-004

張貴濱 男 1981年生；畢業于吉林大學機械專業，現從事核主泵、大中型交直流電動機結構強度計算方面的工作.

2016-11-18