1 200 MW汽輪發電機定子端部線圈3D建模方法的研究

徐子開，徐余法，楊楠，紀海燕

（1.上海電機學院電氣學院，上海200240；2上海第二工業大學，上海201209）

1 200 MW汽輪發電機定子端部線圈3D建模方法的研究

徐子開1，徐余法2，楊楠1，紀海燕1

（1.上海電機學院電氣學院，上海200240；2上海第二工業大學，上海201209）

大型汽輪發電機端部磁場和結構件的損耗已成為其設計和運行中的重要問題之一。但由于定子線圈端部復雜，二維分析難以滿足工程的精度要求，因此，提出了采用Siemens NX軟件對1200 MW汽輪發電機定子線圈端部進行三維建模的方法，得到了更加符合工程實際的結構模型，能精確地進行計算和仿真，為端部電磁場、渦流場的分析和計算奠定了良好的基礎。

汽輪發電機；定子端部線圈；Siemens NX；3D建模

隨著發電機單機容量的不斷增加，其定子線負荷增高，導致發電機端部區域的磁密增加，定子繞組電流密度增大，出現了渦流損耗的上升，使發電機端部局部溫升過高，影響發電機的正常運行。汽輪發電機的定子繞組放在鐵心內圓的定子槽內，它處于旋轉變化的磁場中，感應出高電壓、大電流，并輸出到電網，因此，它是發電機能量轉換、輸出電能的關鍵部位，也是發電機損耗發熱最大部件之一，不僅造成了發電機效率降低，還會影響發電機運行的穩定性。

1 200 MW汽輪發電機的定子繞組為雙層繞組，上、下層線棒的直線部分埋于槽內，由槽楔、波紋板等固定；線棒端部結構為籃式。為了增大上、下層鼻端接頭的空間，常采用不同的錐度。帶錐度籃式端部的線圈與鐵心端部壓圈等結構件的距離比較遠，這樣附加的損耗也較小。每個線棒在端部錐面上以漸開線形式展開彎曲成形。

由于定子繞組端部結構復雜，早期大部分都是用近似的二維作圖法或平面漸伸線計算來確定尺寸的，得到的近似值精度較低，計算步驟過多，二維分析難以達到實際工程要求，無法對發電機端部電磁場、溫度場、渦流場進行分析和精確計算。因此，本文基于Siemens NX軟件對1 200 MW汽輪發電機定子繞組端部進行三維建模和參數化設計，NX是一個交互式CAD/CAM系統，可以實現各種實體及造型的構建，它具有強大的參數化設計功能，能準確地反映設計意圖，參數化模型易于修改和重用。

1 線棒結構分析

如圖1所示，線棒主要由三部分組成，分別為勵端端部、汽端端部和直線部分。其中，汽端與勵端結構相似，它們都包含了端部過渡部分、過渡圓弧、漸伸線段、過渡圓弧和端部的直線段，如圖2所示。1 200 MW汽輪發電機定子36槽、采用雙層繞組結構，節距為14，其上、下線棒雖然在諸如漸伸線開始位置、過渡圓弧等數據上有所不同，但上層線棒與下層線棒之間僅有些許的尺寸差別，建模時可按模塊化進行設計。1200 MW線棒上層線棒勵端折彎方向與下層線棒汽端折彎方向相同，上層線棒汽端的折彎方向與下層線棒勵端的折彎方向相同。因此，在建模的時候為了便于快速建立線棒模型，上、下層線棒的模型設計順序應該相反。

圖1 線棒完整圖

圖2 線棒端部結構圖

在3D建模過程中，通過工程圖紙的尺寸參數分別對漸伸線部、端部過渡端及直線部分進行三維建模，首先利用Siemens NX軟件漸伸線重用庫功能及虛擬錐環的搭建完成漸伸線的建模，并根據圖紙對各過渡圓弧和過渡段作出了精確處理，再通過掃描命令完成定子線棒端部的實體建模。

2 線圈三維模型的建立

2.1 漸伸線部的建模

啟動NX軟件，進入三維建模環境，從重用庫中調用漸伸線方程（involute），并輸入基圓半徑r，將其放置到XY平面；進入草圖創建界面，選取XY平面為草圖1放置平面，創建草圖，如圖3所示。在圖3中，基圓圓心與漸伸線開始圓圓心重合，參數如表1所示。在表1中，p0為實際線圈漸伸線開始處距圓心的距離；p1為線圈結束部分距圓心距離；φp2為漸伸線開始過渡圓弧直徑；φp3為漸伸線結束過渡圓弧直徑；A為線圈漸伸線所跨角度。

圖3 草圖1

表1 定子繞組參數

2.2 虛擬錐環的建立

錐環的建立目的是為了真實模擬線棒的端部形狀。本文針對的電機其線棒端部采用了籃式結構，上層的所有線棒之間以及下層的所有線棒之間的錐角相同，因此，可以構造錐環來為線棒端部定型。錐環的構造過程為：過漸近線跨角的起始邊作一個垂直于草圖1的基準面，并在此基準面上作草圖2，如圖4所示。在圖4中，B為錐面轉軸跨角，為20°，虛線為錐環轉軸，p13=1 000 mm，為錐面長度。最終回轉草圖，錐環模型搭建完成如圖5所示。

錐環完成后，將線棒漸開線部分所需的曲線用“纏繞曲線”命令投影到錐環上，纏繞曲線的目的是給端部漸伸線段建模時提供一條引導線，纏繞曲線的選取如圖6所示。

過纏繞曲線的起點作一個垂直于纏繞曲線的基準平面，并在此基準平面制作草圖3，如圖7所示。將草圖3作為掃掠截面，纏繞曲線為引導線，面為回轉得到的錐面，執行掃掠命令最后得到掃掠體如圖8所示。

圖4 草圖2

圖5 錐環模型

圖6 纏繞曲線

圖7 草圖3

圖8 掃掠體

2.3 端部過渡段及直線部分的建模

利用草圖1的基準平面制作草圖4，如圖9所示。在圖9中，虛線是發電機的中心軸，作一條虛線且與虛線距離為D的直線p44，然后在與水平線相交處作一半徑為Pr的倒圓角。倒圓角與直線相切的切點，即為直線部分的結束點。倒圓角如圖10所示。利用垂直于纏繞曲線的基準平面制作草圖5，掃掠截面的尺寸如圖11所示。將端部過渡段及直線部分作為引導體進行掃掠，如圖12所示，最后通過“求和”命令得到完整的單根定子線棒三維模型，如圖13所示。

圖9 草圖4

圖10 倒圓角

圖11 草圖5

圖12 過渡段及直線掃掠體

圖13 單根定子線棒三維模型

圖14 定子線圈端部三維模型

以上是根據上層線圈數據建立的上層線圈端部的三維模型，同理再根據以上過程建立下層線圈端部的三維模型，兩者組合在一起形成完整的端部三維線圈模型如圖14所示。

2.4 定子線棒三維建模注意事項

基于本次線棒建模使用的是“一體化”設計理念，因此，在模型搭建過程中，需要注意如下幾點：①我們所建立的模型應該是要與圖紙精確匹配的，而不只是畫個大概，因此，對于模型的精度，必須注意圖紙與模型的尺寸關系。②畫線棒漸伸線段時，必須注意“掃略”里的定位方法，并非默認的“fixed”，應是改為“面的法向”。如果若不修改，仍然使用默認的設置，則在裝配時上、下層線棒無法對齊，裝配后的模型會與預期的有不小的差距。因此，在掃略端部時，一定注意定位方法是否換成了“面的法向”。③所建立的線棒截面須確保與引導線之間是垂直關系。如果掃略時目標曲線與引導線間非平行，則會造成掃略出的實體形狀與我們所期望的形狀有出入。因此，在建模型時，應確保每一步都是正確的。

3 結束語

本文通過應用Siemens NX軟件將非常復雜的汽輪發電機定子端部線圈的三維模型直觀、準確地表達出來，并在此基礎上，實現了與Ansys等有限元軟件的對接，建立了有限元模型，為三維電磁場、三維渦流場、三維溫度場等精確仿真和計算提供了基礎。

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〔編輯：張思楠〕

TM311

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.023

2095－6835（2017）18－0023－03

徐子開（1991—），上海電機學院在讀研究生，主要研究方向為電機與電器。