發(fā)電電動(dòng)機(jī)平鋪磁軛型磁極連接線的應(yīng)力分析

常玉紅，盧偉甫，霍獻(xiàn)東，王 勇，王 濤，詹 陽(yáng)

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；3.華北電力大學(xué)，北京市 102206）

0 引言

抽水蓄能是目前和今后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)世界上唯一成熟的超大規(guī)模儲(chǔ)能方式，對(duì)保障電網(wǎng)安全以及消納新能源有不可替代的作用[1]。與一般的水輪發(fā)電機(jī)相比，抽水蓄能電站使用的發(fā)電電動(dòng)機(jī)存在頻繁的啟停機(jī)和發(fā)電電動(dòng)工況的轉(zhuǎn)換，另外，轉(zhuǎn)子部件裝配過(guò)程中的一些不當(dāng)操作，都會(huì)造成部件所受的機(jī)械應(yīng)力過(guò)大，引發(fā)發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)故障。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)中，位于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路中的磁極間連接線頻繁發(fā)生斷裂，嚴(yán)重威脅發(fā)電電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。這說(shuō)明，在發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極連接線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮工況轉(zhuǎn)換和極端工況下應(yīng)力的變化，明確結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，有針對(duì)性地改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在裝配工藝方面提出合理的建議，避免降低薄弱部位強(qiáng)度的不當(dāng)操作。

目前，針對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極連接線故障已展開了相當(dāng)多的研究工作。例如，文獻(xiàn)[2]分析了蒲石河機(jī)組靠近磁極線圈引出線附近出現(xiàn)線圈開匝的原因，通過(guò)計(jì)算明確了磁極線圈引出線不當(dāng)把緊操作產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力是造成線圈開匝的主要原因。文獻(xiàn)[3]針對(duì)剛性、柔性與直接連接、組合連接的極間連接結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比不同工況下的應(yīng)力、疲勞壽命和壽命期內(nèi)的損耗，得到了幾種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和壽命特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]分析了一臺(tái)發(fā)電電動(dòng)機(jī)不同磁極線圈引出線和連接線結(jié)構(gòu)所受的機(jī)械應(yīng)力和疲勞損耗，給出了對(duì)磁極連接線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議。文獻(xiàn)[5]針對(duì)黑麋峰抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈引出線斷裂故障，綜合應(yīng)力有限元計(jì)算、金相分析和結(jié)構(gòu)尺寸檢查，確定了故障的主要原因。

本文針對(duì)一臺(tái)18極334MW抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的平鋪磁軛型磁極連接線結(jié)構(gòu)，利用有限元模型計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同運(yùn)行條件下的應(yīng)力分布，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)建議。

1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)和磁極連接線結(jié)構(gòu)

本文研究的發(fā)電電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)由表1給出。其磁極連接線采用平鋪磁軛結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本臺(tái)電機(jī)中，根據(jù)磁極線圈引出線的不同位置，磁極連接線有上連接與下連接兩種類型，如圖2所示。

表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of pump storage generator

圖1 平鋪磁軛型磁極連接線Figure 1 Parallel-to-yoke inter-pole connection

圖2 磁極上、下連接線結(jié)構(gòu)Figure 2 Structures of upper and lower inter-pole connection

2 磁極連接線的應(yīng)力計(jì)算

2.1 磁極連接線的機(jī)械有限元模型

在發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，磁極連接線隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，受到離心力的作用。為計(jì)算旋轉(zhuǎn)形成的應(yīng)力，本文采用Ansys Workbench分別建立了平鋪磁軛型磁極上、下連接線的三維機(jī)械力有限元模型，如圖3所示。其中，用扇形圓盤代替了發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，帶動(dòng)磁極連接線旋轉(zhuǎn)。

2.2 磁極連接線額定轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力計(jì)算

在約束條件的設(shè)置中，考慮到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在模型對(duì)稱面上施加軸向位移約束，設(shè)置邊界條件為極身側(cè)面的位移等于零。在載荷的添加中，則通過(guò)整體施加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)載荷Rotational Velocity來(lái)模擬離心力，螺栓上下面設(shè)置預(yù)緊力。磁極連接線模型的約束和載荷的設(shè)置效果如圖4所示。

由有限元模型計(jì)算得到額定轉(zhuǎn)速條件下上磁極連接線的機(jī)械應(yīng)力分布如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，磁極連接線所受的最大應(yīng)力集中在線圈引出線內(nèi)側(cè)和連接件壓板處，分別為139.20MPa和64.78MPa。

額定轉(zhuǎn)速時(shí)下磁極連接線的機(jī)械應(yīng)力分布如圖6所示，最大應(yīng)力同樣在線圈引出線內(nèi)側(cè)和連接件壓板處，分別為66.29MPa和29.49MPa。

圖4 模型的約束和載荷的設(shè)置Figure 4 Boundary condition and load settings

圖5 額定轉(zhuǎn)速時(shí)上磁極連接線的應(yīng)力分布Figure 5 Boundary condition and load settings

圖6 額定轉(zhuǎn)速時(shí)下磁極連接線的應(yīng)力分布Figure 6 Stress distribution of inter-pole connection with the rated speed

3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作狀態(tài)下磁極連接線的應(yīng)力

為分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作狀態(tài)對(duì)磁極連接線應(yīng)力分布的影響，本章選取磁極連接線彎角半徑、引出線長(zhǎng)度和引出線與銅板連接位置（如圖7所示）三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的磁極連接線在額定轉(zhuǎn)速、甩負(fù)荷和飛逸轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的應(yīng)力分布。磁極上、下連接線原型設(shè)計(jì)的彎角半徑均為10mm，引出線長(zhǎng)度均為10mm，引出線與銅板的連接螺栓中心距銅板邊緣均為25mm。

3.1 磁極連接線不同彎角半徑的應(yīng)力分布

分別將磁極間上、下連接的引出線彎角半徑設(shè)置為8mm、10mm、12mm和14mm，并將其他結(jié)構(gòu)保持為原型設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算額定轉(zhuǎn)速、甩負(fù)荷和飛逸轉(zhuǎn)速三種狀態(tài)下磁極連接線的應(yīng)力分布，并且統(tǒng)計(jì)不同條件下引出線彎角處與壓板處的最大應(yīng)力。上、下連接線應(yīng)力最大值計(jì)算結(jié)果分別如表2、表3所示。

從計(jì)算結(jié)果上看，平鋪磁軛型磁極連接線壓板區(qū)域的應(yīng)力相對(duì)于磁極線圈引出線彎角處的應(yīng)力比較小。而實(shí)際中，平鋪磁軛型磁極連接線最常見的斷裂就發(fā)生在引出線彎角處。對(duì)磁極線圈引出線不同彎角半徑的應(yīng)力評(píng)估表明，在一定范圍內(nèi)，隨著彎角半徑的增加，上連接引出線的最大應(yīng)力明顯減小。從降低引出線彎角的故障概率出發(fā)，宜選取較大的引出線彎角半徑。隨著引出線彎角半徑的增加，下連接引出線的最大應(yīng)力變化并不明顯。

圖7 磁極連接線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)Figure 7 Key structural parameters of inter-pole connection

表2 上連接引出線不同彎角半徑下的應(yīng)力最大值Table 2 Maximum stress with different radii of upper lead

表3 下連接引出線不同彎角半徑下的應(yīng)力最大值Table 3 Maximum stress with different radii of lower lead

3.2 磁極引出線不同長(zhǎng)度的應(yīng)力分布

分別將磁極間上、下連接的引出線長(zhǎng)度設(shè)置為5mm、10mm、15mm和20mm，并相應(yīng)地調(diào)整壓板處的基座的高度，使銅板保持與磁軛平行，而其他結(jié)構(gòu)保持為原型設(shè)計(jì)參數(shù)。計(jì)算額定轉(zhuǎn)速、甩負(fù)荷和飛逸轉(zhuǎn)速三種狀態(tài)下磁極連接線的應(yīng)力分布，并且統(tǒng)計(jì)不同條件下引出線彎角處與壓板處的最大應(yīng)力。上、下連接線應(yīng)力最大值計(jì)算結(jié)果分別如表4、表5所示。

表4 上連接引出線不同長(zhǎng)度下的應(yīng)力最大值Table 4 Maximum stress with different lengths of upper lead

表5 下連接引出線不同長(zhǎng)度下的應(yīng)力最大值Table 5 Maximum stress with different lengths of lower lead

對(duì)磁極線圈引出線不同長(zhǎng)度條件下的應(yīng)力評(píng)估表明，隨著引出線長(zhǎng)度增加，上、下連接件壓板處的最大應(yīng)力有所增加，但磁極線圈引出線的最大應(yīng)力明顯降低（尤其在甩負(fù)荷和飛逸轉(zhuǎn)速情況下）。所以，從降低引出線彎角的故障概率出發(fā)，上、下連接都宜選取較長(zhǎng)的磁極線圈引出線。

3.3 磁極線圈引出線與銅板不同連接位置下的應(yīng)力分布

因?yàn)樯线B接線結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑更大，改變其磁極線圈引出線與銅板的連接位置對(duì)應(yīng)力的影響更加明顯，所以只討論上連接線不同連接位置條件下的應(yīng)力分布。在保證銅板與引出線接觸面積不變的前提下，銅板沿徑向相對(duì)于原型設(shè)計(jì)分別位移是-5mm、-2mm、0mm（原型設(shè)計(jì)）、2mm和5mm（如圖8所示），其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值計(jì)算結(jié)果如表6所示。

對(duì)比不同連接位置下的最大應(yīng)力值，可以發(fā)現(xiàn)，連接位置在合理范圍內(nèi)的變化對(duì)最大應(yīng)力值的影響很小。

圖8 磁極線圈引出線與銅板的不同連接位置Figure 8 Different lead positions of inter-pole connection

表6 上連接線不同連接位置下的應(yīng)力最大值Table 6 Maximum stress with different positions of upper lead

4 結(jié)論

本文計(jì)算并對(duì)比了一臺(tái)抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的平鋪磁軛型磁極連接線不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的機(jī)械應(yīng)力，得到如下結(jié)論：

（1）平鋪磁軛型磁極連接線受到的機(jī)械應(yīng)力主要集中在磁極線圈引出線和磁極連接線下方的壓板處。

（2）平鋪磁軛型磁極連接線中的上連接，宜在一定范圍內(nèi)選用較大的磁極線圈引出線彎角半徑。

（3）平鋪磁軛型磁極連接線中的上、下連接，宜在合理范圍內(nèi)選用較大的磁極線圈引出線長(zhǎng)度，從而降低引出線的最大應(yīng)力。