胡金秀 胡祥甫

【摘要】發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機(jī)組中的關(guān)鍵部件，對于大容量、高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更是行業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹GD-3電站轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、關(guān)鍵部件應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化成果，為同類高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考、借鑒和經(jīng)驗(yàn)交流。

【關(guān)鍵詞】高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；應(yīng)力分析

Design of 85MW High Speed Hydro Generator Rotors

HU Jin-xiuHU Xiang-fu

（DEC DongFeng Electric Machinery Co.，LTD. Leshan Sichuan，614000，China）

【Abstract】Generator rotor is the key component among the hydro generating unit. The structural design for the rotor with large capacity and high speed is the focus and difficulty of the research in industry. In this paper, the structural design characteristics of generator rotor and the stress analysis and structural optimization result of the key components for GD-3 Project in Ethiopia are presented for the purpose of reference and experience exchange for the structural design of high speed hydro generator rotors of similar kind.

【Key words】High Speed Rotor; Structural Characteristics; Stress Analysis

1電站概述

埃塞俄比亞GD-3水電站位于埃塞俄比亞首都亞的斯南部，裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)容量85MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)機(jī)型為SF85-14/5000，水輪機(jī)型號(hào)HLA892-LJ-245，最大水頭273m，采用密閉自循環(huán)雙路徑向無風(fēng)扇端部回風(fēng)冷卻系統(tǒng)。具有上、下兩個(gè)導(dǎo)軸承，推力軸承與上導(dǎo)軸承合用一個(gè)油槽，布置在上機(jī)架推力油槽內(nèi)。該電站單機(jī)容量大、轉(zhuǎn)速高，飛逸工況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的最大線速度高達(dá)168.37 m/s。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需確保各主要受力部件滿足發(fā)電機(jī)在各種工況下運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，同時(shí)還需考慮其工藝性和經(jīng)濟(jì)性。高轉(zhuǎn)速、大容量水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是行業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它的性能好壞直接影響整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

GD-3電站發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù):

額定容量100MVA

額定功率85MW

額定電壓13800V

額定電流4183.7A

額定功率因數(shù) 0.85（滯后）

額定頻率 50Hz

額定轉(zhuǎn)速 428.6 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 763.4 r/min

額定勵(lì)磁電壓 240V

額定勵(lì)磁電流 970A

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(GD2) ≥1260 t.m2

2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機(jī)組核心部件之一，它的設(shè)計(jì)、制造和安裝質(zhì)量等直接影響機(jī)組的總裝質(zhì)量乃至機(jī)組的安全運(yùn)行。

圖1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

GD-3電站根據(jù)發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻方式，轉(zhuǎn)子采用旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。它主要由磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子支架、主軸等組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1磁極

磁極是水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生磁場的主要部件，由磁極鐵芯、磁極線圈及阻尼繞組等組成，通過T尾和磁極鍵固定在磁軛上。因此，它不但要具備良好的電磁性能，還必須有一般轉(zhuǎn)動(dòng)部件具有的機(jī)械性能。GD-3電站磁極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低加工工藝，經(jīng)反復(fù)論證，并通過大量計(jì)算和有限元分析，設(shè)計(jì)一種當(dāng)前加工能力可實(shí)現(xiàn)又能滿足產(chǎn)品性能要求的結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2磁極裝配

2.2磁軛

轉(zhuǎn)子磁軛是發(fā)電機(jī)磁路的重要組成部分，也是固定磁極的結(jié)構(gòu)部件。GD-3電站磁軛采用疊片磁軛結(jié)構(gòu)，軸向長2160mm（含上下磁軛壓板），多邊形至對邊尺寸為3286mm。疊片磁軛裝配由磁軛沖片、通風(fēng)槽片、拉緊螺桿、磁軛壓板、鎖定板、卡鍵、磁軛鍵等組成。磁軛沖片的疊片方式對磁軛的重量、磁軛的應(yīng)力和拉緊螺桿的剪應(yīng)力有直接影響。發(fā)電機(jī)極數(shù)少（14極）、轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求高，合理選擇磁軛疊片方式顯得尤為重要。磁軛沖片設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員將層間相錯(cuò)一個(gè)極距的基本疊法和層間相錯(cuò)1/2個(gè)極距的疊片方式作了詳細(xì)的計(jì)算分析。

2.3轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架是水輪發(fā)電機(jī)的主要組成部分，也是將磁軛和主軸連接成一體的關(guān)鍵部件。GD-3電站轉(zhuǎn)子支架采用圓盤式結(jié)構(gòu)，由輪轂、上圓盤、下圓盤、立筋及筋板組成，其機(jī)械性能通過強(qiáng)度計(jì)算和有限元應(yīng)力分析得以保證。輪轂用20SiMn鍛造而成，上圓盤、下圓盤、立筋材料均采用高強(qiáng)度鋼板。該結(jié)構(gòu)具有重量輕，剛度大的優(yōu)點(diǎn)，特別適合本機(jī)組的徑向通風(fēng)方式。

3主要部件有限元分析

通過CATIA三維軟件對磁極、轉(zhuǎn)子支架建立幾何模型，并用MSC.Ptran有限元軟件建立計(jì)算模型，利用 MSC.MARC有限元軟件進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

3.1磁極強(qiáng)度有限元分析

1）計(jì)算模型取1/14模型，施加循環(huán)對稱約束。采用4節(jié)點(diǎn)四邊行單元建模，由磁極結(jié)構(gòu)及受力狀況采用平面應(yīng)力計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。

2）磁極材料為：2WDER550；彈性模量：1500000MPa；泊松比：0.3；密度：5.75525×10-10t/mm3；屈服強(qiáng)度：550MPa。

磁極鍵材料為：鍛45；彈性模量：206800MPa；泊松比：0.3；密度：7.85×10-9t/mm3；屈服強(qiáng)度：355MPa。

3）計(jì)算結(jié)果：額定工況下磁極的Von Mises應(yīng)力分布圖見圖3。

圖3額定工況下磁極的Von Mises應(yīng)力分布

3.2轉(zhuǎn)子支架有限元分析

1）由對稱性取結(jié)構(gòu)1/7建立計(jì)算模型，小三角筋板采用四邊形殼單元，其余部件采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元。

2）輪轂材料：鍛20SiMn，彈性模量：206800MPa，泊松比：0.3，密度：7.85×10-9t/mm3，屈服強(qiáng)度：225MPa；拉伸強(qiáng)度：470MPa；延伸率：14%。支架其他部件材料：

Q390，彈性模量：206800MPa，泊松比：0.3，密度：7.85×10-9t/mm3，屈服強(qiáng)度：≤16mm，≥390MPa；≤16～35mm，≥370MPa；≤35～100mm，≥330MPa。拉伸強(qiáng)度：490～650MPa；延伸率：19%。

3）計(jì)算結(jié)果：額定工況下磁極的Von Mises應(yīng)力分布圖見圖4。

圖4額定工況下磁極的Von Mises應(yīng)力分布

根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，額定工況計(jì)算應(yīng)力偏大，調(diào)整了轉(zhuǎn)子支架上、下圓板及腹板材料，最終選用了性能更好的優(yōu)質(zhì)鋼板，滿足機(jī)械性能要求。

4結(jié)論

針對大容量高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)合理應(yīng)用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用有限元分析手段，通過對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整，提高了機(jī)組的安全穩(wěn)定性，為同類高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考、借鑒和經(jīng)驗(yàn)交流。

【參考文獻(xiàn)】

［1］白延年.主編.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］陳錫芳.主編.水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行監(jiān)測與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

［責(zé)任編輯：許麗］