衣 然，蘭 波，楊國(guó)昌

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抽水蓄能機(jī)組定、轉(zhuǎn)子氣隙調(diào)整值分析

衣 然，蘭 波，楊國(guó)昌

（水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

抽水蓄能機(jī)組的定、轉(zhuǎn)子氣隙計(jì)算準(zhǔn)確性會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和各項(xiàng)參數(shù)，本文利用有限元方法建立了定、轉(zhuǎn)子的模型，合理地對(duì)其邊界條件進(jìn)行了模擬和計(jì)算，并根據(jù)機(jī)組的安裝流程來(lái)計(jì)算出準(zhǔn)確的氣隙安裝值，以此來(lái)保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)的氣隙值達(dá)到設(shè)計(jì)值。

抽水蓄能機(jī)組；氣隙；有限元方法

0 前言

蓄能機(jī)組的定、轉(zhuǎn)子氣隙大小會(huì)影響到機(jī)組的很多參數(shù)，例如短路比、直軸瞬變電抗、勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流，這些參數(shù)都會(huì)隨著氣隙的大小進(jìn)行變化，這些參數(shù)的變化更進(jìn)一步地影響到機(jī)組在系統(tǒng)運(yùn)行中的靜態(tài)穩(wěn)定性和溫升關(guān)鍵數(shù)值，各大電站對(duì)氣隙值的保證越來(lái)越看重。

設(shè)計(jì)中給出的氣隙值應(yīng)為在機(jī)組額定運(yùn)行工況時(shí)定、轉(zhuǎn)子的氣隙值，而安裝氣隙并非是設(shè)計(jì)氣隙。考慮到靜止工況時(shí)轉(zhuǎn)子熱打鍵使磁軛膨脹、過(guò)速實(shí)驗(yàn)時(shí)導(dǎo)致的磁軛殘余變形和額定運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子的膨脹量不一致等因素，氣隙的安裝值應(yīng)為氣隙設(shè)計(jì)值+氣隙調(diào)整值，氣隙的調(diào)整值計(jì)算準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到了機(jī)組運(yùn)行時(shí)的氣隙值大小。

1 計(jì)算工況

本文采用有限元方法對(duì)定、轉(zhuǎn)子氣隙的計(jì)算進(jìn)行了模擬，文中考慮了定、轉(zhuǎn)子在額定運(yùn)行和靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)受到的各種載荷，給出精確的氣隙調(diào)整值以保證在額定運(yùn)行工況中氣隙能夠和設(shè)計(jì)值吻合，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

以某抽水蓄能機(jī)組為例，考慮了如下的工況進(jìn)行氣隙調(diào)整值的計(jì)算：

（1）過(guò)速實(shí)驗(yàn)時(shí)磁軛的殘余變形計(jì)算；

（2）靜止工況時(shí)由于重力和熱打鍵導(dǎo)致的磁軛膨脹量計(jì)算；

（3）額定工況時(shí)在重力、熱打鍵、轉(zhuǎn)速和溫度載荷的作用下磁軛膨脹量計(jì)算；

（4）額定工況時(shí)在扭矩和溫度載荷的作用下定子鐵心膨脹量計(jì)算。

2 各個(gè)工況計(jì)算結(jié)果

2.1 轉(zhuǎn)子部分的計(jì)算

（2）靜止工況磁軛的徑向變形計(jì)算

圖1 靜止工況轉(zhuǎn)子支架和磁軛徑向變形分布

圖2 靜止工況下磁軛外圓徑向變形值沿軸向分布曲線(xiàn)

（3）額定工況磁軛的徑向變形計(jì)算

圖3 額定工況在溫度載荷K的作用下磁軛徑向變形分布

圖4 額定工況（不包含溫度）磁軛變形徑向分布

圖5 額定工況（不包含溫度）磁軛外圓徑向變形值沿軸向分布曲線(xiàn)

圖6 額定工況（將溫度和磁軛殘余變形計(jì)在內(nèi)）磁軛外圓徑向變形值沿軸向分布曲線(xiàn)

2.2 定子部分的計(jì)算

3 結(jié)果匯總

通過(guò)以上的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，定、轉(zhuǎn)子在運(yùn)行工況時(shí)其徑向變形在對(duì)應(yīng)的軸向坐標(biāo)上并非是一個(gè)均勻值，但由于氣隙安裝的調(diào)整方式和結(jié)構(gòu)型式的原因，在進(jìn)行氣隙調(diào)整時(shí)按照一個(gè)平均值對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行調(diào)整，如表1定、轉(zhuǎn)子氣隙的調(diào)整平均值所示。

圖7 額定工況下定子鐵心的徑向變形分布

圖8 額定工況下定子鐵心徑向變形值沿軸向分布曲線(xiàn)

表1 氣隙調(diào)整平均值

注：表中轉(zhuǎn)子額定工況磁軛外圓的徑向變形值=轉(zhuǎn)子在額定工況下由重力、扭矩和額定轉(zhuǎn)速引起的磁軛變形+由溫差引起的磁軛變形+由殘余變形引起的磁軛變形。

將定、轉(zhuǎn)子氣隙調(diào)整值按軸向變化的曲線(xiàn)與氣隙調(diào)整平均值放在同一曲線(xiàn)圖內(nèi)作對(duì)比參考來(lái)看，可以看出兩個(gè)曲線(xiàn)之間的最大偏差值為0.28mm，這個(gè)偏差值與氣隙（39mm）相比誤差在0.7%，這個(gè)偏差可以被接受，故在按照氣隙調(diào)整平均值進(jìn)行安裝完全滿(mǎn)足要求。

圖9 定、轉(zhuǎn)子氣隙調(diào)整值按軸向變化的曲線(xiàn)與氣隙調(diào)整平均值對(duì)比

[1] 白延年水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982: 289-305.

[2] 王國(guó)強(qiáng). 實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M]. 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2001: 48-77.

The Analysis of Air Gap Between Stator and Rotor Adjustment for Pumped-storage Machine

YI Ran, LAN Bo, YANG Guochang

（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

The air gap between stator and rotor is very important for pumped-storage machine stability and various parameter. The stator and rotor model is created by finite element program. The boundary condition is suitable to simulate the calculation model. The installed value of air gap is calculated by the pumped-storage machine installation sequence. The calculation is ensure to the air gap satisfying the design valure.

pumped-storage machine; air gap; finite element method

TM312

A

1000-3983(2014)03-0019-03

抽水蓄能?chē)?guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAF03B02)大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)研制

2013-08-17

衣然（1981-），2003年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度、振動(dòng)分析工作，工程師。

審稿人：李志和