柳　菲，蘭　波

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

空冷185 MW 60 Hz汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)及中心環(huán)有限元計(jì)算

柳菲，蘭波

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)是用來保護(hù)和固定端部的轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子線圈兩端外側(cè)，則依靠與護(hù)環(huán)配合的中心環(huán)來遏止其在軸向的移動(dòng)。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，護(hù)環(huán)-中心環(huán)的支撐結(jié)構(gòu)避免了轉(zhuǎn)子繞組的徑向移動(dòng)，同時(shí)也承受著強(qiáng)大離心力和熱膨脹力，所以對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)來說，護(hù)環(huán)和中心環(huán)的分析十分重要。文中以哈爾濱電機(jī)廠全新開發(fā)的空冷系列機(jī)組中的185 MW 60 Hz汽輪發(fā)電機(jī)為例，針對(duì)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)及中心環(huán)的應(yīng)力進(jìn)行有限元分析計(jì)算，供汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：空冷60 Hz汽輪發(fā)電機(jī)；護(hù)環(huán)及中心環(huán)；有限元計(jì)算

0引言

護(hù)環(huán)的作用是承受勵(lì)磁繞組端部在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，使之不致因徑向位移而使絕緣損壞。轉(zhuǎn)子上護(hù)環(huán)的直徑最大，既是汽輪發(fā)電機(jī)中承受應(yīng)力最大的部件，也是最重要的部件。中心環(huán)不僅支撐住護(hù)環(huán)，保持護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)軸同心，還由于它阻止端部繞組的軸向位移，又起到了防止護(hù)環(huán)變成橢圓的作用。以哈爾濱電機(jī)廠全新開發(fā)的空冷系列機(jī)組中的185 MW 60 Hz汽輪發(fā)電機(jī)為例，針對(duì)護(hù)環(huán)和中心環(huán)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算。

1基本數(shù)據(jù)

名稱符號(hào)數(shù)值額定轉(zhuǎn)速/r·min-1nN3600超速轉(zhuǎn)速/r·min-1nr4320轉(zhuǎn)子銅線最大溫度/℃ΔT115護(hù)環(huán)材料型號(hào)1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)屈服極限/MPaσ11070轉(zhuǎn)子材料型號(hào)25Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子屈服極限/MPaσ2660轉(zhuǎn)子強(qiáng)度極限/MPaσb740中心環(huán)材料型號(hào)25Cr2Ni4MoV中心環(huán)屈服極限/MPaσ3660

2材料力學(xué)性能及考核工況

2.1材料機(jī)械及力學(xué)性能

部件名稱材料名稱熱膨脹系數(shù)密度/kg·m-3護(hù)環(huán)1Mn18Cr18N1.6×10-57.85×103本體及中心環(huán)25Cr2Ni4MoV1.1×10-57.85×103

2.2考核工況

計(jì)算工況轉(zhuǎn)速/r·min-1計(jì)算溫度/℃端部線圈離心力作用對(duì)護(hù)環(huán)產(chǎn)生的壓力/MPa靜止000額定360011533.0超速432011547.5

2.3接觸面剛度系數(shù)：FKN=0.1

2.4接觸面摩擦因數(shù)：μ=0.1

3有限元模型描述及緊量確定

3.1有限元模型描述

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性特點(diǎn)，建立1/2護(hù)環(huán)模型。轉(zhuǎn)子及中心環(huán)與護(hù)環(huán)間過盈配合通過建立接觸單元實(shí)現(xiàn)，護(hù)環(huán)接觸面采用CONTACT174單元，轉(zhuǎn)子齒頭及中心環(huán)目標(biāo)面采用TARGET169單元。轉(zhuǎn)子及中心環(huán)與護(hù)環(huán)有限元模型示意圖(見圖1)。

圖1　有限元模型示意圖

3.2配合緊量數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果

護(hù)環(huán)與齒部接觸位置節(jié)點(diǎn)平均徑向位移:1.74 mm

齒部接觸位置節(jié)點(diǎn)平均徑向位移: 0.139 mm

護(hù)環(huán)與齒部雙邊配合緊量(直徑方向):

(1.74-0.139+0.25)×2=4.34 mm

護(hù)環(huán)與中心環(huán)接觸位置節(jié)點(diǎn)平均徑向位移:

2.16 mm

中心環(huán)接觸位置節(jié)點(diǎn)平均徑向位移：0.713 mm

護(hù)環(huán)與中心環(huán)雙邊配合緊量(直徑方向):

(2.16-0.713+0.05)×2=2.994 mm

(注：緊量計(jì)算中0.25 mm，0.05 mm代表過盈量安全裕度。)

3.3分離轉(zhuǎn)速工況下轉(zhuǎn)速結(jié)果

冷態(tài)分離:大于4 520 r/min

熱態(tài)分離:大于4 420 r/min

為加深學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的印象，使學(xué)生深刻理解、靈活應(yīng)用物理知識(shí)，更好的提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shí)驗(yàn)素養(yǎng)，當(dāng)做完演示實(shí)驗(yàn)后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新.一方面，要求學(xué)生充分理解實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行創(chuàng)新，盡量在不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，提高實(shí)驗(yàn)效果.另一方面，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)器材入手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新，降低實(shí)驗(yàn)難度的同時(shí)，更加容易得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

4分析說明

護(hù)環(huán)緊量施加于模型，護(hù)環(huán)與本體齒部直徑方向的配合緊量根據(jù)計(jì)算，確定為4.34 mm。護(hù)環(huán)與中心環(huán)直徑方向的配合緊量根據(jù)計(jì)算，確定為3.868 mm。額定運(yùn)行和超速工況均考慮運(yùn)行狀態(tài)護(hù)環(huán)的最大溫度為115°C。

靜止?fàn)顟B(tài)護(hù)環(huán)應(yīng)力是由過盈配合引起的；在3 600 r/min時(shí)，應(yīng)力是由剩余公盈，護(hù)環(huán)自身離心力及線圈離心力產(chǎn)生的；在4 320 r/min時(shí)，應(yīng)力主要由護(hù)環(huán)和線圈離心力產(chǎn)生。

護(hù)環(huán)與本體配合按照4.34 mm配合，會(huì)在本體齒根處產(chǎn)生非常大的壓應(yīng)力，而且會(huì)產(chǎn)生很大范圍的塑性變形(見圖2)，因此配合緊量按照漸變方式設(shè)計(jì)，計(jì)算緊量說明(見圖3)。

圖2　塑性變形圖

圖3　計(jì)算緊量圖

5 設(shè)計(jì)配合緊量下有限元應(yīng)力計(jì)算

1)靜止工況有限元分析計(jì)算結(jié)果(見圖4、圖5、圖6及圖7。)

圖4　靜止工況護(hù)環(huán)綜合應(yīng)力分布

圖5　靜止工況本體綜合應(yīng)力分布

圖6　靜止工況環(huán)向應(yīng)力分布

圖7　靜止工況中心環(huán)綜合應(yīng)力分布

2)額定工況有限元分析計(jì)算結(jié)果(見圖8、圖9、圖10及圖11)。

圖8　額定工況整體綜合應(yīng)力分布

圖9　額定工況護(hù)環(huán)綜合應(yīng)力分布

圖10　額定工況本體齒部壓應(yīng)力分布

圖11　額定工況中心環(huán)綜合應(yīng)力分布

3)超速工況有限元分析計(jì)算結(jié)果(見圖12、圖13、圖14及圖15)。

圖12　超速工況整體綜合應(yīng)力分布

圖13　超速工況本體齒部綜合應(yīng)力分布

圖14　超速工況護(hù)環(huán)綜合應(yīng)力分布

圖15　超速工況中心環(huán)綜合應(yīng)力分布

6有限元計(jì)算結(jié)果

表1　護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2)中心環(huán)在設(shè)計(jì)配合緊量下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2　中心環(huán)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

7齒部疲勞分析

根據(jù)齒部分析結(jié)果，靜止工況，齒根壓應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)號(hào)為51 236，壓應(yīng)力數(shù)值為779 MPa。此節(jié)點(diǎn)在額定工況下壓應(yīng)力數(shù)值為74 MPa。按照起停機(jī)循環(huán)10 000次的要求，計(jì)算齒根的疲勞壽命。由于壓應(yīng)力超過材料屈服極限，因此齒根壽命屬于低周疲勞。在每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中均有一定量的塑性變形。按照由靜止工況到額定工況作為一個(gè)循環(huán)，計(jì)算起停機(jī)疲勞壽命。

計(jì)算表達(dá)式:

式中：護(hù)環(huán)的彈性模量：E=1.9×105MPa

疲勞極限幅值(單軸，拉壓)：σF=0.23×(σs+σb)=246.1 MPa

斷面收縮率：φ=52%

材料塑性指數(shù)：α=0.556

最終計(jì)算結(jié)果，起停機(jī)循環(huán)次數(shù)為：33 370次。

8結(jié)語

1)冷態(tài)分離轉(zhuǎn)速大于4 520 r/min，熱態(tài)(115℃)分離轉(zhuǎn)速大于4 420 r/min。

2)護(hù)環(huán)應(yīng)力均滿足要求，中心環(huán)應(yīng)力均滿足要求。

3)齒根應(yīng)力在靜止工況下，局部超過材料屈服極限，結(jié)構(gòu)為有限壽命，且為低周疲勞。按照疲勞考核齒根壽命，從靜止工況到額定工況作為一個(gè)循環(huán)，齒根壽命為33 370次，按照合同要求能夠滿足10 000次起停機(jī)要求。

作者簡(jiǎn)介:

柳菲，男，1984年生，本科，工程師，2005年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，電器工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)部從事汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作。