摘 要：對(duì)某大容量水輪水電機(jī)的定子鐵心翹曲問(wèn)題進(jìn)行了分析，研究了溫升和運(yùn)行載荷對(duì)鐵心翹曲的影響程度。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定子鐵心翹曲主要是由定子鐵心和機(jī)座間的溫差引起的。

關(guān)鍵詞：大容量水輪發(fā)電機(jī)；環(huán)向應(yīng)力；鐵心翹曲

1 概述

水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心是定子的重要部件，由鐵心沖片、通風(fēng)槽片、定位筋、齒壓板、拉緊螺桿及固定片等零部件裝壓而成。在水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于溫升和結(jié)構(gòu)等因素的影響，定子鐵心可能會(huì)產(chǎn)生沿環(huán)向的波浪形變形，稱(chēng)為定子鐵心的翹曲變形。

為盡力避免定子鐵心翹曲的發(fā)生，需要從根本上分析各種可能導(dǎo)致定子鐵心發(fā)生翹曲的因素，在機(jī)組前期設(shè)計(jì)中最大程度的減少各種因素的影響。

根據(jù)理論分析及經(jīng)驗(yàn)，定子鐵心的環(huán)向應(yīng)力是導(dǎo)致定子鐵心發(fā)生翹曲的主要原因，而影響環(huán)向應(yīng)力大小的因素主要有機(jī)座溫升和定位筋個(gè)數(shù)等。

文章以某大容量水輪發(fā)電機(jī)組為基礎(chǔ)，計(jì)算比較了機(jī)座與鐵心溫差不同時(shí)定子鐵心環(huán)向應(yīng)力的變化情況。

2 機(jī)組結(jié)構(gòu)及參數(shù)

某大容量水輪發(fā)電機(jī)容量為550MW，定子鐵心外直徑為12782mm，內(nèi)直徑為11810mm。定子機(jī)座用螺栓和徑向鍵固定在基礎(chǔ)板上。定子支墩共16個(gè)，均勻分布。定子鐵心受熱膨脹時(shí)，機(jī)座可沿徑向鍵移動(dòng)。徑向鍵同時(shí)限制機(jī)座切向位移以承受發(fā)電機(jī)受到的電磁扭矩。機(jī)座沿圓周位置分布81個(gè)定位筋。

3 有限元模型描述

定子的有限元模型見(jiàn)圖1。鐵心和定位筋采用實(shí)體單元，機(jī)座采用殼單元，鐵心和機(jī)座分別與定位筋直接相連。

定子整體為直支臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)邊界條件及載荷設(shè)置如下：（1）定子支墩處約束環(huán)向和軸向自由度，允許徑向有位移；（2）考慮定子機(jī)座和鐵心溫升；（3）鐵心內(nèi)圓施加偏心磁拉力和額定扭矩。

4 溫升對(duì)定子鐵心翹曲的影響

引起定子鐵心翹曲的環(huán)向壓應(yīng)力主要由偏心磁拉力以及定子機(jī)座和鐵心間溫差引起的熱膨脹不均產(chǎn)生。因此在計(jì)算中主要考慮的載荷為溫升和偏心磁拉力。

為分析比較不同溫升對(duì)定子的應(yīng)力和變形、鐵心環(huán)向應(yīng)力的影響，分別進(jìn)行了以下四種工況下的定子有限元計(jì)算：（1）鐵心內(nèi)圓溫度70℃，機(jī)座外壁溫度35℃，只考慮溫升作用。（2）鐵心內(nèi)圓溫度70℃，機(jī)座外壁溫度35℃，考慮偏心磁拉力和額定扭矩。（3）鐵心內(nèi)圓溫度65℃，機(jī)座外壁溫度35℃，考慮偏心磁拉力和額定扭矩。（4）鐵心內(nèi)圓溫度60℃，機(jī)座外壁溫度35℃，考慮偏心磁拉力和額定扭矩。

4.1 只考慮溫升

為進(jìn)行溫升作用和磁拉力作用對(duì)定子鐵心環(huán)向應(yīng)力的影響比較，進(jìn)行了工況1的計(jì)算，只考慮了溫升引起的熱應(yīng)力。計(jì)算得到，鐵心徑向變形為3.529mm；鐵心環(huán)向壓應(yīng)力為17.193MPa，見(jiàn)圖2。

4.2 工況2計(jì)算結(jié)果

考慮溫升，鐵心內(nèi)圓溫度70℃，機(jī)座外壁溫度35℃，在鐵心內(nèi)圓施加偏心磁拉力和額定扭矩。計(jì)算得到，鐵心徑向變形為3.688mm；鐵心環(huán)向壓應(yīng)力為20.612MPa，見(jiàn)圖3。

4.3 工況3計(jì)算結(jié)果

考慮溫升，鐵心內(nèi)圓溫度65℃，機(jī)座外壁溫度35℃，在鐵心內(nèi)圓施加偏心磁拉力和額定扭矩。計(jì)算得到，鐵心徑向變形為3.342mm；鐵心環(huán)向壓應(yīng)力為18.536MPa，見(jiàn)圖4。

4.4 工況4計(jì)算結(jié)果

考慮溫升，鐵心內(nèi)圓溫度60℃，機(jī)座外壁溫度35℃，在鐵心內(nèi)圓施加偏心磁拉力和扭矩。計(jì)算得到，鐵心徑向變形為2.996mm；鐵心環(huán)向壓應(yīng)力為16.46MPa，見(jiàn)圖5。

5 定子鐵心翹曲臨界應(yīng)力計(jì)算

定子鐵心翹曲臨界應(yīng)力由以下公式計(jì)算得到：

式中，k為疊壓彈性基礎(chǔ)剛度，E為鐵心等效彈性模量，b為鐵心高度，h為鐵心沖片單片厚度。

由上述公式計(jì)算得到定子鐵心屈曲穩(wěn)定性臨界應(yīng)力為70.046MPa。

6 結(jié)果對(duì)比及分析

四種工況下定子最大綜合應(yīng)力、機(jī)座最大徑向變形、鐵心最大徑向變形、鐵心環(huán)向壓應(yīng)力結(jié)果如表1所示。

對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到兩條結(jié)論：（1）使鐵心產(chǎn)生翹曲的環(huán)向壓應(yīng)力主要由于溫升引起。機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程中的其它載荷如偏心磁拉力和扭矩產(chǎn)生的鐵心環(huán)向應(yīng)力與溫升相比屬于小值。（2）機(jī)座和鐵心溫度相差越大，鐵心環(huán)向壓應(yīng)力也越大，鐵心就容易產(chǎn)生翹曲。

7 結(jié)束語(yǔ)

定子機(jī)座和鐵心溫升對(duì)定子的變形、綜合應(yīng)力有很大的影響。使鐵心產(chǎn)生翹曲的環(huán)向壓應(yīng)力主要是由于定子鐵心和機(jī)座間的溫差引起的。機(jī)座和鐵心溫差越大，鐵心環(huán)向壓應(yīng)力也越大，鐵心就容易產(chǎn)生翹曲。因此，在定子的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分提高定子運(yùn)行過(guò)程中的通風(fēng)性能，使定子的各個(gè)部件溫升平穩(wěn)分布，從而降低鐵心的環(huán)向應(yīng)力，減小鐵心發(fā)生翹曲的可能性。