田海平，黃波，張軍

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

大型水輪發(fā)電機斜立筋定子機座運行特性分析

田海平，黃波，張軍

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

針對目前已投運的大型水輪發(fā)電機斜立筋定子機座在運行時均出現(xiàn)振動超標的問題。斜立筋結(jié)構(gòu)定子機座在振動超標的情況下，其安全性能否得到保證成為發(fā)電企業(yè)關(guān)心的重點問題，本文對大型水輪發(fā)電機斜立筋定子機座進行運行特性分析，為該型定子機座的運行提供參考。

水輪發(fā)電機；斜立筋；定子機座；振動；安全評價

斜立筋結(jié)構(gòu)定子機座一般應(yīng)用于大型水輪發(fā)電機，其定子機座直徑一般超過Φ10 m，國家振動標準推薦的定子機座水平振動的限值根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同一般為20～40 μm，而投運的斜立筋定子機座振動幅值一般超過100 μm，振動超標問題突出[1－3]。

斜立筋定子機座在安裝完畢后結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力已經(jīng)形成，僅試驗的方式難以獲得實際運行狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)，為此文章介紹了采用三維有限元數(shù)值計算結(jié)合現(xiàn)場試驗的方式探討斜立筋結(jié)構(gòu)定子機座的變形和受力狀態(tài)，從受力和變形的角度探討斜立筋結(jié)構(gòu)定子機座的運行特性。

1 定子機座振動現(xiàn)狀

某電站大型斜立筋定子機座由14個斜立筋支撐，斜立筋高度5.25 m，定子機座外殼最大直徑Φ17.17 m，分瓣運輸，現(xiàn)場組裝疊片。定子機座總重87.45 t，定子鐵芯外徑為Φ15 880 mm，內(nèi)徑為15 000 mm，鐵芯高度為2 540 mm，鐵芯及附件總重411.95 t。

通過現(xiàn)場試驗得到該定子機座在不同工況下的水平振動幅值，結(jié)果如表1。定子機座斜立筋水平振動隨轉(zhuǎn)速的上升而上升，額定轉(zhuǎn)速工況振動幅值為19.05μm。變勵磁工況，隨著勵磁電壓增加，定子機座振動幅值顯著增大，額定勵磁電壓工況振動幅值達到319.90 μm，勵磁電壓對定子機座振動幅值有顯著影響。變負荷工況，定子機座振動幅值隨負荷增加有減小趨勢，在額定負荷工況，定子機座振動幅值為233.70 μm。

表1 斜立筋定子機座振動試驗結(jié)果

大型斜立筋結(jié)構(gòu)定子機座機組轉(zhuǎn)速一般小于100 r/min，按照文獻〔4—5〕GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》、GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》定子機座水平振動限值為40 μm。按照現(xiàn)行標準，該定子機座除了在額定轉(zhuǎn)速工況合格外，額定勵磁電壓工況、帶負荷工況均嚴重超標。

2 有限元計算

2.1 計算模型

根據(jù)定子機座實際尺寸建立三維有限元模型，由于定子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時對細部結(jié)構(gòu)進行了簡化，對結(jié)構(gòu)受力影響甚微的結(jié)構(gòu)忽略，如螺栓、墊圈、附著管線、結(jié)構(gòu)倒角等。對空冷器、定子鐵芯等對定子機座結(jié)構(gòu)受力有重要影響的部件采用等質(zhì)量簡化，在空冷器安裝范圍內(nèi)將其質(zhì)量均勻附著于機座外面板表面，確保質(zhì)量平衡；將定子鐵芯簡化為均質(zhì)體，忽略其間的通風(fēng)溝槽、間隙等，建立的定子機座及鐵芯的三維實體模型如圖1所示。

圖1 定子機座三維模型

2.2 靜力計算

實際結(jié)構(gòu)中定子機座底部固定于基礎(chǔ)版，頂部通過螺栓與上機架連接，上機架與風(fēng)罩內(nèi)壁采用豎向鍵定位通過徑向螺栓固定，計算中機座底部采用全約束。機座頂部采用切向、豎向和徑向位移約束，這主要考慮上機架對定子機座的約束作用。靜力計算主要考慮結(jié)構(gòu)自重、電磁力和溫度作用，計算獲得了機組在額定負荷溫升工況正常運行工況。對定子機座主受力部位斜立筋(如圖2)的變形和應(yīng)力進行了分析。

溫度是定子機座運行時的主要荷載，對結(jié)構(gòu)受力有顯著影響〔6〕。溫度只有在溫度發(fā)生變化時才能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力的作用，實測現(xiàn)場環(huán)境平均溫度為20℃，機組長時間運行后穩(wěn)定的鐵芯溫度為51℃，經(jīng)溫度場計算獲得定子機座及鐵芯溫升溫度場如圖2。

圖2 機組運行定子機座及鐵芯溫升溫度場

額定負荷溫升工況計算獲得斜立筋的位移及應(yīng)力情況見表2，3，斜立筋結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布如圖3。斜立筋總位移量3.828～3.984 mm，均值3.878 mm，在鐵芯高度范圍的斜立筋位移量沿高度方向分布均勻較均值偏差－1.28%～2.74%，斜立筋在內(nèi)測鐵芯溫升向外膨脹后，斜立筋本身存在水平順時針向的轉(zhuǎn)動，自重、電磁力和溫度各分量對位移的貢獻量占比分別為2%、11%、87%。斜立筋鐵芯高度范圍應(yīng)力幅值32.770～95.399 MPa，上下環(huán)板處應(yīng)力大、中部應(yīng)力小，靠鐵芯內(nèi)側(cè)的應(yīng)力較大，外側(cè)偏小，自重、電磁力和溫度因素引起的應(yīng)力在斜立筋內(nèi)側(cè)所占比例為5%～15%、10%～18%、68%～83%。通過靜力分析，溫度因素是定子機座受力、變形的主要因素，起著控制作用。

圖3 額定負荷溫升工況斜立筋位移及應(yīng)力云圖

表2 額定負荷溫升工況斜立筋位移情況

表3 額定負荷溫升工況斜立筋應(yīng)力

3 現(xiàn)場試驗

3.1 機座變形監(jiān)測

安裝了電渦流傳感器監(jiān)測斜立筋定子機座的位移情況，測點布置情況如圖4。由于電渦流要固定在相對靜止的支點上，受現(xiàn)場條件限制電渦流傳感器安裝高度離基礎(chǔ)板距離為1300 mm，由于計算表明斜立筋在鐵芯部位的變形均勻，因此可以以此點的變形量來反映斜立筋鐵芯部位的變形量。在現(xiàn)場＋X、－Y2個方向布置了4支電渦流傳感器，垂直于斜立筋平面的測點稱為斜立筋側(cè)向測點，沿斜立筋平面方向的測點稱為斜立筋高度向測點，斜立筋位移監(jiān)測結(jié)果見表4。

變勵磁工況，隨勵磁電壓增加＋X、－Y方位斜立筋高度向間隙增加，斜立筋側(cè)向間隙減小。變負荷工況，隨負荷增加增加＋X，－Y方位斜立筋高度向間隙增加，斜立筋側(cè)向間隙減小。

測試溫度對定子機座的影響首先要排除機械、電磁作用的影響，歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該斜立筋定子機座溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)需約3 h時間左右。為分析溫度對定子機座斜立筋位移的影響對比測試了兩種情況下斜立筋位移:剛達到額定負荷工況和機組在額定負荷工況連續(xù)運行3 h后斜立筋的位移狀況，開機時和運行3.5 h停機后斜立筋位移情況。試驗結(jié)果表明，溫度作用下定子機座整體呈“外脹”趨勢，斜立筋在水平向呈現(xiàn)出圍繞機組中心線俯視順時針向的旋轉(zhuǎn)的趨勢，這與計算獲得的位移方向和趨勢是一致的。

表4 變勵磁工況斜立筋位移μm

圖4 斜立筋電渦流位移測點布置示意圖

3.2 機座穩(wěn)態(tài)工況應(yīng)力監(jiān)測

3.2.1 變勵磁工況

變勵磁工況斜立筋各測點應(yīng)力結(jié)果見表5。斜立筋－Y方位上部豎直向應(yīng)變片無信號。試驗結(jié)果表明，同為兩個方位的斜立筋雖然結(jié)構(gòu)尺寸、安放角度一致，但其受力狀況存在較大差異。定子機座－Y方位斜立筋應(yīng)力整體上較＋X方位斜立筋大1倍左右，各斜立筋同部位豎直向和水平向的應(yīng)力大小相當(dāng)。＋X向斜立筋測點位置應(yīng)力以受壓為主，同一勵磁電壓條件下斜立筋應(yīng)力從上部到下部應(yīng)力大小呈遞減趨勢，不同勵磁電壓條件下，同一測點應(yīng)力大小相當(dāng)。－Y向斜立筋上部、中部測點位置應(yīng)力以受壓為主，下部測點為位置應(yīng)力以受拉為主，同一勵磁電壓條件下斜立筋應(yīng)力從上部到下部應(yīng)力大小呈遞減趨勢，同一測點應(yīng)力大小隨勵磁電壓的增加而增大。

表5 變勵磁工況斜立筋應(yīng)力MPa

3.2.2 變負荷工況

變負荷工況斜立筋各測點應(yīng)力結(jié)果見表6。斜立筋－Y方位上部豎直向應(yīng)變片無信號。試驗結(jié)果表明，機組帶負荷運行后斜立筋測點位置的應(yīng)力均出現(xiàn)由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢。＋X、－Y兩個方位斜立筋上、中部豎直向、水平向測點應(yīng)力大小均隨機組負荷增大而減小，下部應(yīng)力隨機組負荷增大拉應(yīng)力逐漸增大趨勢。

最小負荷工況斜立筋應(yīng)力大小隨高度的降低而減小，最高負荷工況下斜立筋下部應(yīng)力最大，上部應(yīng)力次之，中部應(yīng)力最小。變負荷工況，同一負荷條件下，＋X向豎直向和水平應(yīng)力大小相當(dāng)；－Y向中部應(yīng)力水平向和豎直向應(yīng)力存在較大差異，水平向是豎直向的2倍左右。測試結(jié)果說明＋X方位斜立筋的受力基本上達到了采用斜立筋結(jié)構(gòu)保證斜立筋受力小且均勻的目的。

表6 變負荷工況斜立筋應(yīng)力結(jié)果MPa

4 斜立筋定子機座強度分析

斜立筋定子機座材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度，強度是衡量結(jié)構(gòu)部件本身承載能力(即抵抗失效能力)的重要指標，是機械零部件應(yīng)滿足的基本要求。參照文獻〔7〕，由有限元法得到的應(yīng)力分析結(jié)果，局部應(yīng)力值可超屈服強度的1/3，且在正常工作條件下最大應(yīng)力不得超過材料屈服強度的2/3，特殊工況條件下最大應(yīng)力不得超過材料的屈服強度，該定子機座斜立筋材料為Q345B，屈服強度345 MPa。

計算結(jié)果表明，在常遇正常運行溫升工況，斜立筋結(jié)構(gòu)大部分應(yīng)力在20 MPa以內(nèi)，只在上下環(huán)板、基礎(chǔ)部位應(yīng)力較大，一般小于60 MPa，小于1/3的屈服應(yīng)力(115 MPa)；在局部極小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力超過100 MPa，最大183 MPa，小于2/3的屈服應(yīng)力(230 MPa)。現(xiàn)場實測的斜立筋最大的應(yīng)力值為17.71 MPa，僅為斜立筋屈服強度的5.45%，表明斜立筋結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平低，其強度滿足要求。

5 結(jié)論

通過對大型斜立筋定子機座進行三維有限元數(shù)值分析和原型試驗，進行了振動、受力、變形分析，得出了該型定子機座運行特性:

1)斜立筋定子機座的受力變形特點。能將鐵芯徑向的熱變形轉(zhuǎn)化為機座斜立筋的扭轉(zhuǎn)位移，使基礎(chǔ)的應(yīng)力水平較低；鐵芯部位的斜立筋變形均勻能保證定子的同心度和圓度，有效地防止鐵芯翹曲變形。

2)定子機座斜立筋的在結(jié)構(gòu)受力上較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，電磁扭矩和溫度對斜立筋產(chǎn)生的應(yīng)力在正常運行中能自行相抵，使斜立筋整體處于低應(yīng)力水平，實測斜立筋在正常運行工況最大應(yīng)力為17.71 MPa。

3)溫度對斜立筋定子機座的應(yīng)力和變形起決定作用，是控制因素，額定負荷運行溫升工況，計算和實測溫度引起的斜立筋變形占總變形量的70%以上，對應(yīng)力的貢獻量超過60%。

4)斜立筋定子機座在按照現(xiàn)行標準其振動幅值超標，其強度指標合格并有較大的安全裕度。

〔1〕王鵬宇，孔德寧，胡鎮(zhèn)良，等.巨型水輪發(fā)電機定子機座水平振動探討〔J〕.水電站機電技術(shù)，2011，34(5):29-32.

〔2〕王鵬宇，馬躍東.龍灘水電站700 MW全空冷水輪發(fā)電機運行分析〔J〕.水力發(fā)電，2010，36(1):77-79.

〔3〕劉文進.三峽左岸電站700 MW水輪發(fā)電機定子引進技術(shù)〔J〕.上海電氣技術(shù)，2012，5(1):16-22.

〔4〕中國電力企業(yè)聯(lián)合會標準化中心.水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范:GB/T8564—2003〔S〕.北京:中國標準出版社，2003.

〔5〕全國旋轉(zhuǎn)電機標準化技術(shù)委員會發(fā)電機分技術(shù)委員會.水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件:GB/T 7894—2009〔S〕.北京:中國標準出版社，2009.

〔6〕付敏，孔祥春.水輪發(fā)電機定子三維溫度場的有限元計算〔J〕.電機與控制學(xué)報，2000，4(4):193-197.

〔7〕全國水輪機標準化技術(shù)委員會.水輪機基本技術(shù)條件:GB/ T15468—2006〔S〕.北京:中國標準出版社，2006.

Operational characteristics analysis of large hydro-generator skew rib stator frame

TIAN Haiping，HUANG Bo，ZHANG Jun
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

At present，the skew rib stator frame of large hydro-generator under operation subjects to above the standard problems of vibration at runtime frequently，and whether its safety can be guaranteed gains the extensive attention by power generation enterprises.This paper analyzed the operational characteristics of large hydro-generator skew rib stator frame in order to provide references for the same type of stator frame at running time.

hydro-generator；skew rib；stator frame；vibration；safety evaluation

TM312

A

1008-0198(2017)01-0059-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.015

2016-07-07 改回日期:2016-12-17