徐子開，徐余法，楊楠，紀(jì)海燕

（1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海200240；2上海第二工業(yè)大學(xué)，上海201209）

1 200 MW汽輪發(fā)電機(jī)定子端部線圈3D建模方法的研究

徐子開1，徐余法2，楊楠1，紀(jì)海燕1

（1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海200240；2上海第二工業(yè)大學(xué)，上海201209）

大型汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)件的損耗已成為其設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的重要問題之一。但由于定子線圈端部復(fù)雜，二維分析難以滿足工程的精度要求，因此，提出了采用Siemens NX軟件對(duì)1200 MW汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈端部進(jìn)行三維建模的方法，得到了更加符合工程實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型，能精確地進(jìn)行計(jì)算和仿真，為端部電磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)的分析和計(jì)算奠定了良好的基礎(chǔ)。

汽輪發(fā)電機(jī)；定子端部線圈；Siemens NX；3D建模

隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增加，其定子線負(fù)荷增高，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端部區(qū)域的磁密增加，定子繞組電流密度增大，出現(xiàn)了渦流損耗的上升，使發(fā)電機(jī)端部局部溫升過高，影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。汽輪發(fā)電機(jī)的定子繞組放在鐵心內(nèi)圓的定子槽內(nèi)，它處于旋轉(zhuǎn)變化的磁場(chǎng)中，感應(yīng)出高電壓、大電流，并輸出到電網(wǎng)，因此，它是發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換、輸出電能的關(guān)鍵部位，也是發(fā)電機(jī)損耗發(fā)熱最大部件之一，不僅造成了發(fā)電機(jī)效率降低，還會(huì)影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 200 MW汽輪發(fā)電機(jī)的定子繞組為雙層繞組，上、下層線棒的直線部分埋于槽內(nèi)，由槽楔、波紋板等固定；線棒端部結(jié)構(gòu)為籃式。為了增大上、下層鼻端接頭的空間，常采用不同的錐度。帶錐度籃式端部的線圈與鐵心端部壓圈等結(jié)構(gòu)件的距離比較遠(yuǎn)，這樣附加的損耗也較小。每個(gè)線棒在端部錐面上以漸開線形式展開彎曲成形。

由于定子繞組端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，早期大部分都是用近似的二維作圖法或平面漸伸線計(jì)算來確定尺寸的，得到的近似值精度較低，計(jì)算步驟過多，二維分析難以達(dá)到實(shí)際工程要求，無(wú)法對(duì)發(fā)電機(jī)端部電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、渦流場(chǎng)進(jìn)行分析和精確計(jì)算。因此，本文基于Siemens NX軟件對(duì)1 200 MW汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部進(jìn)行三維建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)，NX是一個(gè)交互式CAD/CAM系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)各種實(shí)體及造型的構(gòu)建，它具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，能準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)意圖，參數(shù)化模型易于修改和重用。

1 線棒結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，線棒主要由三部分組成，分別為勵(lì)端端部、汽端端部和直線部分。其中，汽端與勵(lì)端結(jié)構(gòu)相似，它們都包含了端部過渡部分、過渡圓弧、漸伸線段、過渡圓弧和端部的直線段，如圖2所示。1 200 MW汽輪發(fā)電機(jī)定子36槽、采用雙層繞組結(jié)構(gòu)，節(jié)距為14，其上、下線棒雖然在諸如漸伸線開始位置、過渡圓弧等數(shù)據(jù)上有所不同，但上層線棒與下層線棒之間僅有些許的尺寸差別，建模時(shí)可按模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)。1200 MW線棒上層線棒勵(lì)端折彎方向與下層線棒汽端折彎方向相同，上層線棒汽端的折彎方向與下層線棒勵(lì)端的折彎方向相同。因此，在建模的時(shí)候?yàn)榱吮阌诳焖俳⒕€棒模型，上、下層線棒的模型設(shè)計(jì)順序應(yīng)該相反。

圖1 線棒完整圖

圖2 線棒端部結(jié)構(gòu)圖

在3D建模過程中，通過工程圖紙的尺寸參數(shù)分別對(duì)漸伸線部、端部過渡端及直線部分進(jìn)行三維建模，首先利用Siemens NX軟件漸伸線重用庫(kù)功能及虛擬錐環(huán)的搭建完成漸伸線的建模，并根據(jù)圖紙對(duì)各過渡圓弧和過渡段作出了精確處理，再通過掃描命令完成定子線棒端部的實(shí)體建模。

2 線圈三維模型的建立

2.1 漸伸線部的建模

啟動(dòng)NX軟件，進(jìn)入三維建模環(huán)境，從重用庫(kù)中調(diào)用漸伸線方程（involute），并輸入基圓半徑r，將其放置到XY平面；進(jìn)入草圖創(chuàng)建界面，選取XY平面為草圖1放置平面，創(chuàng)建草圖，如圖3所示。在圖3中，基圓圓心與漸伸線開始圓圓心重合，參數(shù)如表1所示。在表1中，p0為實(shí)際線圈漸伸線開始處距圓心的距離；p1為線圈結(jié)束部分距圓心距離；φp2為漸伸線開始過渡圓弧直徑；φp3為漸伸線結(jié)束過渡圓弧直徑；A為線圈漸伸線所跨角度。

圖3 草圖1

表1 定子繞組參數(shù)

2.2 虛擬錐環(huán)的建立

錐環(huán)的建立目的是為了真實(shí)模擬線棒的端部形狀。本文針對(duì)的電機(jī)其線棒端部采用了籃式結(jié)構(gòu)，上層的所有線棒之間以及下層的所有線棒之間的錐角相同，因此，可以構(gòu)造錐環(huán)來為線棒端部定型。錐環(huán)的構(gòu)造過程為：過漸近線跨角的起始邊作一個(gè)垂直于草圖1的基準(zhǔn)面，并在此基準(zhǔn)面上作草圖2，如圖4所示。在圖4中，B為錐面轉(zhuǎn)軸跨角，為20°，虛線為錐環(huán)轉(zhuǎn)軸，p13=1 000 mm，為錐面長(zhǎng)度。最終回轉(zhuǎn)草圖，錐環(huán)模型搭建完成如圖5所示。

錐環(huán)完成后，將線棒漸開線部分所需的曲線用“纏繞曲線”命令投影到錐環(huán)上，纏繞曲線的目的是給端部漸伸線段建模時(shí)提供一條引導(dǎo)線，纏繞曲線的選取如圖6所示。

過纏繞曲線的起點(diǎn)作一個(gè)垂直于纏繞曲線的基準(zhǔn)平面，并在此基準(zhǔn)平面制作草圖3，如圖7所示。將草圖3作為掃掠截面，纏繞曲線為引導(dǎo)線，面為回轉(zhuǎn)得到的錐面，執(zhí)行掃掠命令最后得到掃掠體如圖8所示。

圖4 草圖2

圖5 錐環(huán)模型

圖6 纏繞曲線

圖7 草圖3

圖8 掃掠體

2.3 端部過渡段及直線部分的建模

利用草圖1的基準(zhǔn)平面制作草圖4，如圖9所示。在圖9中，虛線是發(fā)電機(jī)的中心軸，作一條虛線且與虛線距離為D的直線p44，然后在與水平線相交處作一半徑為Pr的倒圓角。倒圓角與直線相切的切點(diǎn)，即為直線部分的結(jié)束點(diǎn)。倒圓角如圖10所示。利用垂直于纏繞曲線的基準(zhǔn)平面制作草圖5，掃掠截面的尺寸如圖11所示。將端部過渡段及直線部分作為引導(dǎo)體進(jìn)行掃掠，如圖12所示，最后通過“求和”命令得到完整的單根定子線棒三維模型，如圖13所示。

圖9 草圖4

圖10 倒圓角

圖11 草圖5

圖12 過渡段及直線掃掠體

圖13 單根定子線棒三維模型

圖14 定子線圈端部三維模型

以上是根據(jù)上層線圈數(shù)據(jù)建立的上層線圈端部的三維模型，同理再根據(jù)以上過程建立下層線圈端部的三維模型，兩者組合在一起形成完整的端部三維線圈模型如圖14所示。

2.4 定子線棒三維建模注意事項(xiàng)

基于本次線棒建模使用的是“一體化”設(shè)計(jì)理念，因此，在模型搭建過程中，需要注意如下幾點(diǎn)：①我們所建立的模型應(yīng)該是要與圖紙精確匹配的，而不只是畫個(gè)大概，因此，對(duì)于模型的精度，必須注意圖紙與模型的尺寸關(guān)系。②畫線棒漸伸線段時(shí)，必須注意“掃略”里的定位方法，并非默認(rèn)的“fixed”，應(yīng)是改為“面的法向”。如果若不修改，仍然使用默認(rèn)的設(shè)置，則在裝配時(shí)上、下層線棒無(wú)法對(duì)齊，裝配后的模型會(huì)與預(yù)期的有不小的差距。因此，在掃略端部時(shí)，一定注意定位方法是否換成了“面的法向”。③所建立的線棒截面須確保與引導(dǎo)線之間是垂直關(guān)系。如果掃略時(shí)目標(biāo)曲線與引導(dǎo)線間非平行，則會(huì)造成掃略出的實(shí)體形狀與我們所期望的形狀有出入。因此，在建模型時(shí)，應(yīng)確保每一步都是正確的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過應(yīng)用Siemens NX軟件將非常復(fù)雜的汽輪發(fā)電機(jī)定子端部線圈的三維模型直觀、準(zhǔn)確地表達(dá)出來，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了與Ansys等有限元軟件的對(duì)接，建立了有限元模型，為三維電磁場(chǎng)、三維渦流場(chǎng)、三維溫度場(chǎng)等精確仿真和計(jì)算提供了基礎(chǔ)。

［1］咸哲龍，鐘后鴻，劉明慧，等.600 MW發(fā)電機(jī)端部損耗與發(fā)熱研究［J］.大電機(jī)技術(shù)，2008（05）.

［2］王立坤.汽輪發(fā)電機(jī)端部電磁場(chǎng)與渦流損耗及其影響因素的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.

［3］黃嵩，曾沖，楊永明，等.端部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)1 550 MW核能發(fā)電機(jī)漏磁及渦流損耗的影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016（S1）.

［4］周華翔.定子線圈漸伸線的精確計(jì)算法［J］.大電機(jī)技術(shù)，1990（03）.

［5］周華翔.定子線圈漸伸線無(wú)基圓作圖法［J］.大電機(jī)技術(shù)，1992（02）.

［6］劉瑞麗，魏燕飛.汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈端部設(shè)計(jì)的精確計(jì)算［J］.上海大中型電機(jī)，2011（04）.

［7］Miroslav Skalka.Use of the Unigraphics/NX program for Stator Coil Design.Engineering MECHANIS，2008，15（01）.

〔編輯：張思楠〕

TM311

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.023

2095－6835（2017）18－0023－03

徐子開（1991—），上海電機(jī)學(xué)院在讀研究生，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。