龍 瑋

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

上電公司在柴油同步發(fā)電機(jī)業(yè)務(wù)領(lǐng)域一直占據(jù)國內(nèi)領(lǐng)先地位，同類型較小規(guī)格的發(fā)電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)相當(dāng)成熟。此次基于的是援非項目訂單，需要設(shè)計兩臺規(guī)格為23 047 kW，10.5 kV，150 r/min的低速柴油同步發(fā)電機(jī)，以滿足非洲厄立特里亞日益加快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。

1 項目背景

上電公司為非洲厄立特里亞的HIRGIGO電廠二期工程設(shè)計的柴油驅(qū)動同步電動機(jī)。HIRGIGO電廠位于厄立特里亞MASSAWA市，煤炭和水利資源非常匱乏。但該市地處紅海沿岸，石油和天然氣資源豐富，因此該電廠選用低速柴油發(fā)電機(jī)組作為發(fā)電設(shè)備。HIRGIGO電廠為厄立特里亞核心電廠，現(xiàn)有四臺柴油發(fā)電機(jī)組為ABB設(shè)計，目前電廠運行情況已無法滿足厄立特里亞經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的供電需求，故要開展二期擴(kuò)建工程。

根據(jù)電廠擴(kuò)建所需功率要求以及現(xiàn)場預(yù)留空間，新建柴油發(fā)電機(jī)組方案為兩套低速柴油發(fā)電機(jī)組，單機(jī)組輸出容量28 809 kVA。

2 電氣設(shè)計要求

在進(jìn)行電磁設(shè)計時，我們針對之前一期工程的ABB電機(jī)進(jìn)行了比對優(yōu)化，ABB發(fā)電機(jī)為42P，而此次設(shè)計的發(fā)電機(jī)采用了40P方案。經(jīng)過空載感應(yīng)電勢波形及頻譜分析、負(fù)載額定電繞組感應(yīng)電勢波形及電流波形及頻譜分析，波形畸變率(THD)和諧波分量以及空載損耗都較之前的電機(jī)有所減小。從性能角度說，我們的方案跟ABB方案近似相同，而從電勢電流轉(zhuǎn)矩波形來看，我們40P方案的發(fā)電機(jī)波形畸變以及波動明顯小于ABB的42P方案。從電磁場角度分析來說，更能滿足用戶要求：

(1) 本發(fā)電機(jī)要能適應(yīng)紅海沿岸的環(huán)境并能連續(xù)穩(wěn)定運行；

(2) 在發(fā)電機(jī)開路和額定轉(zhuǎn)速及額定電壓下按GB 755(IEC 60034-1)規(guī)定的方法測試，發(fā)電機(jī)線端電壓總諧波畸變量(THD)不大于5%；

(3) 發(fā)電機(jī)應(yīng)具備無功調(diào)節(jié)功能，允許并網(wǎng)運行；

(4) 在GB 755規(guī)定的幾種情況下，發(fā)電機(jī)應(yīng)能輸出額定容量；

(5) 發(fā)電機(jī)在不對稱的電力系統(tǒng)中運行時，如任一相電流不超過額定值，且其負(fù)序電流分量與額定電流之比不超過8%時應(yīng)能長期運行。此時繞組溫度不作考核；

(6) 發(fā)電機(jī)甩100%額定負(fù)荷、調(diào)速器系統(tǒng)正常工作的條件下應(yīng)允許機(jī)組不經(jīng)任何檢查并入系統(tǒng)；

(7) 須滿足GB 755中對發(fā)電機(jī)的全部性能要求，保證發(fā)電機(jī)運行的安全性、可靠性。電機(jī)主要電氣參數(shù)(見表1)。

表1 主要電氣參數(shù)

3 機(jī)械設(shè)計要求

按IEC 60034及GB 755的相關(guān)要求，發(fā)電機(jī)采用F級絕緣、B級溫升考核，因此電機(jī)的溫升限值都按照B級進(jìn)行。另外，所有定子、轉(zhuǎn)子、勵磁機(jī)等機(jī)械部分在設(shè)計時都必須考慮其在最大容量工況運行時所引起的機(jī)械負(fù)載。電機(jī)的機(jī)械性能及要求(見表2)。

表2 機(jī)械性能及要求

在進(jìn)行電磁方案設(shè)計時，選定了該發(fā)電機(jī)的定子鐵心沖片外徑為7 220 mm，396槽。為了滿足以上機(jī)械性能要求，我們在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮了電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。發(fā)電機(jī)各部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計應(yīng)能承受在發(fā)電機(jī)空載以及端電壓等于105%額定電壓下定子出線端發(fā)生三相突然對稱或不對稱短路歷時3 s，不產(chǎn)生有害變形。在熱狀態(tài)下應(yīng)能承受150%額定電流，歷時30 s，而不發(fā)生有害變形及接頭開焊等情況，此時電壓應(yīng)接近額定值。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)能承受在120%額定轉(zhuǎn)速下運行2 min而不產(chǎn)生有害變形。

3.1 定子定位筋焊縫計算

基于以上要求，根據(jù)額定轉(zhuǎn)速、額定功率、定子鐵心和繞組的總重量、定子鐵心內(nèi)徑和總長、氣隙磁密、極弧系數(shù)等參數(shù)，對定子定位筋所需焊縫寬度及強(qiáng)度進(jìn)行了計算及核算。輸入數(shù)據(jù)需要：額定轉(zhuǎn)速、額定功率、定子鐵心和繞組總重量、定子鐵心內(nèi)徑、定子鐵心長度、氣隙磁通密度、極弧系數(shù)、短路轉(zhuǎn)矩系數(shù)、定位筋數(shù)目(預(yù)設(shè)值)、每根定位筋有效托塊數(shù)目(預(yù)設(shè)值)，撐筋與機(jī)座以及撐筋與托塊的布置位置(見圖1)，定子定位筋焊縫計算如下。

圖1 撐筋與機(jī)座以及撐筋與托塊的布置位置

首先計算出作用在一個托塊上的載荷因短路力矩產(chǎn)生的切向力：

因定子重量產(chǎn)生的切向力為：

總切向力：

T=TM+TG

磁拉力產(chǎn)生的徑向力：

其次，計算托塊與定位筋之間的應(yīng)力

焊縫長度：

l0=a0+2b0

焊縫面積：

F0=0.707hl0

對Z軸慣性矩：

焊縫應(yīng)力：

托塊與機(jī)座板之間的焊接應(yīng)力計算

焊縫長度:

l=a+2b

焊縫面積:

F=0.707hl

焊縫慣性矩:

合成焊縫應(yīng)力：

3.2 轉(zhuǎn)動慣量要求

為滿足整個柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)及電網(wǎng)的穩(wěn)定，此次設(shè)計的同步電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量確定不小于564 335 kg·m2。轉(zhuǎn)軸有限元模型(見圖2)，邊界條件參數(shù)為發(fā)電機(jī)的額定輸出功率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、彈性E、磁拉力、軸材料(選擇鋼34CrMo1A)，軸的撓度(見圖3)，扭轉(zhuǎn)變形(見圖4)，對應(yīng)扭轉(zhuǎn)角度(見圖5)，軸等效應(yīng)力計算(見圖6)。

圖2 轉(zhuǎn)軸有限元模型

圖3 軸撓度

圖4 軸的扭轉(zhuǎn)變形

圖5 對應(yīng)扭轉(zhuǎn)角度

圖6 軸等效應(yīng)力計算

通過對轉(zhuǎn)軸的有限元分析，得出軸身表面的平均等效應(yīng)力和軸肩處的最大等效應(yīng)力，設(shè)計好整個轉(zhuǎn)子各個部分合理的尺寸及位置分布，控制好整個軸系的變形量。

3.3 軸系扭振計算

該柴油發(fā)電機(jī)與12缸2沖程低速柴油機(jī)配套。柴油機(jī)由于燃?xì)鈮毫瓦\動部件所產(chǎn)生的慣性力矩，對軸系產(chǎn)生有無數(shù)個振幅不同、頻率不同、相角不同的力矩，構(gòu)成多質(zhì)量有阻尼的強(qiáng)制振動系統(tǒng)，因此需要進(jìn)行詳細(xì)的軸系扭振計算。設(shè)計時臨界轉(zhuǎn)速要避開90%～110%額定轉(zhuǎn)速，以避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

此次的發(fā)電機(jī)設(shè)計方案與HIRGIGO電廠一期工程的ABB發(fā)電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子總長度放長，主要體現(xiàn)在軸伸端面至鐵心段的加長。我們根據(jù)軸系的詳細(xì)圖紙和聯(lián)軸器參數(shù)，求取轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動慣量，繪制當(dāng)量圖，然后根據(jù)當(dāng)量圖參數(shù)完成扭振臨界轉(zhuǎn)速計算。柴油發(fā)電機(jī)組的軸系(見圖7)，右側(cè)大圓盤表示同步發(fā)電機(jī)，左側(cè)表示柴油機(jī)。

圖7 柴油發(fā)電機(jī)組的軸系

3.4 發(fā)電機(jī)吊運方案設(shè)計

在制造、運輸、存儲和運行等狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)會承受不同的應(yīng)力，必須防止可能危及人身安全的變形或故障，因此，需要對機(jī)座進(jìn)行剛性計算。輸入數(shù)據(jù)：機(jī)座重量、定子重量、發(fā)電機(jī)的額定有功功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、過載倍數(shù)以及吊運加速度。

考慮機(jī)座整體吊運方案，使用上半機(jī)座最上端兩個吊攀，吊運高度按8 m(鐵心軸線到吊鉤的垂直距離)計，上下機(jī)座的連接螺釘采用連接副(Fixed Joints)約束，計算出最大等效應(yīng)力值在吊攀圓管上，最大變形量在下機(jī)座底端，變形方向垂直向下(見圖8～圖9)。

圖8 吊攀變形情況

圖9 機(jī)座整體吊運應(yīng)力分布

若采用上、下定子分半吊運，上半定子使用最上部兩個吊攀起吊，同樣吊運距離按8 m計算，經(jīng)分析上、下半定子最大變形量在分半哈夫面上。

過載轉(zhuǎn)矩工況分析考慮4倍額定轉(zhuǎn)矩作用于鐵心內(nèi)圓表面，下圖給出了機(jī)座的應(yīng)力與變形：最大等效應(yīng)力在受壓底腳一側(cè)；機(jī)座的最大變形在機(jī)座上部，機(jī)座承受過載轉(zhuǎn)矩時的等效應(yīng)力分布圖和變形量分布(見圖10～圖11)。

圖10 機(jī)座承受過載轉(zhuǎn)矩時的等效應(yīng)力分布圖

圖11 機(jī)座承受過載轉(zhuǎn)矩時的變形量分布

基于以上對機(jī)座的剛度分析，確定了機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選用，保證機(jī)座的安全可靠，并留出足夠的安全裕度。

4 結(jié)論

本文介紹的柴油同步發(fā)電機(jī)為目前國內(nèi)試制成功的直徑最大的臥式柴油同步發(fā)電機(jī)，產(chǎn)品設(shè)計方案合理，電機(jī)性能達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，在國際上還具有良好的價格優(yōu)勢。上電公司也是目前國內(nèi)唯一一家有此類電機(jī)設(shè)計經(jīng)驗的制造廠商。公司通過23 047 kW、40P無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品試制開發(fā)，在國內(nèi)外大容量、低轉(zhuǎn)速同步發(fā)電機(jī)市場取得了突破。