呂鵬飛，梁睿光，王丁一，朱海龍，李 元，王艷武，蘭 波

(1.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216；2.水力發(fā)電設備國家重點實驗室 (哈爾濱大電機研究所)，哈爾濱 150041)

0 前言

極間擋塊是發(fā)電電動機磁極線圈的一種保護結構，可防止磁極線圈在離心力作用下產(chǎn)生過大的應力和徑向變形，磁極擋塊結構本身的可靠性也會影響機組的運行安全。目前國內外廠家設計的轉子線圈極間擋塊的結構形式、受力情況、材料選擇和疲勞特性各不相同[1-2]。擋塊結構是將高強度環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板制作成梯形塊，安裝在兩個磁極線圈之間，再用螺桿穿過梯形塊并固定在磁軛上。本文以蒲石河電站抽水蓄能機組為依托對磁極擋塊結構的變形、應力和疲勞壽命進行研究，為磁極極間擋塊的安裝和檢修提供正確的理論支撐[3-5]。

1 基本參數(shù)及擋塊結構特點

1.1 基本參數(shù)

蒲石河電站安裝有4臺單機容量為300MW的立軸可逆式機組，總裝機容量為1200MW。其發(fā)電電動機為立軸半傘式密閉自循環(huán)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電電動機，主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電電動機主要參數(shù)

1.2 轉子磁極極間擋塊結構

蒲石河電站發(fā)電電動機轉子磁極線圈為塔型結構，在離心力作用下會產(chǎn)生一定側向變形，由于轉子磁極鐵芯的軸向長度達到2710mm，因此磁極線圈的側向變形會比較大。為了限制磁極線圈的側向變形，在轉子設計時，通過在兩個磁極之間安裝磁極極間擋塊結構來抑制磁極線圈的側向變形。極間擋塊采用環(huán)氧玻璃布層壓板(材料型號:HEC3248)，將其制作成倒梯形結構，放置在兩個磁極線圈之間，擋塊用兩個M16的螺桿(材料:42CrMo)固定在磁軛上。結構簡圖如圖1所示。

圖1 磁極擋塊結構示意圖

在機組運行時，極間擋塊除承受自身離心力和磁極線圈側向離心力外，磁極線圈溫升產(chǎn)生的側向熱膨脹也會對極間擋塊產(chǎn)生作用力。同時，由于安裝順序不合理導致的極間擋塊與螺桿間的偏斜或間隙，也會引起極間擋塊和其固定螺桿的應力增大。因此，本文研究分析了不同工況下極間擋塊和固定螺桿的應力和疲勞壽命，并考慮了安裝偏差產(chǎn)生的不同間隙值對極間擋塊和固定螺桿的影響。

2 磁極極間擋塊仿真分析

2.1 設計狀態(tài)下磁極極間擋塊的靜強度分析

發(fā)電電動機轉子磁極線圈在起停機、額定轉速、甩負荷、飛逸轉速等不同工況下受到機械、電磁、溫度、離心力等不同載荷作用，變形和受力情況復雜，為保證磁極線圈有一個安全穩(wěn)定的運行環(huán)境，一般都會為其安裝極間擋塊。本節(jié)討論了磁極擋塊及螺桿在各工況下的受力情況[6-7]。

利用有限元軟件，建立單個磁極鐵芯、磁軛及磁極線圈的1/4模型，如圖2所示。各部件均采用實體建模，使用實體單元劃分網(wǎng)格，各部件間使用接觸單元模擬。計算磁極線圈在溫升及離心力作用下的側向變形，作為磁極擋塊的輸入條件[8]，各部件變形分布如圖3所示，側向變形結果見表2。

表2 各工況下線圈側向變形

圖2 磁極鐵芯、磁極線圈和磁軛模型

圖3 磁極鐵芯、磁極線圈和磁軛變形分布 (單位:mm)

建立磁極擋塊及螺桿的仿真模型，計算不同工況下?lián)鯄K及螺桿的應力，計算模型如圖4所示。

圖4 磁極擋塊和螺桿有限元模型

圖5 磁極擋塊額定工況綜合應力分布 (單位:MPa)

圖6 螺桿額定工況綜合應力分布 (單位:MPa)

表3 設計工況下，極間擋塊和螺桿的應力計算結果

2.2 存在安裝偏差時磁極擋塊的靜強度分析

由于擋塊在安裝過程中不可避免地會產(chǎn)生一些偏差，當擋塊由于磁極和線圈的安裝偏差被迫向一側偏斜0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm時，計算各個工況下?lián)鯄K和螺桿的應力，計算結果匯總見表4。

從表4中可以看出，額定工況下，在擋塊受迫向一側偏斜超過1.0mm時，螺桿的應力已經(jīng)超過其許用應力，擋塊在超過1.5mm側向偏斜后應力超過許用值。

表4 不同安裝間隙下，磁極擋塊和螺桿的應力計算結果

2.3 磁極擋塊螺桿的疲勞分析

抽水蓄能機組起停機頻繁，磁極極間擋塊結構在離心力作用下，容易在其高應力區(qū)域逐漸產(chǎn)生永久性的結構變化，導致在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂。對于抽水蓄能機組的磁極極間擋塊結構而言，除了要保證足夠的靜強度安全系數(shù)外，還需要承受足夠多的循環(huán)次數(shù)，故對于擋塊、螺桿等部件，應當進行疲勞壽命校核[9-10]。本文采用ASME疲勞設計曲線，考慮了應力修正、尺寸效應和環(huán)境因素等。在ASME標準中，對應力幅的安全系數(shù)取2.0，對壽命的安全系數(shù)取20，其中包含數(shù)據(jù)分散度2.0，尺寸效應2.5，表面粗糙度和環(huán)境因素4.0，三者之積為20[11]。

(1)單一工況循環(huán)的疲勞準則

按照機組設計壽命為40年、每天起停機10次、每年發(fā)生甩負荷30次、飛逸工況1次進行考核[12]。

設計壽命期內，起停機設計壽命不能低于:10次/天×365天×40年＝146000次。

設計壽命期內，甩負荷設計壽命不能低于:30次/年×40年＝1200次。

設計壽命期內，飛逸設計壽命不能低于:1次/年×40年＝40次。

(2)全壽命期內各種工況循環(huán)組合的疲勞準則

設發(fā)電電動機在40年壽命期內起停機、甩負荷、飛逸工況對應的應力幅分別為Sa1、Sa2、Sa3，通過計算得到的疲勞次數(shù)分別為N1、N2、N3，則對于起停機工況的應力幅Sa1而言，單獨作用時的疲勞壽命就是N1，甩負荷和飛逸工況的應力幅對應的疲勞壽命為N2、N3。設在起停機工況應力幅Sa1作用了n1次，則對結構所造成的損傷程度記為n1/N1，同理，甩負荷和飛逸工況所造成的損傷程度分別記為n2/N2和n3/N3。

按照線性疲勞積累損傷準則，各應力幅造成的損傷程度之和不應超過1[13]，即有:

設計工況下 (不計安裝偏差產(chǎn)生的側向變形)，起停機、甩負荷和飛逸工況下螺桿疲勞次數(shù)及疲勞損耗均滿足設計要求，詳細計算結果見表5。

表5 設計工況下，磁極極間擋塊螺桿疲勞壽命計算結果

當擋塊由于磁極和線圈的安裝偏差受迫向一側偏斜時，各個工況下螺桿的疲勞次數(shù)及疲勞損耗計算結果見表6。由表可知，當擋塊安裝側向偏差超過1.0mm時，螺桿在壽命期內的總疲勞損耗為1.029＞1.0，按40年壽命考核，未能滿足使用年限[14-15]。

表6 不同安裝間隙下，磁極極間擋塊螺桿疲勞壽命計算結果

3 結論

本文利用有限元方法對不同工況下磁極極間擋塊結構的變形、應力以及疲勞壽命進行了分析，并研究了幾種假設的安裝偏差對磁極擋塊結構的應力和疲勞壽命的影響，得出以下結論:

(1)在正常安裝狀態(tài)下，磁極極間擋塊結構靜強度和疲勞壽命均能夠滿足設計要求，且均有一定的安全設計裕度；

(2)安裝存在偏差時，磁極極間擋塊結構存在失效現(xiàn)象，當側向安裝偏差大于1.0mm時，擋塊螺桿首先超過靜強度要求，當側向安裝偏差大于1.5mm時，磁極極間擋塊超過了靜強度要求，同時總疲勞損耗也未能滿足疲勞要求；

(3)在機組進行檢修和安裝時，需要控制磁極線圈和磁極極間擋塊的安裝質量，減小磁極擋塊的側向偏差及變形，降低擋塊結構的附加載荷，這樣有利于結構安全可靠運行。