基于FEM的水轮发电机上机架的结构改进

何 涛，曾 征，蒋柏勋，江 蓉

（重庆水轮机厂有限责任公司，重庆 400054）

0 概述

某电站安装有2台容量为22.5 MW的立式水轮发电机组，发电机型号为SF22.5-14/3900，设计年利用小时数为5000 h，丰水期每台每天净发电量约为50万kW·h。在最近一次日常维护中，2号机组位于发电机上机架底部的支撑筋出现裂纹，严重威胁机组的运行安全。

该水轮发电机组结构为三支点悬式结构，上机架安装在定子机座上，推力轴承置于其中心体之内，整个机组转动部分的轴向推力负荷全部由上机架进行承载，该载荷最终由定子机座间接地传递给混凝土基础。 因此，从机组轴向受力情况来看，上机架是支撑着整个转动部分的脊梁，其结构设计强度不容忽视。

水轮发电机上机架整体几何结构较为复杂，若要快速准确地校核上机架的设计强度，采用传统的手工计算，目前似乎不大现实。据此，本文运用CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）仿真技术，采用FEM（Finite Element Method,有限单元法），对出现问题的上机架刚强度进行分析，找到了出现裂纹的根本原因，为改造方案的顺利完成奠定了坚实的理论基础。

1 计算模型

1.1 几何模型

发电机上机架有4条支腿，俯视呈辐射状轴对称，支腿围绕中心体与其焊接成为一体。使用材料为碳素结构钢，其牌号为Q235-A，弹性模量E为2.068×1011Pa， 剪切模量 G 为 8.016×1010Pa， 泊松比为 0.29， 密度 γ 为 7.82×103kg·m－3， 环境温度 Tref21.85℃；机械性能参数见表1。

表1 材料Q235-A机械性能参数

因上机架四条支腿中有两支腿之间存在一较短的支撑筋板，为确保分析结果的准确性，按照设计提供的图纸尺寸，对上机架整体进行建模，除所有连接螺孔、销孔、限位止口和密封槽等细微特征外，其余特征均按实际尺寸进行创建，得到三维实体几何模型如图1a所示。

1.2 有限元模型

对上机架实体模型采用非线性四面体单元进行网格划分，原始结构模型划分网格共产生单元数为142564，节点数为284389。对有限元模型进行检查，无扭曲或变形的单元出现 （如图1b所示）。

图1 上机架三维模型 （原始结构）

1.3 边界条件

在机组静止时，上机架轴向载荷仅含发电机转子重、水轮机转轮重及其联接转轴的自重；当机组运行时，轴向载荷除含上述零部件本身的自重外，还要承受水轮机转轮受水流冲击而产生的轴向水推力作用，此时上机架工作在最恶劣工况。发电机转子质量 M1为 71500 kg，水轮机转轮质量 M2为4500 kg，联轴质量Ms为18465 kg，轴向水推力T为637455 N。

为了获得该上机架的真实受力状况，本文取最恶劣工况下的轴向载荷为其考核载荷。分析时，对上机架的四只脚板进行固定约束。

2 数值分析

运用有限元分析软件I－Deas对该上机架模型进行分析求解，原始结构最大等效应力值σvm为297 MPa，最大位移值δ为1.23 mm；改进后的结构最大等效应力值σvm为116 MPa，比原始结构下降60.9%，最大位移值为1.05 mm，比原始结构下降14.6%。

2.1 数据分析

经过分析可知，该上机架整体最大等效应力值为297 MPa，出现在支腿下方竖筋边沿 （如图2所示），这与现场照片 （如图3所示）裂纹出现位置一致。

图2 最大等效应力值及其分布云图 （原始结构）

图3 电站现场照片

因该上机架产生最大峰值应力处的竖筋厚度为24 mm，根据碳素结构钢Q235－A的机械性能可知，此值已经超过其屈服强度72 MPa，且该位置处的受力性质主要为弯曲应力，安全系数仅为75.8%。根据材料力学第四强度理论的判别准则，可知原上机架结构设计强度存在不足，安全裕度偏小，最终导致了裂纹的产生。

2.2 改进方案

结合该电站现场照片和上述分析结果，考虑上机架在机组中的实际安装空间，以及现场施工的可操作性等因素，对出现裂纹的筋板及其附近高应力区域进行局部处理，其余结构特征保持不变。

按照上述处理思路，经过多个方案的分析比较，最终确定在原出现高应力区的竖筋正下方补焊宽80 mm厚24 mm的钢板，其他局部也做适当加强，以消弱较高和较集中的高应力区，弥补原上机架结构设计强度的不足，上机架三维实体模型改进前后对比如图4所示。

改造后上机架结构模型划分网格共产生单元数为171812，节点数为337564。对有限元模型进行检查，无扭曲或变形的单元出现。

图4 上机架三维模型改进前后对比

图5 最大等效应力值及其分布云图 （改进结构）

图6 最大位移值及其分布云图 （改进结构）

通过分析可知，改进后的上机架最大等效应力值为116 MPa，出现在上环板与支腿合缝板联接处（如图5所示），此位置板厚45 mm，与原始结构相比，最大等效应力值净降低60.9%，理论安全系数为1.85；最大位移值从1.23 mm降为1.05 mm，并且应力分布均匀 （如图6所示），材料利用率较高，强度和刚度均有所改善，达到改造的预期目的。

3 结语

项目组通过FEA软件圆满完成了对上机架的结构改进，彻底排除了电站的安全隐患，为其恢复运行争取了宝贵的时间，其经验表明:

（1）利用CAE技术对原上机架进行分析，其最大应力值的出现位置与在现场照片上显示的裂纹产生的位置完全一致，表明此分析结果是值得信赖的。

（2）改进后的上机架结构，应力分布均匀，强度和刚度均有所增强，材料利用率大大提高，表明此结构的优化改进效果显著，并且现场操作性较强。

（3）利用CAE技术对上机架结构改进，对用户来说具有高效性、可靠性、经济性，是传统手工计算无法超越的一种技术手段，这对今后类似结构的上机架，无论是技术设计还是产品改进，都具有重要的工程参考价值。

［1］GB/T 700—2006 碳素结构钢［S］.

［2］林毓锜，陈瀚，楼志文.材料力学［M］.西安:西安交通大学出版社，1990.

［3］谭彬，方文.中型水轮发电机上机架刚强度分析［J］.东方电机,2003， 31（4）:313-318.

［4］王勖成.有限单元法［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［5］李春亭，编著.NX CAE应用实战案例精粹［M］.北京:电子工业出版社，2009.