60 Hz汽轮发电机离心式风扇结构强度分析

翁祥玲，王正平，蔡恒川，税航伟

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

60 Hz汽轮发电机离心式风扇结构强度分析

翁祥玲，王正平，蔡恒川，税航伟

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

分别采用常规计算法和ANSYS11.0软件有限元分析方法计算60 Hz空冷汽轮发电机离心式风扇各部件的应力。通过常规计算法计算得出了风扇各部件应力的平均值，而用ANSYS有限元法得出了风扇各部件的应力分布及最大应力集中点分布。采用ANSYS计算汽轮发电机风扇的应力，克服了常规计算法对复杂变化曲面应力计算的局限性，是较理想的模拟风扇实际运行工况的精确计算方法，此计算方法是一种非常值得推广的数值分析方法。

汽轮发电机；应力；离心风扇强度

0 引言

近代电机都采用较高的电磁负荷，电机的单机容量也日益增大。因此必须改进电机的冷却系统，以提高其散热能力。良好的通风效果是提高电机电、磁负荷和电机材料利用率的重要因素之一，也是电机制造领域始终追求的目标之一[1]。

中小型60 Hz空冷汽轮发电机采用空气冷却，其风路设计是确保整个发电机温升符合要求的关键。风扇是风路重要部件。在发电机的超速试验时达到了4 320 r/min的高转速，这对发电机旋转部分风扇的机械性能提出较高的要求。笔者主要针对超速试验时的转速4 320 r/min的发电机风扇的内、外环和叶片的应力分析。

1 风扇结构

以15 MW 60 Hz汽轮发电机为例，分析中小型60 Hz空冷汽轮发电机在4 320 r/min高转速下的风扇的内、外环和叶片的应力分布特点。风扇为固定在发电机转子两端的后倾叶片离心式风扇[2]。这种风扇压头高、流量小，比较适合高速中小型发电机。 离心式风扇的主要尺寸见表1。

表1 离心式风扇的主要尺寸 mm

2 强度分析

2.1 常规计算方法

图1 离心式风扇横截面示意图

它是指用力学分析得出的公式进行计算的方法。在简单情况下，可用材料力学公式，在复杂情况下，需要求解弹性力学或塑性力学方程来导出计算公式。在工程问题中，常可将这些方程和定解条件加以简化，而求得近似计算公式。图1为离心式风扇横截面示意图，图2为离心式风扇部分结构示意图。根据图1、图2所示，应用计算公式[3]对风扇的内、外环和叶片求取理论应力的安全系数。

2.1.1 叶片重量

G=γSδ×10-3=10.9 N

式中：γ为材料比重7.85×10-3kg/cm3；S为叶片面积177.145 cm2；δ为叶片厚0.8 cm。

图2 离心式风扇的部分结构示意图

2.1.2 叶片离心力

式中：R为叶片重心半径32.8 cm；np为飞逸转速4 320 r/min。

2.1.3 由于叶片的离心力及风扇环本身的离心力所引起的风扇环内平均拉伸应力

环1：

式中：R1为环1重心半径32.6 cm；F1B为环1的面积35.65 cm2；m为叶片数目16；F1H为环1的净面积31.05 cm2。

环2：

式中：R2为环2重心半径33.2 cm；F2B为环2的面积18.48 cm2；F2H为环2的净面积18.48 cm2。

2.1.4 叶片弯曲力

式中：b为叶片宽度平均值8.75 cm；α为叶片倾角60°。

2.1.5 安全系数

式中：风扇环采用锰钢30 Mn2，

屈服点σS1=σS2=58 800 N/cm2。

风扇叶采用锰钢16 Mn，

屈服点σS3=34 300 N/cm2。

2.2 有限元计算方法

本文采用ANSYS11.0软件[4]有限元法分析60 Hz空冷汽轮发电机在4 320 r/min高转速下的风扇的内、外环和叶片的应力。

2.2.1 模型建立

ANSYS提供CAD导入/导出接口，方便地实现于CAD之间模型的转换工作。本文通过CAD软件(SolidEdge)创建了物理模型，通过ANSYS导入接口将物理模型转入ANSYS程序中。物理模型见图1。

2.2.2 网格划分

所有的单元均采用四面体四节点，接触自动生成，按实际情况对其进行调整。此模型共有21 289个节点，10 057个单元。离心式风扇四面体网格划分见图3。

图3 离心式风扇四面体网格划分

2.2.3 载荷

在超速状况下，旋转角速度ω=452 r/s，风扇叶片的离心力及风扇环本身的离心力最大，变形量也最大，有变形产生的应力也最大。

2.2.4 边界约束

风扇轴向约束刚体位移。

风扇安装螺栓孔处加径向位移约束。

2.2.5 计算结果

风扇整体的应变计算结果详见图4。

图4 风扇整体的应变计算结果

风扇整体的应力计算结果详见图5。

图5 风扇整体的应力计算结果

2.2.5.1 风扇环1的最大应力计算结果详见图6

图6 风扇环1的最大应力计算结果

根据图6，风扇环1的计算结果如下。

环1的最大应力：

σmax=265 MPa=25 970 N/cm2

即环1的安全系数为：

2.2.5.2 风扇环2的最大应力计算结果详见图7

图7 风扇环2的最大应力计算结果

环2的最大应力：

σmax=250 MPa=24 500 N/cm2

即环2的安全系数为：

2.2.5.3 风扇叶片的最大应力计算结果详见图8

图8 风扇叶的最大应力计算结果

风扇叶片的最大应力：

σmax=256 MPa=25 080 N/cm2

即风扇叶片的安全系数为：

3 结果分析

根据常规计算法和有限元法的计算结果见表2、表3。

表2 最大应力计算结果 N/cm2

表3 安全系数的计算结果

通过上述计算结果的比较可以看出，运用两种计算方法的计算结果均符合设计要求。

4 结语

风扇是60 Hz空冷汽轮发电机通风设计中的关键部件。本文通过常规计算法计算得出了风扇各部件应力的平均值，并且计算起来比较复杂。而用ANSYS有限元法得出了风扇各部件的应力分布及最大应力集中点分布。采用ANSYS计算汽轮发电机风扇的应力，克服了常规计算法对复杂变化曲面应力计算的局限性，是较理想的模拟风扇实际运行工况的精确计算方法，此计算方法是一种非常值得推广的数值分析方法。

[1] 程福秀,林金铭.现代电机设计[M].北京：机械工业出版社，1992.

[2] 机械工程手册电机工程手册编辑委员会.电机工程手册[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3] 中华人民共和国第一机械工业部.电指(DZ)23-63.汽轮发电机机械计算公式[M].北京：技术 标准出版社，1965.

[4] 张洪信，管殿柱.有限元基础理论与ANSYS11.0应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

翁祥玲 ，女,1980年生，本科，工程师，主要从事电机设计、电磁场分析等理论研究。