1000MW发电机定子运输端盖的优化设计

谢玉增，梁洪涛，刘庆河，杜金程，曹凤波，牟 松



1000MW发电机定子运输端盖的优化设计

谢玉增，梁洪涛，刘庆河，杜金程，曹凤波，牟 松

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

1000MW汽轮发电机定子铁路运输方案采用运输端盖结构形式。在设计过程中，结合有限元建模分析手段进行了结构形式及结构尺寸的优化设计研究，以达到重量更轻、结构应力分布更合理、运输安全系数更高的目标，同时避免机座变形对发电机内部结构产生危害。

汽轮发电机；定子；运输端盖

0 前言

大型汽轮发电机定子不仅重量大而且断面尺寸阔大，在道桥活载荷及运输限界尺寸的限制条件下，专用运输车的结构完全不同于传统的车辆，钳夹车是针对运输这种重量及断面尺寸同时超出常规的货物设计制造的，钳夹车没有完整的承载地板，运输时钳夹车的钳夹梁通过销孔及压柱与货物铰接，依靠货物自身刚度与钳夹梁形成承载纵梁。运输联接工具是采用钳夹车运输发电机定子的关键部件，包括托钩（也称为挂货钩）及运输端盖（也称为运输法兰）两种结构形式，运输端盖结构形式的运输联接工具能够使发电机定子更接近轨面，降低超限程度，且自身结构重量相对更轻，所以整体铁路运输的1000MW汽轮发电机定子运输方案确定为该种形式。针对以往采用运输端盖运输发电机定子过程出现的耳板根部应力集中现象和连接螺栓应力分布问题，整体铁路运输1000MW汽轮发电机定子受运输总重限制而使机座重量大幅度减轻、刚强度减弱等问题，在端盖式运输整体铁路运输联接工具的设计过程中，结合有限元建模分析手段，进行了结构形式及结构尺寸的优化设计研究，以达到重量更轻、结构应力分布更合理、运输安全系数更高的目标，还要避免机座变形对发电机内部结构产生危害。

1 运输端盖结构形式的优化

运输端盖是钳夹车运输发电机定子的关键部件，关系到车辆的完整性、负责静力及运输冲击力的传输，由钳夹梁销孔及压柱施加的巨大集中载荷要通过运输端盖分散到机座外皮等部位[1]。根据静力分析结果，每侧钳夹梁销孔的拉力及每侧压柱施加的应力高达448t，运输端盖必须将这些集中载荷合理扩散到发电机定子机座，避免产生局部过高应力。为达到预期效果，先后提出三种结构方案，依据有限元建模分析对比，进行了两次较大的结构变更。

1.1 方案1

运输端盖基本原型结构参考了国内铁路运输托克托的600MW等级发电机定子采用的运输端盖，该运输端盖采用厚度为100mm主体平板结构，每件运输端盖重量接近15t，超出总体方案的预期值，经ANSYS有限元建模分析，存在纵向刚度不足的问题，使发电机定子机座局部变形过高，产生应力集中问题。

1.2 方案2

为降低运输端盖的重量，将主体平板结构的厚度从100mm降低到16mm，将与机座端面结合部位加厚到70mm，形成加强圆环，并采取增设与耳板之间的拉筋方法增强结构刚度。为加强纵向刚度，将耳板纵向尺寸由方案1的200mm增大到500mm，厚度尺寸由100mm减小到40mm，耳孔部位加厚至120mm，降低耳孔部位应力；左右压柱之间以及左右耳孔之间采用加大断面尺寸的加强横梁结构，与耳板结构共同组成了井字形加强结构。上述措施使运输端盖的结构刚度大幅度提高，降低了钳夹力引起的结构变形，消除了机座及运输端盖的局部应力集中现象，同时降低了运输端盖的结构重量，形成方案2。有限元建模分析结果显示，总体效果较方案1有明显的提升，但仍然存在耳板下部应力集中以及端盖连接螺栓应力分布不均匀的问题。同时由于机座重量减轻且直径减小，定子机座在钳夹弯矩的作用下形成较大挠度，引起弹簧板变形应力过高问题，形成安全隐患。

1.3 方案3

方案3在方案2结构基础上增加了施加预紧力的拉杆结构，拉杆和螺母的材料为锻造25Cr2Ni4MoV直径120mm，采用捶头式凹球面拉杆座，直接与耳板底部延伸结构接触，形成母材铰接传力结构，避免焊接结构承受高应力。该结构通过调整拉杆的预紧力，改善了结构应力分布，并减小了定子机座挠度，从而改善了弹簧板等机座结构的应力状态，同时彻底消除了以往结构特有的耳板下部应力集中以及端盖连接螺栓应力分布不均匀的问题，为发电机内部结构安全及运输安全提供了保障。定子运输装车如图1所示。

图1 发电机定子装车图

2 有限元分析

有限元建模分析采取与定子机座共同建模分析的方法，虽然使建模工作量大幅度增加，但却使计算结果更接近实际，而以往分析计算采用将定子机座等效为刚体结构的方法存在较大的误差。

2.1 三种方案有限元模型

计算时取一半结构，采用高精度六面体实体单元，其中端盖与机座之间采用面—面接触单元，螺栓帽与端盖之间采用点—点接触单元进行建模。方案1端盖单元（半个）21,377个；面—面接触单元8,870个；点—点接触单元928个，如图2所示。

图2 方案1有限元网格

方案2端盖单元（半个）单元总计172,259个；端盖单元（半个）27,409个；面—面接触单元9,482个；点—点接触单元624个，如图3所示。

图3 方案2有限元网格

方案3端盖单元（半个）单元总计161,090个；端盖单元（半个）21,155个；面—面接触单元9,372个；点—点接触单元560个，如图4所示。

图4 方案3有限元网格

2.2 三种方案计算结果比较

铁心轴向弹性模量取1.5×105N/mm2，另两个方向弹性模量2.06×105N/mm2；其他部分材料弹性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.3。考虑动荷系数0.3，实际施加压力和耳孔处拉力均为448×9.81×1.3=5,713kN，自重以加速度形式施加，结构总重410t，加速度取值9.81×1.3 = 12.753m/s2，其中方案3在拉杆位置另外施加 4806.9kN压力。三种方案均在端盖耳孔位置施加支撑约束，在对称面位置施加对称约束。

方案1的应力分布计算分析如图5所示。

图5 方案1应力分布

方案2的应力分布计算分析如图6所示。

图6 方案2应力分布

方案3的应力分布计算分析如图7所示。

图7 方案3应力分布

根据计算结果对比分析，在机座应力及端盖自身应力方面方案2较方案1有明显好转，但连接螺栓应力分布仍不合理，部分螺栓应力过高，安全系数不够理想；方案3采用了施加预紧力的拉杆结构，使机座挠度大幅度降低，使发电机内部结构应力得以降低，连接螺栓应力分布趋于合理，最大应力较前两个方案降低近半，安全系数大幅度提高，如表1所示。

3 分析验证

根据分析计算结果，施工设计采用方案3结构。两次运输实践分别于2010年年末与2011年年初实施，为确保运输安全，采取专列实施运输，专列加挂试验车对发电机、运输端盖、拉杆以及钳夹车的关键部位进行实时监控。监控数据表明，有限元分析结果正确，如表2所示。

表1 计算结果比较

表2 计算结果与运输实时监控结果比较

4 结束语

优化后的运输端盖采用井字加强框架结构，自身重量更低、抗弯刚度更高，也使连接螺栓受力分布更均匀；采用施加预紧力的贯穿拉杆可以进一步降低危险部位的高应力和连接螺栓应力，是更为稳妥的方式，部分拉力通过施加预紧力的贯穿拉杆直接传输，降低定子与运输端盖连接螺栓的受力，保证连接压力和整体性，对保障运输安全十分有利。

[1] 梁洪涛, 等. 1000MW级汽轮发电机定子铁路整体运输方案研究[J]. 大电机技术, 2008(3).

[2] 谢玉增, 等. 1000MW级汽轮发电机定子铁路运输研究总结[J]. 大电机技术, 2013(1).

[3] 梁洪涛, 等. 1000MW汽轮发电机设计改进[J]. 大电机技术, 2013(4).

[4] 田葆栓, 等. 中国铁路长大货物车使用手册[M]. 中国铁道出版社, 2005.

Design Improvement for Transportation Flange of 1000MW Turbo-generator Stator

XIE Yuzeng, LIANG Hongtao, LIU Qinghe, DU Jincheng, CAO Fengbo, MU Song

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Transportation flange was adopted in railway transported stator of 1000MW Turbo-generator. In the designing process, structure type and dimension was optimized combined with finite element analysis in order to get lighter weight, more reasonable stress distribution and higher safety factor, and meantime avoid the harm to inner structure caused by frame deformation.

turbo-generator; stator; transportation flange.

TM311

A

1000-3983(2014)04-0048-03

2013-09-05

谢玉增（1956-），1982年毕业于沈阳工业大学机械制造专业，现主要从事汽轮发电机设计及设计管理工作，高级工程师。

审稿人:沈梁伟