基于ANSYS热固耦合的大型水轮发电机定子铁心热膨胀计算

田　超，陈光辉，李建伟

(大电机研究所， 黑龙江哈尔滨　150040)



基于ANSYS热固耦合的大型水轮发电机定子铁心热膨胀计算

田超，陈光辉，李建伟

(大电机研究所， 黑龙江哈尔滨150040)

摘要：指出了水轮发电机运行过程中，铁心温度比机座高，因而铁心的膨胀量要大于机座的膨胀量。但铁心受到机座的约束会出现变形、内径缩小等问题，从而影响水轮发电机的稳定运行，解决办法是在铁心和机座之间留有一定的间隙。介绍了运用ANSYS热固耦合的方法实现对定子铁心热膨胀的计算，为大型水轮发电机设计提供了参考依据。

关键词：水轮发电机；定子铁心；热膨胀

0引言

一般在大中型水轮发电机结构设计时其铁心外圆紧靠机座，没有预留间隙。运行一段时间之后，普遍都发生铁心瓢曲变形、局部松动和内径缩小等问题。如乌江渡210 MW发电机，运行一段时间后铁心瓢曲变形波浪度达30 mm之多。东江电站1号、 2号发电机，经过铁损振动加热压紧(70℃，24 h) 之后实测，发现铁心瓢曲变形波浪度由热压前的5～6 mm增大到12～16 mm，铁心内径比热压前分别缩小0.48 mm和1.04 mm[1]。

水轮发电机运行过程中铁心温度比机座高20～40℃，铁心和机座之间没有间隙，铁心受到机座的约束使得铁心不能向外膨胀，以致铁心内侧出现变形、内径减小。现在，水轮发电机设计会在铁心和定子机座之间会留有一定的间隙，使铁心运行发热时能自由热膨胀，不受机座约束。这种间隙的计算至关重要，间隙量过小会产生铁心热变形，当达到某种强度极限时就可能拉断鸽尾筋紧固件，间隙量过大会引起定子铁心松动。

本文运用ANSYS热固耦合的方法得出定子铁心热膨胀的计算方法[2]，为大型水轮发电机设计提供了依据。

1计算方法

以某电站水轮发电机为例，定子机座和定子铁心中间取2 mm间隙。计算模型如图1所示，采用六面体实体单元SOLID70—SOLID45进行网格划分，依次进行温度场-应力场计算分析。

图1　定子机座有限元模型

根据电站监控数据，定子铁心内部温度为58℃，机座外部环境温度为22℃。温度场计算完成后把温度载荷写入到ANSYS结构文件中，定子铁心和定子机座的材料特性如表1和表2所示。对发电机定子机座结构进行分析，得到其在指定温度场下的变形量。

表1　定子铁心和定子机座热膨胀系数和弹性模量

表2　定子铁心和定子机座泊松比

2结果分析

通过有限元计算得到的发电机定子温度分布如图2所示，定子铁心内侧温度为58℃，外侧温度为42℃。

图2　定子温度场分布

热-结构耦合计算得到的定子热膨胀变形如图3、4所示。从表3中数据对比可以看出，定子铁心上部变形大于定子铁心下部变形。从图2中可以看出，定子铁心的上端面温度偏高，定子铁心热膨胀与定子铁心的温度场分布刚好吻合。

表3　定子铁心热膨胀变形计算结果　mm

图3　定子铁心局部变形图

图4　定子铁心整体变形图

3结语

运用热结构耦合原理，采用有限元方法实现了对定子铁心热膨胀的数值计算，为大型水轮发电机设计提供了有力依据。

参考文献

[1] 余恪三.大中型水轮发电机定子铁心与机座间热膨胀间隙的计算方法[J].大电机技术，1994,2:5-7.

[2] 胡仁喜，龙凯，堂沙沙，等.ANSYS多物理耦合场有限元分析[M].北京：机械工业出版社.

田超，男，1988年生，助理工程师，硕士。2012年毕业于西安交通大学机械工程学院机械设计专业，毕业至今从事水轮机、水轮发电机和汽轮发电机强度与诊断研究。

作者简介：