水轮发电机转子支架应力仿真与试验

2016-02-15张慧珍曾荣霄张慧博

四川水利 2016年4期

关键词：水轮发电机有限元

张慧珍，曾荣霄，张慧博

(1.四川水利职业技术学院，四川崇州，611231；2.电子科技大学成都学院，成都，611731)

水轮发电机转子支架应力仿真与试验

张慧珍1，曾荣霄2，张慧博3

(1.四川水利职业技术学院，四川崇州，611231；2.电子科技大学成都学院，成都，611731)

水轮发电机转子结构需要设计支架作为支撑部件，计算及分析支架的强度有利于转子部件保持结构稳定。本文对某发电机转子进行应力仿真，分别计算出两种工况下的应力分布情况，并通过应力试验数据显示，该支架具有良好的强度性能，应力分布较为合理，其支架结构完全能够满足水轮发电机组的运行要求。

水轮发电机转子支架应力仿真试验强度性能

1 概述

大中型水轮发电机转子，通常设置有支架结构。其作用是将主轴和磁轭连接起来，形成一个整体，以此来达到提升转子强度的目的。由此可见，转子支架是机组中受力极复杂的重要部件，如若发生变形和失效，对水轮发电机结构会造成极大的危害，严重影响水轮发电机组的稳定性和安全性，使得机组效率急剧下降。所以，对于转子支架的设计和应力分析是非常有必要的。目前，转子支架的应力分析方法，是以计算最不利点的应力极大值为主。传统观点认为，只要应力极大值低于材料的许用应力，则强度是符合要求的。然而，大多数情况下，在支架的应力计算中，均会得到实际受力小于许用应力的结果，但支架变形情况却依然存在。原因在于，即使受载情况未超过材料许用应力，但是若承载不平衡，应力分布情况不佳，也会降低支架结构的强度。随着计算机技术的飞速发展，发电机转子支架的有限元分析手段也日趋成熟，采用有限元法能够获取转子支架的应力分布规律，继而判断其强度性能。因此，在支架成品生产前，预先了解其应力分布规律，再辅之以试验手段，能够有效确保支架的强度符合要求，达到较高的安全系数，为后续机组的安全稳定运行奠定基础。

2 转子支架应力计算

水轮发电机转子支架的应力数值计算，是校核其结构设计合理与否的第一步，本质上来说，就是在预先设定好的外形、尺寸、材料特性等基础上，利用数值计算方法，分析其强度特性是否合理。

2.1 仿真条件设置

本文选择某电站水轮发电机支架为例，根据电站提供的模型数据、尺寸、结构等资料，首先完成转子支架的有限元计算模型，然后再进行参数条件设置。该环节分为4个步骤进行：

(1)网格划分。通过分析支架设计图纸可知，支架外形呈对称性规律性。因此，有限元模型可以采用六面体网格进行划分〔1、2〕，这样有助于保证后面计算分析的可靠性和准确性；

(2)载荷条件。当转子转动时，支架的受载形式为扭矩和离心力载荷。扭矩的表达式〔3〕为：

(1)

式中，P为功率；n为转速。

离心力载荷计算公式：

(2)

a.支架整体

b.轮毂

式中，R为半径；m为质量；ω为角速度。

(3)定义材料。按照电站设计图纸，支架设计的材料为：主体Q345A，轮毂Q235A。

(4)计算条件设置。设置迭代次数为2000次，开始计算。

2.2 计算结果后处理

本文的计算工况确定为比较具有代表性的两个工况：飞逸工况，额定工况。仿真之后的结果如图1、图2所示。

结论分析：由图1、图2可知，两种工况下，应力分布规律较为一致。出现应力极大值的位置为轮毂中轴圆附近。此外，起吊孔附近的区域、支撑筋板附近的应力值也偏大。具体计算结果见表1。

a.支架整体

b.轮毂

表1 有限元分析结果单位：MPa

根据表1可知，支架系统的应力极大值远小于材料的许用应力，因此从理论计算来说，该支架的强度性能较好，设计合理。

3 试验论证

3.1 试验流程

应力试验是验证仿真进度的最有效手段。试验的基本原理〔4、5〕为，在发电机支架上布置应变片，当电机转子在各工况下旋转时，因为弯矩、扭矩等因素，受载部位会产生一定量的变形，应变片的作用就是监测变形量，产生脉冲信号并转换为电信号，最后根据变形量换算成对应应力。变形量和位移计算关系式〔6〕为：

(3)

式中，△l为承载后的位移变形量；FN为单位应力；li为受力区域长度；E为泊松比；Ai为区域受力面积。

由于该机组属于小型发电机，故仅布置5个测点的应变片即可。具体布置位置如图3所示。

图3 应变片布置示意

试验测试流程：(1)分别在额定和飞逸工况下，让发电机转子旋转；(2)当转子加速至稳定转速时，开启仪器进行测试；(3)根据输出系统，显示并记录测试参数；(4)保存结果。试验测试系统如图4所示。

图4 试验测试系统

对比仿真与试验结果如表2所示。

表2 试验结果与仿真对比

3.2 结论分析

3.2.1 由表2可知，应变片测试的应力情况为：支架中心区域附近，应力较小，向两侧延伸时，应力值开始逐渐提高，当接近起吊孔位置时，应力值最大，而后又会有一定的下降，但下降幅度不大。因此，支架应力分布情况是具有规律性的，且以中心为对称面，两侧几乎分布相同，故可以认为，该系统是平衡的。

3.2.2 比较而言，试验与仿真结果体现一致性规律(平均偏差约为±6.4%)，多数测点的应力值略小于计算值。由此可知，支架在实际运行中，强度性能比仿真结果还要好。主要原因〔7〕是，数值计算中，为保证强度满足要求，载荷参数通常取峰值。然而在发电机运行时，除少量区域外，大部分位置的实际承载肯定比峰值低，所以对比二者数据，试验值以负偏差居多。

3.2.3 试验值所测的应力极大值，同样远低于材料许用应力。因此，该转子支架的结构合理，强度性能满足要求，可以直接使用。