屏蔽电机定子屏蔽套疲劳试验研究

陈 刚，李藏雪，刁立民



屏蔽电机定子屏蔽套疲劳试验研究

陈 刚，李藏雪，刁立民

（哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨150040）

本文以某屏蔽电机为例，采用有限元方法对定子屏蔽套疲劳特性进行分析，根据特性分析结果设计并制造了专用的定子屏蔽套疲劳试验装置，依据设计要求规定及ASME法规附录III相关要求进行了定子屏蔽套循环载荷下疲劳试验，试验结果满足要求，证明了某屏蔽电机定子屏蔽套能够满足使用要求。

屏蔽电机；屏蔽套；试验；疲劳

0 前言

反应堆冷却剂泵由屏蔽电机和泵组成，屏蔽电机内腔与泵腔相通，内腔充满了高温、高压反应堆冷却剂。为防止定子绕组受到反应堆冷却剂侵蚀导致定子绕组绝缘系统失效，采用耐腐蚀的定子屏蔽套将定子绕组与反应堆冷却剂隔离。

定子屏蔽套采用耐腐蚀性、非磁性哈氏合金薄板纵向焊接而成，两端分别与屏蔽电机定子上端、定子下端焊接，形成定子绕组的密闭腔。由于定子屏蔽套薄板本身不能承受屏蔽泵反应堆冷却剂的高压，因此由定子铁心、支撑筒、定子上端、定子下端共同构成了定子屏蔽套整体支撑结构。

反应堆冷却剂泵在设计寿命周期内承受着压力、温度变化工况引起的瞬态循环载荷主泵电机各部件在循环载荷作用下产生结构位移，尤其是薄壁的定子屏蔽套产生的结构位移明显，导致定子屏蔽套产生疲劳。

本文以某屏蔽电机为例，采用有限元分析与试验相结合的方法，设计制造了一个专用的屏蔽套疲劳试验装置，依据ASME法规要求最终完成了定子屏蔽套疲劳试验，验证定子屏蔽套满足要求。

1 定子屏蔽套疲劳特性分析

结构上，屏蔽套越厚，结构刚度越大、承载能力越强。但屏蔽电机实际运行过程中，定子屏蔽套会产生电涡流损耗且损耗的大小与定子屏蔽套厚度成正比，屏蔽套损耗计算经验公式如下：

为了保证屏蔽套的功能及屏蔽电机的性能参数，屏蔽套一般采用高强度的不锈钢制成，厚度在0.3mm~0.7mm之间。由于屏蔽电机内腔试验压力超过20MPa，因此薄壁屏蔽套需要有足够的支撑以满足运行要求。图1为某屏蔽电机的定子屏蔽套及其支撑结构。

反应堆冷却剂泵运行过程中存在各种瞬态工况，瞬态工况下电机内部的压力、温度会发生变化，由于定子屏蔽套的质量远比其支撑结构质量小，导致定子屏蔽套的温度变化速度更快，因此定子屏蔽套更容易发生变形。另外，受加工制造、装配等因素影响，定子屏蔽套容易产生屈曲、疲劳。

图1 定子屏蔽套及支撑结构图

考虑到本文中屏蔽电机实际运行时下部温度较上部高，在压力等载荷作用下电机下部定子屏蔽套更容易产生疲劳，因此本文中针对电机下部开展分析及试验等工作。

本文采用ANSYS有限元分析方法进行屏蔽套疲劳特性分析，分析求解过程中，以结构中节点位移为基本未知量进行求解，求解出节点位移后得出单元应变：

计算出单元应变后，根据线弹性本构方程，得出单元应力。

1.1 屏蔽套屈曲特性分析

反应堆冷却剂泵定子屏蔽套支撑结构中的支撑筒与定子上端、定子下端、定子铁心之间在径向位置存在差异，在运行过程中的压力、温度循环载荷作用下引起定子屏蔽套产生屈曲。

1.1.1 模型建立

在ANSYS中采用轴对称单元plane 42来建立定子屏蔽套及支撑筒等支撑部件的二维有限元模型，对齿压板进行了相应简化。有限元模型如图2所示；采用线接触单元contact 172和target 169单元模拟接触面。定子屏蔽套和支撑筒的接触形式同样采取线接触单元来模拟；对齿压板和定子下部施加全位移约束，在主泵正常运行时，定子屏蔽套内部承受主回路15.5MPa的压力，因此对定子屏蔽套内径上的节点施加15.5Mpa的压力，具体施加约束位置如图3所示。

图2 有限元模型

图3 载荷和约束

1.1.2 计算结果分析

定子下端支撑筒的最大径向位移为0.14mm，位移分布如图4：

图4 径向位移分布图

定子屏蔽套沿支撑筒轴向方向设置位置点，并分析定子屏蔽套发生的应变，结果在支撑筒中间位置点8处的应变最大，如图5及图6所示。

1.2 屏蔽套径向疲劳特性分析

定子屏蔽套支撑结构铁心段包括齿部、槽部及槽楔，当屏蔽电机内部压力升高时，定子屏蔽套将发生变形以适应定子槽深，变形后的形状如图7所示，在实际运行过程中由于压力反复作用，屏蔽套在槽楔处容易产生径向疲劳。

图5 应变分析位置点分布图

图7 定子屏蔽套变形

1.2.1 模型建立

建立定子屏蔽套铁心段三维模型，其中层叠片只建立于槽楔相同外径的局部模型。在定子屏蔽套和定子铁心的接触形式采用接触面来模拟。在定子屏蔽套内部施加15.5MPa的系统压力，屏蔽套上、下两端面及槽楔和层叠片外环面施加全位移约束，见图8。

图8 定子屏蔽套铁心段三维模型图

1.2.2 计算结果分析

分析得到定子屏蔽套中间部分的位移分布比较均匀，屏蔽套两端的位移呈两端向中心递增的趋势，这段长度约为75mm。在15.5MPa的内压作用下，屏蔽套在槽楔位置处的位移变化最大，约0.48mm。见图9。

图9 定子屏蔽套铁心段径向位移分布图

2 定子屏蔽套疲劳试验

依据定子屏蔽套特性分析结果，设计制造了一个专用定子屏蔽套疲劳试验装置，为了充分模拟屏蔽电机定子屏蔽套的疲劳，试验装置的设计要求、关键尺寸、制造工艺与屏蔽电机要求相同，试验装置见图10。

1、上端盖；2、上封头；3、机座；4、定子铁心；5、下端盖；6、定子屏蔽套；7、支撑筒

图10 定子屏蔽套疲劳试验装置

定子屏蔽套疲劳试验采用专用的屏蔽套疲劳寿命测试系统完成，该测试系统具备压力自动循环功能如常压-升压-降压-常压、升降压速率可调功能、试验装置充水排气功能等。定子屏蔽套疲劳试验依据技术要求中规定的设计循环载荷要求，其考核标准按照ASME法规第III卷附录中循环系数≥20的要求执行。试验时间-压力曲线如图11所示。

定子屏蔽套疲劳试验完成后，拆解定子屏蔽套疲劳试验装置，并对定子屏蔽套表面、环焊缝、纵焊缝等可达表面进行了液体渗透无损检测，探伤结果合格，试验后的定子屏蔽套疲劳试验装置如图12所示。

图11 时间-压力循环曲线

图12 试验后定子屏蔽套疲劳试验装置

根据试验结果可以判定，定子屏蔽套能够承受规定的循环载荷，满足使用要求。

3 结论

本文针对反应堆冷却剂泵屏蔽电机定子屏蔽套在运行过程中由于瞬态载荷作用下产生疲劳问题，以某屏蔽电机为例开展了理论分析及试验研究。

（1）采用有限元方法对定子屏蔽套疲劳特性包括屈曲特性及径向疲劳特性进行分析，确定了定子屏蔽套结构上位移变化及变化趋势；

（2）根据疲劳特性分析结果，在保证能够模拟实际定子屏蔽套疲劳的前提下，设计并制造了一个专用的定子屏蔽套疲劳试验装置；

（3）依据屏蔽电机技术要求并按照ASME法规循环系数要求进行了定子屏蔽套疲劳试验，试验后对试验装置定子屏蔽套进行了液体渗透无损检测，试验结果满足要求，证明了某屏蔽电机定子屏蔽套能够满足使用要求。

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Experimental Research on Stator Can Fatigue of Canned Motor

CHEN Gang, LI Cangxue, DIAO Limin

(Harbin Electric Power Equipment Company limited, Harbin 150040, China)

Stator can fatigue of a certain canned motor was researched in this paper. The fatigue character of stator can was analyzed using finite element method. Special test set up for stator can fatigue was designed and fabricated according to the result of stator can fatigue character analysis. The stator can capability was tested under cyclic loads according to design specification and requirements of the ASME BPVC appendix III. The test result is qualified. It can be concluded that the stator can meet the operating requirement.

canned motor; stator can; test; fatigue

TM358

A

1000-3983(2016)06-0037-04

2016-07-11

大型先进压水堆及高温气冷堆核电站重大专项CAP1400屏蔽泵电机屏蔽套疲劳寿命及测试系统研究（2013ZX06002002-018）

陈刚(1984-)，2009年毕业于哈尔滨工业大学电机与电器专业，现在哈尔滨电气动力装备有限公司从事特种电机研发工作，工程师。

审稿人：李志和