抽水蓄能发电/电动机转子不同结构的对比分析*

2017-05-13张宇娇刘东圆黄雄峰聂靓靓秦威南

电机与控制应用 2017年4期

张宇娇, 刘东圆, 黄雄峰, 聂靓靓, 秦威南

(1. 三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室,湖北宜昌 443002； 2. 南方电网调峰调频发电公司检修试验中心，广东广州 511400； 3. 国家电网金华市供电公司，浙江金华 321000)

张宇娇1, 刘东圆1, 黄雄峰1, 聂靓靓2, 秦威南3

转子是高速电机直接传递载荷的部件，其结构稳定性影响机组的安全运行。不同于常规水轮发电机，抽水蓄能电机需在发电工况和电动工况间频繁切换，从而导致转子因频繁变化的转向和转速更易出现破坏。目前，由于国内电机设计缺少对比数据，对转子应采取何种结构尚无定论。针对南方电网抽水蓄能电站T尾部和鸽尾部两种结构的转子，选取相同的实际运行条件对比分析了各自结构的温升及其导致的应力，并对比了离心力导致的应力分布情况。在此基础上，通过对比结构上的叠加应力评估了不同转子结构的运行能力。结果表明：鸽尾部转子的应力分布优于T尾部转子，从而具有更高的稳定性。但鸽尾部转子温升情况更恶劣，实际运行应重点监测温度变化。

发电/电动机；转子；结构对比；温度；热应力；离心力

0 引言

不同于常规水轮发电机，发电/电动机做发电机或电动机运行时的多次起停将导致其转子频繁正反转[1];并且，机组多种运行工况间过渡过程复杂，使得转子受到较大负荷的冲击[2]。因而在实际运行中转子事故率更高，其中部件的损坏和变形占较大比例且有增加的趋势[3]。在研究发电/电动机转子部件安全可靠性方面，文献[4]针对三种不同结构的磁极连接线分析其结构的应力和寿命特点，给出了如何提高该部位稳定性的建议。但是，由于转子磁极和磁轭连接部位结构特殊，所以是实际运行中易出现应力集中和疲劳破坏的位置[5]。目前，国内已投运机组的连接部位常采用T尾部和鸽尾部两种结构，如南方电网广州抽水蓄能电站B厂采用西门子公司制造的鸽尾部转子；广州蓄能电站A厂和惠州抽水蓄能电站采用阿尔斯通公司制造的T尾部转子。由于国内蓄能机组设计制造方面缺乏各类机型设计与实际的比对且实测数据少[2]，对于应采用何种结构的转子尚无定论。通过研究不同结构转子的运行性能，为检修计划制定提供依据,从而提高机组运行稳定性;并为转子结构选型提供理论依据，进一步提高机组国产化设计制造的能力。

转子部件上的应力水平是评价结构稳定性的重要指标[6]，实际运行中结构承受着电磁力、温度变化和离心力叠加导致的应力。其中，电磁力仅占离心力的5%，其导致的应力常被忽略[7]。本文分别选取广蓄B厂的鸽尾部结构转子和惠蓄的T尾部转子为研究实例，针对两种不同转子结构，系统地对比研究了他们的温升及其导致的热应力分布，离心力导致的应力分布，以及上述两种应力叠加后两种结构实际运行情况下应力分布。在此基础上对两种结构转子的运行稳定性进行了探讨，为机组转子选型和设计提供理论依据。

1 转子结构对比方法

机组日常运行时转子结构承受温度和离心力导致的应力，根据弹性力学原理可分别计算两种因素单独导致的应力,并将其线性叠加得到结构总应力。导致机组温度变化的因素是瞬态磁场在各部件上产生电磁损耗导致的温度变化。根据机组实际运行参数，结合文献[8]中的稳态热传导方程计算电机全域的温升：

(1)

式中：λ——材料导热系数；α——散热系数;T——结构温度；q——热源密度；Tα——起始环境温度；n——结构表面单位法向矢量。

机组日常运行时由于外置风扇作用,电机表面及转子磁极表面空气均有很大流速，为强制对流散热，具体分为电机表面散热系数α1和转子磁极表面散热系数α2[9]：

(2)

式中：ν——电机表面空气流速;τ——极距。

电机日常运行时，转子不同部件的温度分布不同，并且各材料属性不同,将导致各部件间的热变形不同，而转子连接部位由于结构特殊，将导致不同部件的热变形相互约束，产生热应力。基于热弹性力学，结构上的热应力计算方程为

(3)

式中：σij,j——应力对坐标的导数；fi——结构上的外力；εij——结构上的应变；ui,j，uj,i——位移对坐标的导数；σij——结构上的应力；ν——弹性模量;E——弹性模量；δij——方程因数，当i=j时为1、当i≠j时为0；

β——材料的热膨胀系数；

结构上的离心力正比于机组转速的二次方[7]。由于机组不同工况下转子的转速和转向不同，结构承受的离心力不同。需针对不同工况分别分析其结构因离心力导致的应力。文献[10]给出了结构固定转速下的应力计算方程：

(4)

2 电机模型及载荷

抽水蓄能发电/电动机转子由磁极、磁轭、阻尼绕组和励磁绕组等部件构成。本文分别选取广蓄B厂的鸽尾部结构转子和惠蓄的T尾部转子，如图1所示。其中，T尾部转子的整体结构如图1(a)所示;其磁极通过T型尾部结构与磁轭直接相连，如图1(b)所示,该部位直接限制磁极的离心运动。对比图1(a)和图1(c)可以看出，鸽尾部转子与T尾部转子的结构差异主要表现在两者在磁极连接处的不同。图1(d)所示为鸽尾部局部放大图，对比图1(b)可以看出两种结构的主要区别在于鸽尾部转子磁极连接处增加了接触部位的斜度。

图1 发电电动机转子结构

发电/电动机的基本参数如表1所示。对比分析两种结构转子的温度分布及由其导致的热应力分布时，均采用表1中的运行参数。散热系数计算均以实际散热条件为依据。即外置6个风冷机，风量为652 m3/h，由式(4)计算定子铁心表面和转子磁极表面的等效导热系数,并将环境温度设定为28 ℃。分析结构承受离心力导致的应力时，选取机组额定运行工况，其转速为500 r/min。

表1 发电/电动机基本参数

两种结构转子各部件相关材料参数如表2所示。其中，阻尼绕组及励磁绕组材料为T2纯铜；转子磁极材料为500TG硅钢；转子磁轭材料为SD320硅钢。

表2 材料参数

3 计算结果及分析

3. 1 转子温升及热应力分布对比

分别计算不同结构下转子的温度分布，如图2所示。对比图2(b)和图2(d)中的温度分布可以看出，两种结构下转子磁轭温度分布情况大致相同，并且转子峰值温度点均位于磁轭尾槽的两端。由于该部位的热变形被磁极尾部所约束，将导致局部热应力过大。机组日常运行时对于转子这类的旋转部件温度监测无法实现对各部件的温度监测，说明检修工作应重点关注磁轭尾槽部位的温升破坏情况。

图2 转子温度分布对比图

对比图2(a)和图2(c)的温度值发现，在相同激励条件及散热条件下，鸽尾部转子磁极的峰值温度点位于绕组侧中部，T尾部转子磁极的峰值温度点位于绕组侧上部。考虑到转子热形变沿半径方向不受约束，不会出现热应力集中。将两种结构转子磁极和磁轭的温度分布相对比发现，在相同运行条件和散热条件的情况下，鸽尾部转子整体的温升要高于T尾部转子，对于采用该类转子结构的机组需重点预防材料因温升导致的破坏。

图3 转子热应力分布对比图

鸽尾部转子热应力的分布与T尾部转子的对比如图3所示。可以看出，T尾部转子的峰值热应力达到195 MPa，位于磁极T尾部。鸽尾部转子的峰值热应力达到183 MPa，位于磁轭鸽尾槽。影响结构热应力的主要因素为温度和约束。结合图2中的温度分布可以看出，鸽尾部转子的平均温度高于T尾部转子，但结构上热应力却小于T尾部转子。这是由于转子磁极鸽尾和磁轭鸽尾槽接触部位存在斜度，材料承受的拉应力为局部热应力的分量。两种结构下转子的最大热应力均小于材料的屈服强度，因此结构不会因温度变化发生塑性变形而破坏。

3. 2 转子叠加应力分布对比

发电工况下转子旋转方向为顺时针，电动工况下旋转方向为逆时针。发电工况下不同转子结构离心力单独导致的应力如图4和图5所示。从图4可以看出当机组做发电机运行达到额定转速时，由离心力导致的峰值应力出现在3号鸽尾部的B点，达到336 MPa，小于材料的屈服强度，结构不会因屈服而出现破坏。

图4 鸽尾部转子离心力导致应力对比图

图5 T尾部转子离心力导致应力对比图

相同工况下T尾部转子结构承受离心力导致应力的分布如图5所示。对比图4中的应力情况可以看出，同样转速下T尾部转子应力分布情况也出现了不同工况下的最大应力位置不同的特点。但是，T尾部转子的最大应力值达到416 MPa。将图4和图5的磁极尾部和磁轭尾槽的应力值对比后发现，相同的转速条件下，T尾部转子的应力值明显高于鸽尾部转子。这与两种结构转子的热应力分布规律相同，都是由磁极鸽尾和磁轭接触部位的特殊结构导致材料承受热应力为总应力的分量导致的。

根据弹性力学应力叠加原理，叠加转子承受的热应力和离心力导致的应力得到不同结构的叠加应力分布，如图6所示。将两种结构的转子在机组做发电机和电动机运行时的应力分布图相对比，发现不同工况下结构出现最大应力的位置不同。分别为鸽尾部转子发电工况出现在3号鸽尾B点，电动工况出现在1号鸽尾A点；T尾部转子发电工况出现在5号T尾部B点，电动工况出现在1号T尾A点。这是由于发电/电动机日常运行时转子需频繁切换转向和转速导致的。机组复杂工况长时间运行后将导致结构不同部位的损伤不同，检修计划制定时应分别针对各工况的最大应力点检测其破坏及寿命情况。

图6 不同工况转子叠加应力对比图

图7 不同结构应力对比图

由于不同工况下转子最大应力位置不同，分别提取不同工况下两种结构最大应力值，如图7所示。可以看出考虑温度的影响后，T尾部转子的叠加应力高于热应力或离心力单独作用的应力。由于鸽尾部转子的磁极尾部结构特殊，其结构的叠加应力小于离心力单独导致的应力，这将一定程度降低结构的损伤从而提高转子的寿命。并且，对比图1(a)和图1(c)中的磁极连接部总体结构可以看出，在相同容量和转速的运行条件下，T尾部转子的磁极连接部较鸽尾部转子更加复杂，但结构上的应力却不会因此降低，所以高转速的机组采用鸽尾部转子结构更能保证运行稳定性。

4 结语

本文对比分析了两种不同结构转子在相同运行条件下的温度分布、热应力分布和离心力导致的叠加应力分布情况。在此基础上对两种不同结构的转子运行稳定性进行了对比分析。从机组温升情况来看，相同运行条件及散热条件下，T尾部转子各部件的温升情况优于鸽尾部转子。从转子不同结构下的应力分布情况来看，鸽尾部转子结构的热应力和离心力导致的应力分布情况优于T尾部转子的分布情况；并且，鸽尾部转子结构叠加应力小于温度或离心力单一导致的应力，从而使得结构的疲劳寿命优于T尾部转子。

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Comparison of Pumped Storage Generator/Motor with Different Rotor Structure*

ZHANGYujiao1,LIUDongyuan1,HUANGXiongfeng1,NIELiangliang2,QINWeinan3

(1. Hubei Key Laboratory of Cascaded Hydropower Stations Operation & Control, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2. CSG Power Generation Company Maintenance and Test Center, Guangzhou 511400, China; 3. Jinhua Power Supply Company of State Grid, Jinhua 321000, China)

The rotor of a motor is connected directly to the mechanical loading at high speed, its structure stability leads directly to the safe operation of the unit. Different from the traditional hydro-generator, the pumped storage machine frequently switches between generator mode and motor mode, leading to structural damage of the rotor under variable rotational direction and speed. The structure design of the rotor is difficult because of the lacking of contrast data. By comparing the distribution of temperature rise, thermal stress, and stress caused by centrifugal force under realistic operating condition, the structure stability of the different rotor structure in a pumped-storage power station in Guangzhou, owned by China Southern Power Grid Company, was analysis. The results showed that the stress distribution of the dovetail slot was better than the distribution of the T-shape slot, leading to better stability. But the temperature distribution of the rotor slot-dovetail need carefully monitoring because of the higher temperature rise of the structure.

generator/motor; rotor; structure comparison; temperature; thermal stress; centrifugal force

国家自然科学基金(51577106)；南方电网科技项目(K-ST2013-001)；三峡大学2016年硕士学位论文培优基金项目(2016PY043)

张宇娇(1979—)，女，副教授，博士研究生，研究方向为电磁装备多物理场耦合数值计算。刘东圆(1993—)，男，硕士研究生，研究方向为电力设备多物理场耦合计算及运行状态监测。

TM 307

1673-6540(2017)04- 0001- 05

2016 -09 -20