抽水蓄能电站发电机转子磁极围带刚强度和疲劳寿命计算

梁庆春

(华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏 宜兴 214205)

抽水蓄能电站发电机转子磁极围带刚强度和疲劳寿命计算

梁庆春

(华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏 宜兴 214205)

发电机转子磁极围带能够有效防止转子旋转时产生的离心力对线圈的破坏，从而保障机组正常运行.采用有限元法，应用有限元分析软件ANSYS对国内某抽水蓄能电站的发电机转子磁极围带刚强度进行计算，以ASME标准为考核依据，验证了该转子磁极围带设计满足刚强度设计准则和刚强度要求，完全能够保证机组安全、稳定地运行.同时，采用Miner累积损伤准则进行磁极围带疲劳寿命计算，验证结果表明转子磁极围带能够满足运行要求.

转子；磁极围带；刚强度；有限元；疲劳寿命

抽水蓄能电站发电机在电力系统中起着调峰调相的作用，对电力系统的安全稳定运行起着重要的保障和控制作用.发电机中的转子部分通过旋转切割磁力线实现发电，如果发电机转子结构设计存在问题，势必影响机组的发电质量，甚至导致机组无法正常发电.近年来，新建抽水蓄能电站的发电机容量均较大，运行时转速较高，容易发生各种运行故障.为了避免机组运行故障的发生，需要在发电机结构设计上进行相应的改进.目前，大部分发电机制造厂家在发电机转子线圈外部添加磁极围带作支撑，以防止转子运转所产生的离心力切向分量对线圈质量造成影响.因此，在转子设计过程中，对转子磁极围带进行刚强度计算以保障机组的稳定运行是十分必要的.目前，国内还未见针对抽蓄机组发电机转子磁极围带的刚强度和疲劳寿命计算的相关论文，本研究以国内一个具体抽蓄电站磁极围带刚强度和疲劳寿命计算为例进行详细论述，具有重要意义.

表1 机组转子结构材料参数Tab.1 Material parameters of unit rotor structure

1 某抽水蓄能电站主要参数

1.1 机组参数

机组额定转速为375 r/min，飞逸转速为538 r/min.

1.2 材料参数

机组转子结构的主要材料参数见表1.

2 磁极围带刚强度计算

著名结构分析软件ANSYS是目前最流行的有限元分析软件，被广泛应用于工程技术领域，亦被引入水利工程领域[1-2].本研究采用有限元法，运用ANSYS软件对该电站发电机磁极线圈围带进行刚强度计算分析，考核其疲劳强度水平.

2.1 有限元计算模型及边界条件

图1 磁极本体有限元模型(部分)Fig.1 Magnetic body finite element model(quarter)

在建立有限元计算模型时，将磁极本体(包括磁极线圈、绝缘部)部分作为分析对象.

磁极本体的有限元计算模型采用ANSYS软件中的三维实体单元建模，采用全六面体单元划分的方法对磁极进行有限元网格剖分.磁极围带有限元实体模型见图1.

在实际运行过程中，转子围带、绝缘部分和线圈之间存在相互作用，传统的计算方法很难精确估计它们之间的作用力大小和作用分布区域.为了真实地模拟它们之间的相互作用，均采用ANSYS的接触单元进行模拟.在ANSYS程序中，接触状态是通过跟踪接触面上的点相对于另一个目标面上的点的位置来表示的，使用接触单元来跟踪两个面的相对位置，接触单元形状可以为三角形、四面体或锥形，其底面由目标面上的节点组成，而顶点为接触面上的节点.在进行接触分析时，通过罚函数或罚函数与拉格朗日法协调控制，保证一个面不会渗透另一个面超过某一容许量.同时，通过定义适当的接触刚度，使其既不会因接触刚度过小引起过大的渗透，又不会因接触刚度过大而导致病态条件.

2.2 有限元计算结果

在额定转速和飞逸转速下，磁极围带部分的最大应力及位移见表2.

表2 磁极本体各工况的最大应力及位移Tab.2 Maximum stress and deformation of each part of the magnetic body

额定转速和飞逸转速下的磁极围带等效应力分布和位移分布见图2至图5.

图2 磁极围带等效应力分布(额定转速)Fig 2 Equivalent stress distribution of magnetic shroud(rated speed)

图3 磁极围带位移分布(额定转速)Fig 3 Displacement distribution of magnetic shroud(rated speed)

图4 磁极围带等效应力分布(飞逸转速)Fig.4 Equivalent stress distribution of magneticshroud(runaway speed)

图5 磁极围带位移分布(飞逸转速)Fig.5 Displacement distribution of magneticshroud(runaway speed)

3 磁极围带刚强度计算结果分析

图6 应力分类Fig.6 Sketch of stress classification

3.1 考核标准

将美国机械工程师协会(ASME)标准作为磁极围带刚强度计算结果的考核依据.根据ASME标准给出的用有限元法计算应力的限制[3]将应力分类，见图6.

不同应力类型的许用应力需满足如下要求：

Pm

(1)

PL+PB<1.5Sm，

(2)

PL+PB+Q<3.0Sm.

(3)

3.2 计算结果与ASME标准比较

将磁极围带刚强度计算结果与ASME标准进行对比，结果见表3和表4.

表3 按ASME标准确定许用应力Tab.3 According to ASME standard to determine the allowable stress MPa

表4 计算应力与ASME许用应力对比表Tab.4 Comparison table of calculating stress and ASME allowable stress

4 磁极围带疲劳寿命计算

4.1 计算准则

基于ASME规范，采用Miner累积损伤准则[4]进行疲劳寿命分析.Miner累积损伤系数计算公式为

(4)

式中：ni为在一个应力变化幅度(或者事件)内的载荷循环次数；Ni为在一个应力变化幅度(或者事件)内的需用载荷循环次数，通过S-N曲线获得；D为累积损伤系数.如果在所计算的载荷循环次数内，累积损伤系数D≤1，那么在这些所计算的载荷循环内，疲劳寿命是安全的.

4.2 疲劳寿命计算

电站发电机转子磁极围带的屈服极限为343 MPa，材料强度极限为490 MPa，根据力学理论和东方电机磁极围带疲劳特性[5-6]，磁极围带材料交变循环的S-N曲线对应点近似如表5所示.

此处将材料持久极限作为1 000 000次循环应力点安全保守算法.考虑99%样本成活率和有限元计算规范,即交变应力乘以50%作S-N曲线的对应点修正.在额定工况围带应力集中处，根据疲劳计算理论公式SM×N=C(常数) ,计算可得M=8.29.

在额定工况，考虑平均应力，采用Goodman修正进行疲劳计算[7-9]，得到启机-额定-停机循环次数N为3 289 300.在飞逸工况，采用Gerber修正进行疲劳计算得到允许飞逸次数N为8 400[10].本研究中疲劳损伤因子计算假定机组设计运行的40 a内,每天启停机10次和飞逸2次，据此进行的围带疲劳寿命计算见表6.

表5 S-N曲线对应点数据Tab.5 The data of S-N Curve corresponding point

表6 磁极围带启停机疲劳寿命计算表(99%样本成活率)Tab.6 Fatigue life calculation table for starting and stopping of magnetic shroud(99% sample survival rate)

5 结论

电站机组制造单位在发电机转子设计过程中按本方法对磁极围带刚强度进行计算，机组投运至今，转子磁极围带部分未发生任何故障，由此可见该方法对磁极围带刚强度计算有效.

[1] 翟泽冰,李静.TENDAHO大坝溢洪道钢梁预应力锚杆断裂事故处理[J].浙江水利水电学院学报,2014,26(4):31-35.

[2] 姚新刚,徐良华,高炼,等.响水涧抽水蓄能电站地下厂房静力特性分析[J]. 浙江水利水电学院学报,2016,28(5):24-28.

[3] 魏江鹏,钱才富,陈朝晖,等.ASME规范中材料应力应变的数值化表征方法研究[J].化工设备与管道,2016,3(53):1-5.

[4] 王悦东,葛巍,李向伟.焊接接头疲劳寿命评估中板厚参数的影响分析[J].大连交通大学学报,2017,38(1):30-33.

[5] 王军领,詹俊勇,曹镇游,等.曲轴疲劳强度分析[J].机械工程与自动化,2017(1):106-108.

[6] 何庆庆,罗永要,王正伟,等.水轮发电机转子疲劳寿命预测分析[J].水力发电学报,2010,29(6):223-228.

[7] 马晓华,郑敏生,梁国钱.弹性模量对坝体混凝土防渗墙应力变形影响分析[J].水力发电学报,2013,32(1):230-236.

[8] 罗天洪,李德山,黄兴刚,等.轮式挖掘机驱动桥壳疲劳失效分析[J].重庆理工大学学报(自然科学版),2013,27(5):1-5.

[9] 徐杰,刘斌,韩庆华,等.开孔波折板连接的弹性混凝土-钢组合梁力学性能[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2015,31(2):209-218.

[10]陈伟,那景新,扈越萌.冲压成形工艺对材料疲劳性能影响的实验研究[J].锻压技术,2015,40(12):126-130.

Calculationofthestiffnessandfatiguelifeoftherotormagneticshroudofthegeneratorinthepumpedstoragepowerstation

LIANGQingchun

(EastChinaYixingPumpedStoragePowerCo.,Ltd.,Yixing214205,China)

The rotor magnetic shroud of the generator can effectively prevent the centrifugal force from the damage to the coil generated when the rotor is rotated, and guarantee the normal operation of the unit. ANSYS software,is applied to calculate the generator rotor shroud of a pumped storage power station the with the ASME standard as the basis for the assessment, verifying that the rotor shroud design meet the design criteria of stiffness and stiffness requirements. At the same time, the miner cumulative damage criterion is used to calculate the fatigue life of the magnetic shroud, and the results show that the rotor magnetic shroud can meet the operation requirements.

rotor; magnetic shroud; stiffness; finite element; fatigue life

TV734.2

A

1674-330X(2017)04-0072-04

2017-09-02

梁庆春(1981-)，男，江苏滨海人，高级工程师，主要从事抽蓄电站机电运维工作.