仙游发电电动机转子支架结构强度及优化研究

罗功富 张建伟 王世建��

摘要：大容量高转速发电电动机的结构可靠性是研制大型抽水蓄能机组所关心和研究的核心课题。抽水蓄能机组相比于其他水电机组，其运行工况恶劣且复杂，因此要求其具有更高的结构可靠性。本文通过对仙游电站（300MW级）发电电动机转子支架的结构强度优化分析，验证了转子支架结构的应力水平及分析方法。

关键词：发电电动机；转子支架；强度；结构优化

300MW至400MW级大容量、高转速抽水蓄能电站属于大规模高效的储能系统，可承担电网的调峰、调频、调相HYPERLINK"http：//baike.baidu.com/view/141357.htm"t"_blank"等任务，为电网经济高效、安全稳定运行提供保障。

本文通过对仙游电站（300 MW级）大型抽水蓄能机组发电电动机转子支架的结构强度优化研究，确定了仙游电站机组发电电动机转子支架的结构形式及其可靠性设计等关键技术领域的设计计算方法，为其他大容量、高转速的大型发电电动机自主化设计提供了技术参考。

1 研究内容

本文通过利用大型有限元结构分析软件ANSYS，完成了仙游电站发电电动机转子支架分别在弹性键和热打键两种磁轭键连接方式下的应力分析，通过结构强度的优化计算，掌握了转子支架强度计算的最佳分析方法及分析流程。

2 仙游电站机组主要参数

仙游电站机组的主要参数如下：

额定转速428r/min

分离转速471 r/min

3 转子支架强度计算及结构优化

3.1 转子支架有限元计算

仙游电站机组的转速偏高，这为机组转动部件的结构设计带来了一定的难度。转子支架设计时考虑了直支臂和斜支臂两种结构形式，本文将介绍仙游发电电动机转子支架最终结构方案的强度分析及优化过程。

转子支架最终结构为弹性键结构，转子支架由中心轴、三角支撑等部件组成，转子支架与磁轭之间通过弹性键连接。

在建立有限元计算模型时，应用三维实体单元（SOLID45）对结构进行离散。由于该结构为旋转对称结构，分析时取1/7模型进行建模分析。

3.1.1弹性键、热打键处理方法

斜支臂（直支臂可认为是斜支臂的特例）转子支架在打键状态时，磁轭和转子支架支臂受到径向打键力作用，由于斜支臂转子支架支臂与中心轴具有一定的夹角，定义六维打键力函数F（x，y，z，θ，δ，c），其中：

x，y，z为位置坐标

θ斜支臂倾角

δ打键紧量

c机组状态参数

打键力函数F（x，y，z，θ，δ，c）可以分解为支架向心方向的力F1及周向的力F2两矢量力之和，矢量力F2将引起转子转动，从而造成转子支架大立筋打键力不再向心，引起大立筋的弯扭变形，以至打键力在大立筋上不再均匀分布。直接计算各运行状态下的打键力及其分布较为困难，且打键力与径向变形不再呈线性关系，因此不能简单地进行打键力计算，针对这一特点，利用以下方法对结构进行处理：

利用結构分析软件的实体单元（SOLID）模拟键与转子支架大立筋和磁轭的过盈配合，将支架支臂上的打键力函数F（x，y，z，θ，δ，c）作为隐函数进行数学建模（该方法不需直接计算打键力），考虑键的影响，在支架过盈面和磁轭过盈面通过过盈量设置来分析计算转子支架刚强度、自动模拟支臂转动等问题。

上述处理方法能有效解决仙游转子支架在打键工况、负荷工况、飞逸工况或机组在其它任意运行状态下的打键力F（x，y，z，θ，δ，c）再分配问题，真实、客观地反映实际情况，并且能大大减轻转子支架的计算工作量。

3.1.2打键力函数F（x，y，z，θ，δ，c）的计算

首先计算出机组在任意运行状态下的变形，提取出转子支架结构子模型，读取前述的位移作为新的边界条件，提取大立筋处的反力，该反力的大小与分布即为打键力函数F（x，y，z，θ，δ，c）的大小与分布。

3.2 斜支臂结构方案计算

仙游转子支架的初始设计结构为斜支臂结构，经过对斜支臂倾角、环板位置及数量优化后形成了最佳应力水平的斜支臂结构，结构如图1所示：

图1仙游斜支臂转子支架计算实体模型

斜支臂转子支架计算结果及分析。（1）打键工况。转子支架在分离转速下只承受重力、离心力作用，经计算磁轭和支架之间的打键紧量为amm。支架在此打键紧量并且承受重力作用下，最大等效应力为 387 MPa，位于支架大立筋处，属于典型的局部应力集中。图2为该工况转子支架等效应力分布示意图。

图2转子支架等效应力分布（打键工况）

（2）额定工况。在额定转速下，转子支架受打键紧量、额定扭矩和重力作用。支架最大等效应力为212MPa，位于支架大立筋上，图3为转子支架等效应力分布示意图。

图3转子支架等效应力分布（额定工况）

（3）飞逸工况。在飞逸转速下，转子支架承受离心力和重力载荷。在此工况下，支架上的最大等效应力为322MPa，图4为飞逸工况转子支架等效应力分布示意图。

图4转子支架等效应力分布（飞逸工况）

从上面计算可以看出，如果仙游转子支架采用斜支臂结构，其应力水平明显偏高，不建议采用，因此计算了直支臂+弹性键的转子支架结构。

直支臂+弹性键结构阐述：转子支架由中心轴、三角支撑等部件组成，转子支架与磁轭之间通过弹性键连接。

3.3 直支臂结构方案计算

直支臂+弹性键的转子支架结构如图5所示：

图5仙游直支臂转子支架计算实体模型

直支臂转子支架计算结果及分析。（1）打键工况。转子支架在分离转速下只承受重力、离心力作用，经计算磁轭和支架之间的打键紧量为b。

转子支架在此打键紧量并且承受重力作用下，最大等效应力为 323MPa，位于支架大立筋处，属于典型的局部应力集中。图6为该工况转子支架等效应力分布示意图，支架挠度为0.1mm，翘曲安全系数为19.44。

图6转子支架等效应力分布（打键工况）

（2）额定工况。在额定转速下，转子支架受打键紧量、额定扭矩和重力作用。支架最大等效应力为99MPa，位于支架大立筋上，图7为转子支架等效应力分布示意图。

图7转子支架等效应力分布（额定工况）

（3）飞逸工况。在飞逸转速下，转子支架承受离心力和重力载荷。在此工况下，支架上的最大等效应力为134MPa，图8为飞逸工况转子支架等效应力分布示意图。

图8转子支架等效应力分布（飞逸工况）

通过斜支臂和直支臂结构的应力比较，直支臂+弹性键结构的转子支架应力水平较斜支臂转子支架的应力水平有大幅降低，最终仙游电站机组采用了直支臂+弹性键的转子支架结构。

4 分析与总结

仙游转子支架计算结果表明，直支臂转子支架在打键工况、额定工况、飞逸工况的应力水平较斜支臂结构应力水平有大幅下降，在该应力水平比较容易选择材料。

东方电气通过仙游转子支架结构优化设计过程和取得的经验，掌握了大容量、高转速抽水蓄能机组转子支架强度设计分析方法和结构优化方法等关键核心技术。仙游转子支架的优化结构确定了东方型发电电动机转子支架的基本结构形式，该结构形式已陆续应用于仙居、绩溪、敦化、长龙山等高水头、大容量、高转速抽水蓄能机组发电电动机转子支架的设计之中。

参考文献：

[1]斜支臂转子支架机械性能计算方法研究及工程应用.东方电机，2010（4）.

[2]转子支架刚强度分析.机电信息，2013（15）.