两极汽轮发电机转子护环跳动分析

李 德，彭丽媛，陈玄鹏，王 帆，张 健

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 引言

护环作为汽轮发电机转子外径最大的部件，热套安装于转子端部，起着稳定、支撑、防止转子绕组端部变形和移位的作用。汽轮发电机转子高速运转过程中，护环既承受自身及端部绕组的高速离心载荷作用，又承受与转轴本体端部过盈配合载荷的作用，故对护环作刚强度评估是汽轮发电机转子结构设计必需项之一。

护环热套安装于转轴本体端部，加之转轴大齿、小齿接触刚度差异等原因，使得转子护环跳动行为复杂且难以理解，一直为工程师们所困扰。查阅现有文献资料表明，护环刚强度设计所采用的主流方法是有限单元法，通过有限元方法对护环刚强度进行二维或三维的仿真分析。但一般侧重于护环二维空间维度的强度设计问题，仅文献[1]建立了1/4部分转轴-护环-中心环三维模型分析了护环过盈装配后的变形呈现类圆形分布的特点。文献[2]揭示了两极汽轮发电机转轴跳动由于极心、极间惯性矩差异表现出45°夹角位置最为显著的特点。

考虑到有限元仿真技术有效、直观、生动的优势，本文采用ANSYS Workbench有限元软件对两极汽轮发电机护环在静止、额定、超速工况下变形行为进行了分析，并进一步研究了转子护环跳动分布规律。

1 静止、额定、超速三种工况下的护环变形

本节对两极汽轮发电机护环在静止、额定、超速工况下的变形行为进行了研究，建立了某一机型转轴-护环-中心环三维装配及有限元模型，见图1～图3。转子采用悬挂式护环结构，护环的一端热套在转子本体上，另一端则热套在悬挂的中心环上，对端部绕组等结构进行防护。护环与转轴间的过盈紧量通过ANSYS Workbench非线性接触设定实现。机组额定转速为3 000 r/min，超速转速为3 600 r/min，转子端部绕组结构件等效为离心压力载荷施加在护环内表面，在汽端、励端轴径位置施加固定约束。提取汽端、励端护环内侧(靠近本体一侧)、中间、外侧(靠近中心环一侧)三个部位的径向变形(单位：mm)，分析其变形特点，见图4～图7。图中，垂直轴为极中心线位置，水平轴则为极间中心线位置。

图1 转轴-护环-中心环剖面图

图2 转轴-护环-中心环三维装配模型示意(1/4显示)

图3 转轴-护环-中心环三维有限元模型

图4显示了静止、额定、超速三种工况下的汽端护环内侧、中部、外侧径向变形分布。由图可见，径向变形整体呈现出类椭圆分布的特点。极心大齿位置变形最大，极间位置则最小，其中静止工况下变形在极心、极间之间出现波动，额定工况下变形接近椭圆分布，超速工况变形沿圆周方向则进一步变得均匀。励端护环变形规律与汽端基本一致(见图5)。显而易见上述这种变形分布特点对于采用二维轴对称有限元模型是难以揭示及表征出来的，也体现出采用三维模型进行有限元仿真的优势所在。图6和图7则表明护环沿轴向呈现出中间低、两侧高的马鞍形状，且随转速升高，内侧、中部、外侧护环间变形差逐步削弱，与图4、图5规律吻合。

图4 汽端护环内侧、中部、外侧径向变形分布

图5 励端护环内侧、中部、外侧径向变形分布

图6 汽端护环径向变形沿轴向分布

图7 励端护环径向变形沿轴向分布

上述护环变形行为产生的机理主要在于两极汽轮发电机悬挂式护环结构特点所致。悬挂式护环类似一个圆筒状结构，其内侧热套固定于转轴本体端部齿所在配合面，外侧则热套固定于中心环上，中间部位则处于相对自由的状态。同时，本体周向分布的大齿、小齿自身刚度具有较大差异，而中心环圆周方向的刚度则十分均匀，从而使得护环变形规律呈现出上述特点。

2 护环跳动现象及分析

由于测量跳动时，汽轮发电机转子处于低速盘车旋转状态，故可按静止工况模拟护环的径向变形。基于建立的护环三维有限元模型，以极间中心线为测量起点，通过改变重力加速度方向实现转子旋转效应，并提取与重力方向垂直向的变形作为跳动测量表计的测点数据从而实现了对护环旋转一周的径向圆跳动行为进行分析。此分析方法为关注及从事两极汽轮发电机转子护环跳动分析的工程师提供了参考思路。

汽端、励端护环内侧、中部、外侧径向变形(单位：丝或道)规律见图8及图9。由图可见，护环跳动对极心、极间呈对称关系，汽端、励端规律基本一致，周向跳动呈现类椭圆分布的特点，内侧跳动值最大、外侧次之，中间则最低。内侧护环跳动最小值位于极间偏极心15°的位置，最大值位于极间偏极心75°的位置；中间部位护环跳动最小值位于极间，为负值，表明此位置护环处于向内凹陷的状态，最大值位于极心，为正值，圆周跳动由负至正过渡变化；外侧护环跳动最小值位于极间，最大值位于极心，整体分布呈椭圆形，再次证明中心环侧的刚度分布均匀，使得外侧护环跳动表现出较为规矩的椭圆形分布特点。

图8 汽端护环跳动分布

图9 励端护环跳动分布

综合上述内容可知，汽轮发电机护环跳动测量接近于静态工况，难以表征实际运行工况下(即额定转速下)的护环变形状态。但是，根据跳动测量数据可以有效判定护环套装后是否偏心(跳动分布对极中心线、极间中心线的对称程度)。

3 结论

本文建立了两极汽轮发电机转轴-护环-中心环三维有限元模型，采用ANSYS Workbench对静止、额定、超速三种工况下的护环变形规律进行了仿真分析，并进一步分析了护环径向跳动规律。研究表明：转轴大齿、小齿刚度差异，转子极心、极间惯性矩差异使得护环跳动呈现出类椭圆并与极心、极间对称分布的特点。由于悬挂式护环自身结构特点，不同部位的跳动规律又有其各自特点；护环跳动测量虽难以表征转子高速运转状态，但仍可有效作为护环套装质量优劣的重要判定依据。这对于评估两极汽轮发电机转子的可靠、稳定运行具有重要参考价值，对于工程师们理解护环跳动行为具有重要指导意义。