85MW高轉速水輪發電機轉子設計

胡金秀 胡祥甫

【摘要】發電機轉子是水輪發電機組中的關鍵部件，對于大容量、高轉速轉子結構設計更是行業內研究的重點和難點。本文重點介紹GD-3電站轉子結構設計特點、關鍵部件應力分析及結構優化成果，為同類高轉速水輪發電機轉子結構設計提供參考、借鑒和經驗交流。

【關鍵詞】高轉速轉子；結構特點；應力分析

Design of 85MW High Speed Hydro Generator Rotors

HU Jin-xiuHU Xiang-fu

（DEC DongFeng Electric Machinery Co.，LTD. Leshan Sichuan，614000，China）

【Abstract】Generator rotor is the key component among the hydro generating unit. The structural design for the rotor with large capacity and high speed is the focus and difficulty of the research in industry. In this paper, the structural design characteristics of generator rotor and the stress analysis and structural optimization result of the key components for GD-3 Project in Ethiopia are presented for the purpose of reference and experience exchange for the structural design of high speed hydro generator rotors of similar kind.

【Key words】High Speed Rotor; Structural Characteristics; Stress Analysis

1電站概述

埃塞俄比亞GD-3水電站位于埃塞俄比亞首都亞的斯南部，裝設3臺單機容量85MW的立軸混流式水輪發電機組。發電機機型為SF85-14/5000，水輪機型號HLA892-LJ-245，最大水頭273m，采用密閉自循環雙路徑向無風扇端部回風冷卻系統。具有上、下兩個導軸承，推力軸承與上導軸承合用一個油槽，布置在上機架推力油槽內。該電站單機容量大、轉速高，飛逸工況下發電機轉動部件的最大線速度高達168.37 m/s。發電機設計時，需確保各主要受力部件滿足發電機在各種工況下運行的安全穩定性，同時還需考慮其工藝性和經濟性。高轉速、大容量水輪發電機的結構設計，特別是轉子結構設計一直是行業內研究的重點和難點，它的性能好壞直接影響整個機組的安全穩定運行。

GD-3電站發電機主要技術參數:

額定容量100MVA

額定功率85MW

額定電壓13800V

額定電流4183.7A

額定功率因數 0.85（滯后）

額定頻率 50Hz

額定轉速 428.6 r/min

飛逸轉速 763.4 r/min

額定勵磁電壓 240V

額定勵磁電流 970A

轉動慣量(GD2) ≥1260 t.m2

2轉子結構

轉子是水輪發電機組核心部件之一，它的設計、制造和安裝質量等直接影響機組的總裝質量乃至機組的安全運行。

圖1發電機轉子結構

GD-3電站根據發電機通風冷卻方式，轉子采用旋轉擋風板、無風扇結構。它主要由磁極、磁軛、轉子支架、主軸等組成，具體結構見圖1。

2.1磁極

磁極是水輪發電機產生磁場的主要部件，由磁極鐵芯、磁極線圈及阻尼繞組等組成，通過T尾和磁極鍵固定在磁軛上。因此，它不但要具備良好的電磁性能，還必須有一般轉動部件具有的機械性能。GD-3電站磁極結構設計時，為了降低加工工藝，經反復論證，并通過大量計算和有限元分析，設計一種當前加工能力可實現又能滿足產品性能要求的結構，見圖2。

圖2磁極裝配

2.2磁軛

轉子磁軛是發電機磁路的重要組成部分，也是固定磁極的結構部件。GD-3電站磁軛采用疊片磁軛結構，軸向長2160mm（含上下磁軛壓板），多邊形至對邊尺寸為3286mm。疊片磁軛裝配由磁軛沖片、通風槽片、拉緊螺桿、磁軛壓板、鎖定板、卡鍵、磁軛鍵等組成。磁軛沖片的疊片方式對磁軛的重量、磁軛的應力和拉緊螺桿的剪應力有直接影響。發電機極數少（14極）、轉速高、轉動慣量要求高，合理選擇磁軛疊片方式顯得尤為重要。磁軛沖片設計時，設計人員將層間相錯一個極距的基本疊法和層間相錯1/2個極距的疊片方式作了詳細的計算分析。

2.3轉子支架

轉子支架是水輪發電機的主要組成部分，也是將磁軛和主軸連接成一體的關鍵部件。GD-3電站轉子支架采用圓盤式結構，由輪轂、上圓盤、下圓盤、立筋及筋板組成，其機械性能通過強度計算和有限元應力分析得以保證。輪轂用20SiMn鍛造而成，上圓盤、下圓盤、立筋材料均采用高強度鋼板。該結構具有重量輕，剛度大的優點，特別適合本機組的徑向通風方式。

3主要部件有限元分析

通過CATIA三維軟件對磁極、轉子支架建立幾何模型，并用MSC.Ptran有限元軟件建立計算模型，利用 MSC.MARC有限元軟件進行有限元計算分析。

3.1磁極強度有限元分析

1）計算模型取1/14模型，施加循環對稱約束。采用4節點四邊行單元建模，由磁極結構及受力狀況采用平面應力計算模型進行計算。

2）磁極材料為：2WDER550；彈性模量：1500000MPa；泊松比：0.3；密度：5.75525×10-10t/mm3；屈服強度：550MPa。

磁極鍵材料為：鍛45；彈性模量：206800MPa；泊松比：0.3；密度：7.85×10-9t/mm3；屈服強度：355MPa。

3）計算結果：額定工況下磁極的Von Mises應力分布圖見圖3。

圖3額定工況下磁極的Von Mises應力分布

3.2轉子支架有限元分析

1）由對稱性取結構1/7建立計算模型，小三角筋板采用四邊形殼單元，其余部件采用八節點六面體單元。

2）輪轂材料：鍛20SiMn，彈性模量：206800MPa，泊松比：0.3，密度：7.85×10-9t/mm3，屈服強度：225MPa；拉伸強度：470MPa；延伸率：14%。支架其他部件材料：

Q390，彈性模量：206800MPa，泊松比：0.3，密度：7.85×10-9t/mm3，屈服強度：≤16mm，≥390MPa；≤16～35mm，≥370MPa；≤35～100mm，≥330MPa。拉伸強度：490～650MPa；延伸率：19%。

3）計算結果：額定工況下磁極的Von Mises應力分布圖見圖4。

圖4額定工況下磁極的Von Mises應力分布

根據有限元分析計算結果，額定工況計算應力偏大，調整了轉子支架上、下圓板及腹板材料，最終選用了性能更好的優質鋼板，滿足機械性能要求。

4結論

針對大容量高轉速水輪發電機轉子設計，在結構設計時合理應用新技術、新結構，并運用有限元分析手段，通過對發電機結構的合理調整，提高了機組的安全穩定性，為同類高轉速水輪發電機轉子結構設計提供參考、借鑒和經驗交流。

【參考文獻】

［1］白延年.主編.水輪發電機設計與計算[M].北京：機械工業出版社，1982.

［2］陳錫芳.主編.水輪發電機結構運行監測與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

［責任編輯：許麗］