1000MW發(fā)電機定子運輸端蓋的優(yōu)化設計

謝玉增，梁洪濤，劉慶河，杜金程，曹鳳波，牟 松

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1000MW發(fā)電機定子運輸端蓋的優(yōu)化設計

謝玉增，梁洪濤，劉慶河，杜金程，曹鳳波，牟 松

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

1000MW汽輪發(fā)電機定子鐵路運輸方案采用運輸端蓋結(jié)構形式。在設計過程中，結(jié)合有限元建模分析手段進行了結(jié)構形式及結(jié)構尺寸的優(yōu)化設計研究，以達到重量更輕、結(jié)構應力分布更合理、運輸安全系數(shù)更高的目標，同時避免機座變形對發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構產(chǎn)生危害。

汽輪發(fā)電機；定子；運輸端蓋

0 前言

大型汽輪發(fā)電機定子不僅重量大而且斷面尺寸闊大，在道橋活載荷及運輸限界尺寸的限制條件下，專用運輸車的結(jié)構完全不同于傳統(tǒng)的車輛，鉗夾車是針對運輸這種重量及斷面尺寸同時超出常規(guī)的貨物設計制造的，鉗夾車沒有完整的承載地板，運輸時鉗夾車的鉗夾梁通過銷孔及壓柱與貨物鉸接，依靠貨物自身剛度與鉗夾梁形成承載縱梁。運輸聯(lián)接工具是采用鉗夾車運輸發(fā)電機定子的關鍵部件，包括托鉤（也稱為掛貨鉤）及運輸端蓋（也稱為運輸法蘭）兩種結(jié)構形式，運輸端蓋結(jié)構形式的運輸聯(lián)接工具能夠使發(fā)電機定子更接近軌面，降低超限程度，且自身結(jié)構重量相對更輕，所以整體鐵路運輸?shù)?000MW汽輪發(fā)電機定子運輸方案確定為該種形式。針對以往采用運輸端蓋運輸發(fā)電機定子過程出現(xiàn)的耳板根部應力集中現(xiàn)象和連接螺栓應力分布問題，整體鐵路運輸1000MW汽輪發(fā)電機定子受運輸總重限制而使機座重量大幅度減輕、剛強度減弱等問題，在端蓋式運輸整體鐵路運輸聯(lián)接工具的設計過程中，結(jié)合有限元建模分析手段，進行了結(jié)構形式及結(jié)構尺寸的優(yōu)化設計研究，以達到重量更輕、結(jié)構應力分布更合理、運輸安全系數(shù)更高的目標，還要避免機座變形對發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構產(chǎn)生危害。

1 運輸端蓋結(jié)構形式的優(yōu)化

運輸端蓋是鉗夾車運輸發(fā)電機定子的關鍵部件，關系到車輛的完整性、負責靜力及運輸沖擊力的傳輸，由鉗夾梁銷孔及壓柱施加的巨大集中載荷要通過運輸端蓋分散到機座外皮等部位[1]。根據(jù)靜力分析結(jié)果，每側(cè)鉗夾梁銷孔的拉力及每側(cè)壓柱施加的應力高達448t，運輸端蓋必須將這些集中載荷合理擴散到發(fā)電機定子機座，避免產(chǎn)生局部過高應力。為達到預期效果，先后提出三種結(jié)構方案，依據(jù)有限元建模分析對比，進行了兩次較大的結(jié)構變更。

1.1 方案1

運輸端蓋基本原型結(jié)構參考了國內(nèi)鐵路運輸托克托的600MW等級發(fā)電機定子采用的運輸端蓋，該運輸端蓋采用厚度為100mm主體平板結(jié)構，每件運輸端蓋重量接近15t，超出總體方案的預期值，經(jīng)ANSYS有限元建模分析，存在縱向剛度不足的問題，使發(fā)電機定子機座局部變形過高，產(chǎn)生應力集中問題。

1.2 方案2

為降低運輸端蓋的重量，將主體平板結(jié)構的厚度從100mm降低到16mm，將與機座端面結(jié)合部位加厚到70mm，形成加強圓環(huán)，并采取增設與耳板之間的拉筋方法增強結(jié)構剛度。為加強縱向剛度，將耳板縱向尺寸由方案1的200mm增大到500mm，厚度尺寸由100mm減小到40mm，耳孔部位加厚至120mm，降低耳孔部位應力；左右壓柱之間以及左右耳孔之間采用加大斷面尺寸的加強橫梁結(jié)構，與耳板結(jié)構共同組成了井字形加強結(jié)構。上述措施使運輸端蓋的結(jié)構剛度大幅度提高，降低了鉗夾力引起的結(jié)構變形，消除了機座及運輸端蓋的局部應力集中現(xiàn)象，同時降低了運輸端蓋的結(jié)構重量，形成方案2。有限元建模分析結(jié)果顯示，總體效果較方案1有明顯的提升，但仍然存在耳板下部應力集中以及端蓋連接螺栓應力分布不均勻的問題。同時由于機座重量減輕且直徑減小，定子機座在鉗夾彎矩的作用下形成較大撓度，引起彈簧板變形應力過高問題，形成安全隱患。

1.3 方案3

方案3在方案2結(jié)構基礎上增加了施加預緊力的拉桿結(jié)構，拉桿和螺母的材料為鍛造25Cr2Ni4MoV直徑120mm，采用捶頭式凹球面拉桿座，直接與耳板底部延伸結(jié)構接觸，形成母材鉸接傳力結(jié)構，避免焊接結(jié)構承受高應力。該結(jié)構通過調(diào)整拉桿的預緊力，改善了結(jié)構應力分布，并減小了定子機座撓度，從而改善了彈簧板等機座結(jié)構的應力狀態(tài)，同時徹底消除了以往結(jié)構特有的耳板下部應力集中以及端蓋連接螺栓應力分布不均勻的問題，為發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構安全及運輸安全提供了保障。定子運輸裝車如圖1所示。

圖1 發(fā)電機定子裝車圖

2 有限元分析

有限元建模分析采取與定子機座共同建模分析的方法，雖然使建模工作量大幅度增加，但卻使計算結(jié)果更接近實際，而以往分析計算采用將定子機座等效為剛體結(jié)構的方法存在較大的誤差。

2.1 三種方案有限元模型

計算時取一半結(jié)構，采用高精度六面體實體單元，其中端蓋與機座之間采用面—面接觸單元，螺栓帽與端蓋之間采用點—點接觸單元進行建模。方案1端蓋單元（半個）21,377個；面—面接觸單元8,870個；點—點接觸單元928個，如圖2所示。

圖2 方案1有限元網(wǎng)格

方案2端蓋單元（半個）單元總計172,259個；端蓋單元（半個）27,409個；面—面接觸單元9,482個；點—點接觸單元624個，如圖3所示。

圖3 方案2有限元網(wǎng)格

方案3端蓋單元（半個）單元總計161,090個；端蓋單元（半個）21,155個；面—面接觸單元9,372個；點—點接觸單元560個，如圖4所示。

圖4 方案3有限元網(wǎng)格

2.2 三種方案計算結(jié)果比較

鐵心軸向彈性模量取1.5×105N/mm2，另兩個方向彈性模量2.06×105N/mm2；其他部分材料彈性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.3。考慮動荷系數(shù)0.3，實際施加壓力和耳孔處拉力均為448×9.81×1.3=5,713kN，自重以加速度形式施加，結(jié)構總重410t，加速度取值9.81×1.3 = 12.753m/s2，其中方案3在拉桿位置另外施加 4806.9kN壓力。三種方案均在端蓋耳孔位置施加支撐約束，在對稱面位置施加對稱約束。

方案1的應力分布計算分析如圖5所示。

圖5 方案1應力分布

方案2的應力分布計算分析如圖6所示。

圖6 方案2應力分布

方案3的應力分布計算分析如圖7所示。

圖7 方案3應力分布

根據(jù)計算結(jié)果對比分析，在機座應力及端蓋自身應力方面方案2較方案1有明顯好轉(zhuǎn)，但連接螺栓應力分布仍不合理，部分螺栓應力過高，安全系數(shù)不夠理想；方案3采用了施加預緊力的拉桿結(jié)構，使機座撓度大幅度降低，使發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構應力得以降低，連接螺栓應力分布趨于合理，最大應力較前兩個方案降低近半，安全系數(shù)大幅度提高，如表1所示。

3 分析驗證

根據(jù)分析計算結(jié)果，施工設計采用方案3結(jié)構。兩次運輸實踐分別于2010年年末與2011年年初實施，為確保運輸安全，采取專列實施運輸，專列加掛試驗車對發(fā)電機、運輸端蓋、拉桿以及鉗夾車的關鍵部位進行實時監(jiān)控。監(jiān)控數(shù)據(jù)表明，有限元分析結(jié)果正確，如表2所示。

表1 計算結(jié)果比較

表2 計算結(jié)果與運輸實時監(jiān)控結(jié)果比較

4 結(jié)束語

優(yōu)化后的運輸端蓋采用井字加強框架結(jié)構，自身重量更低、抗彎剛度更高，也使連接螺栓受力分布更均勻；采用施加預緊力的貫穿拉桿可以進一步降低危險部位的高應力和連接螺栓應力，是更為穩(wěn)妥的方式，部分拉力通過施加預緊力的貫穿拉桿直接傳輸，降低定子與運輸端蓋連接螺栓的受力，保證連接壓力和整體性，對保障運輸安全十分有利。

[1] 梁洪濤, 等. 1000MW級汽輪發(fā)電機定子鐵路整體運輸方案研究[J]. 大電機技術, 2008(3).

[2] 謝玉增, 等. 1000MW級汽輪發(fā)電機定子鐵路運輸研究總結(jié)[J]. 大電機技術, 2013(1).

[3] 梁洪濤, 等. 1000MW汽輪發(fā)電機設計改進[J]. 大電機技術, 2013(4).

[4] 田葆栓, 等. 中國鐵路長大貨物車使用手冊[M]. 中國鐵道出版社, 2005.

Design Improvement for Transportation Flange of 1000MW Turbo-generator Stator

XIE Yuzeng, LIANG Hongtao, LIU Qinghe, DU Jincheng, CAO Fengbo, MU Song

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Transportation flange was adopted in railway transported stator of 1000MW Turbo-generator. In the designing process, structure type and dimension was optimized combined with finite element analysis in order to get lighter weight, more reasonable stress distribution and higher safety factor, and meantime avoid the harm to inner structure caused by frame deformation.

turbo-generator; stator; transportation flange.

TM311

A

1000-3983(2014)04-0048-03

2013-09-05

謝玉增（1956-），1982年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學機械制造專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪發(fā)電機設計及設計管理工作，高級工程師。

審稿人:沈梁偉