高轉速發電電動機極間連接線疲勞壽命分析

蘭 波，劉 福，王建剛，王艷武，李 博，張永會，馮剛聲，楊紹愛

（1. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2. 國網新源控股有限公司，北京 100761；3. 湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡市 438600）

0 引言

1 極間連接線計算模型與邊界條件

磁極連接線是水輪發電機磁極的重要部件，其連接方式分為柔性連接和剛性連接，其中剛性連接又分為剛性組合連接和剛性直接連接。極間連接線在運行過程中除了受到自身離心力作用外還要承受由于溫度變化引起磁極線圈的熱膨脹對極間連接的附加載荷，一些帶有螺栓連接的位置還要承擔預緊力載荷。除此之外，發電電動機整個壽命內的起停機次數比常規機組頻繁，極間連接結構的應力計算結果不但要滿足強度要求，疲勞壽命和損耗方面也必須保證機組在整個壽命期內安全可靠。

本文針對三種典型的極間連接結構進行了詳細的分析和計算，通過三種結構在不同工況下的應力結果對比、疲勞壽命對比、壽命期內的損耗對比，分析了幾種結構的應力特點和壽命特點。

1.1 極間連接線模型概述

本文針對柔性連接和剛性連接（組合連接、直接連接）進行了對比分析，考慮了離心力載荷、螺栓預緊力載荷、磁極線圈熱膨脹載荷對極間連接的作用。對于每一種極間連接方式，在實際設計和安裝中又分為磁極極靴部位連接和磁極 T尾部位連接。為了詳細研究這些結構的應力和疲勞壽命，共計算了 6種結構分別在額定工況、甩負荷工況和飛逸工況的應力及不同工況組合產生的疲勞壽命和壽命期內的疲勞損耗。計算結構形式和工況說明見表1。

1.2 邊界條件

（1） 強度計算力學模型及邊界條件。

利用 ANSYS軟件，建立極間連接線，磁極線圈及把合螺釘的整體模型。各部件均采用實體建模，使用 SOLID185單元劃分網格，部件連接使用接觸單元模擬。各個模型如圖1所示。

邊界條件：

整體施加相應的轉速模擬離心力（額定轉速、甩負荷轉速、飛逸轉速）；

把合螺釘上施加預緊力；

磁極連接線溫升；

磁極線圈熱膨脹對極間連接線的附加載荷；

發電機主要參數見表2。

表1 極間連接線結構形式及計算工況

表2 發電電動機主要參數

圖1 極間連接結構有限元模型

（2） 疲勞壽命計算及疲勞損耗計算

零件或構件由于交變載荷的反復作用，在它所承受的交變應力尚未達到靜強度設計的許用應力情況下就會在零件或構件的局部位置產生疲勞裂紋并擴展、最后突然斷裂。這種現象稱為疲勞破壞。一般情況下，材料所承受的循環載荷的應力幅越小，到發生疲勞破斷時所經歷的應力循環次數越長。S-N曲線就是材料所承受的應力幅水平與該應力幅下發生疲勞破壞時所經歷的應力循環次數的關系曲線。S-N曲線一般是使用標準試樣進行疲勞試驗獲得的。

發電電動機在 40年壽命期內起停機、甩負荷、飛逸工況對應的應力幅分別為 Sa1、Sa2、Sa3，通過計算得到的的疲勞次數分別為 Nl、N2、N3，對于額定工況的應力幅 Sa1而言，單獨作用時的疲勞壽命為 N1，甩負荷和飛逸工況的應力幅對應的壽命為N2、N3。在起停機工況 Sa1作用了 n1次，對結構所造成的損傷程度記為：n1／N1，甩負荷和飛逸工況所造成的損傷程度分別記為 n2／N2、n3／N3。全壽命損耗及評價標準見表3。

設計壽命期內，起停機設計壽命不能低于：n1=10次/天×365天×40年=146000次。

設計壽命期內，甩負荷設計壽命不能低于：n2=30次/年×40年=1200次。

設計壽命期內，飛逸設計壽命不能低于：n3=1次/年×40年=40次。

按照線性疲勞積累損傷準則，全壽命內，各應力幅造成的損傷程度累計疊加不應超過1，即 ：

表3 疲勞循環方式及疲勞損耗評價標準

其中：{Ai，Bi，Ci，（i=1，2，3）}分別為單一循環工況下對應的疲勞損耗。

2 主要工況應力計算結果匯總

對三種連接方式的 6種結構進行分析，剛性直接連接結構應力分布見圖 2，柔性連接結構應力分布見圖 3，剛性組合連接結構應力分布見圖 4，結果匯總見表4。根據計算結果可見，剛性直接連接結構的應力水平與其他兩種結構相比，應力水平較低。

圖2 剛性直接連接結構應力分布

圖3 柔性連接結構應力分布

3 疲勞壽命及疲勞損耗分析

根據發電電動機運行的有限元仿真應力計算結果，極間連接結構疲勞壽命最小的位置均為應力水平較高的部位。以材料的 S-N曲線作為疲勞計算的基礎，計算極間連接線每個部件在不同工況循環下的疲勞壽命。同時，根據不同工況組合應力的循環次數和設計循環次數，通過 Miner損傷理論預測極間連接線壽命期的疲勞損耗。三種結構主要部件可能出現的疲勞位置見圖4，疲勞壽命計算結果匯總見表5。

圖4 剛性組合連接結構應力分布

考慮各個工況循環后，部件的疲勞損耗結果如表5，磁極剛性直接連接方式在整個壽命期內的疲勞損耗均優于其他兩個方案。

表4 極間連接6種結構的應力對比

4 結論

本文針對三種典型的極間連接結構進行了詳細的分析。從靜強度和疲勞壽命兩個方面研究了高轉速極間連接結構的安全與可靠性。通過對比三種結構形式在不同工況下的應力水平、不同工況組合下的疲勞壽命以及全壽命期的疲勞損耗，極間連接采用剛性直接連接方式無論是應力水平還是疲勞壽命均優于其他兩個連接方式。這為極間連接線的設計提供了重要的指導意義。

表5 部件疲勞壽命結果匯總表

表6 全壽命期內的疲勞損耗

[1]白延年. 水輪發電機設計與計算[M]. 機械工業出版社, 1982年9月第一版.

[2]徐灝. 機械強度的可靠性設計 [M]. 機械工業出版社, 1984年2月第一版.

[3]Collins J A. Fatigue of Materials in Mechanics Design [M]. New York: Wiley, 1981.