屏蔽電機(jī)定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)研究

陳 剛，李藏雪，刁立民

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屏蔽電機(jī)定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)研究

陳 剛，李藏雪，刁立民

（哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱150040）

本文以某屏蔽電機(jī)為例，采用有限元方法對(duì)定子屏蔽套疲勞特性進(jìn)行分析，根據(jù)特性分析結(jié)果設(shè)計(jì)并制造了專用的定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)裝置，依據(jù)設(shè)計(jì)要求規(guī)定及ASME法規(guī)附錄III相關(guān)要求進(jìn)行了定子屏蔽套循環(huán)載荷下疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，證明了某屏蔽電機(jī)定子屏蔽套能夠滿足使用要求。

屏蔽電機(jī)；屏蔽套；試驗(yàn)；疲勞

0 前言

反應(yīng)堆冷卻劑泵由屏蔽電機(jī)和泵組成，屏蔽電機(jī)內(nèi)腔與泵腔相通，內(nèi)腔充滿了高溫、高壓反應(yīng)堆冷卻劑。為防止定子繞組受到反應(yīng)堆冷卻劑侵蝕導(dǎo)致定子繞組絕緣系統(tǒng)失效，采用耐腐蝕的定子屏蔽套將定子繞組與反應(yīng)堆冷卻劑隔離。

定子屏蔽套采用耐腐蝕性、非磁性哈氏合金薄板縱向焊接而成，兩端分別與屏蔽電機(jī)定子上端、定子下端焊接，形成定子繞組的密閉腔。由于定子屏蔽套薄板本身不能承受屏蔽泵反應(yīng)堆冷卻劑的高壓，因此由定子鐵心、支撐筒、定子上端、定子下端共同構(gòu)成了定子屏蔽套整體支撐結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)堆冷卻劑泵在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)承受著壓力、溫度變化工況引起的瞬態(tài)循環(huán)載荷主泵電機(jī)各部件在循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)位移，尤其是薄壁的定子屏蔽套產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移明顯，導(dǎo)致定子屏蔽套產(chǎn)生疲勞。

本文以某屏蔽電機(jī)為例，采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)制造了一個(gè)專用的屏蔽套疲勞試驗(yàn)裝置，依據(jù)ASME法規(guī)要求最終完成了定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證定子屏蔽套滿足要求。

1 定子屏蔽套疲勞特性分析

結(jié)構(gòu)上，屏蔽套越厚，結(jié)構(gòu)剛度越大、承載能力越強(qiáng)。但屏蔽電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，定子屏蔽套會(huì)產(chǎn)生電渦流損耗且損耗的大小與定子屏蔽套厚度成正比，屏蔽套損耗計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

為了保證屏蔽套的功能及屏蔽電機(jī)的性能參數(shù)，屏蔽套一般采用高強(qiáng)度的不銹鋼制成，厚度在0.3mm~0.7mm之間。由于屏蔽電機(jī)內(nèi)腔試驗(yàn)壓力超過(guò)20MPa，因此薄壁屏蔽套需要有足夠的支撐以滿足運(yùn)行要求。圖1為某屏蔽電機(jī)的定子屏蔽套及其支撐結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)堆冷卻劑泵運(yùn)行過(guò)程中存在各種瞬態(tài)工況，瞬態(tài)工況下電機(jī)內(nèi)部的壓力、溫度會(huì)發(fā)生變化，由于定子屏蔽套的質(zhì)量遠(yuǎn)比其支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，導(dǎo)致定子屏蔽套的溫度變化速度更快，因此定子屏蔽套更容易發(fā)生變形。另外，受加工制造、裝配等因素影響，定子屏蔽套容易產(chǎn)生屈曲、疲勞。

圖1 定子屏蔽套及支撐結(jié)構(gòu)圖

考慮到本文中屏蔽電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)下部溫度較上部高，在壓力等載荷作用下電機(jī)下部定子屏蔽套更容易產(chǎn)生疲勞，因此本文中針對(duì)電機(jī)下部開(kāi)展分析及試驗(yàn)等工作。

本文采用ANSYS有限元分析方法進(jìn)行屏蔽套疲勞特性分析，分析求解過(guò)程中，以結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量進(jìn)行求解，求解出節(jié)點(diǎn)位移后得出單元應(yīng)變：

計(jì)算出單元應(yīng)變后，根據(jù)線彈性本構(gòu)方程，得出單元應(yīng)力。

1.1 屏蔽套屈曲特性分析

反應(yīng)堆冷卻劑泵定子屏蔽套支撐結(jié)構(gòu)中的支撐筒與定子上端、定子下端、定子鐵心之間在徑向位置存在差異，在運(yùn)行過(guò)程中的壓力、溫度循環(huán)載荷作用下引起定子屏蔽套產(chǎn)生屈曲。

1.1.1 模型建立

在ANSYS中采用軸對(duì)稱單元plane 42來(lái)建立定子屏蔽套及支撐筒等支撐部件的二維有限元模型，對(duì)齒壓板進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化。有限元模型如圖2所示；采用線接觸單元contact 172和target 169單元模擬接觸面。定子屏蔽套和支撐筒的接觸形式同樣采取線接觸單元來(lái)模擬；對(duì)齒壓板和定子下部施加全位移約束，在主泵正常運(yùn)行時(shí)，定子屏蔽套內(nèi)部承受主回路15.5MPa的壓力，因此對(duì)定子屏蔽套內(nèi)徑上的節(jié)點(diǎn)施加15.5Mpa的壓力，具體施加約束位置如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 載荷和約束

1.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

定子下端支撐筒的最大徑向位移為0.14mm，位移分布如圖4：

圖4 徑向位移分布圖

定子屏蔽套沿支撐筒軸向方向設(shè)置位置點(diǎn)，并分析定子屏蔽套發(fā)生的應(yīng)變，結(jié)果在支撐筒中間位置點(diǎn)8處的應(yīng)變最大，如圖5及圖6所示。

1.2 屏蔽套徑向疲勞特性分析

定子屏蔽套支撐結(jié)構(gòu)鐵心段包括齒部、槽部及槽楔，當(dāng)屏蔽電機(jī)內(nèi)部壓力升高時(shí)，定子屏蔽套將發(fā)生變形以適應(yīng)定子槽深，變形后的形狀如圖7所示，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于壓力反復(fù)作用，屏蔽套在槽楔處容易產(chǎn)生徑向疲勞。

圖5 應(yīng)變分析位置點(diǎn)分布圖

圖7 定子屏蔽套變形

1.2.1 模型建立

建立定子屏蔽套鐵心段三維模型，其中層疊片只建立于槽楔相同外徑的局部模型。在定子屏蔽套和定子鐵心的接觸形式采用接觸面來(lái)模擬。在定子屏蔽套內(nèi)部施加15.5MPa的系統(tǒng)壓力，屏蔽套上、下兩端面及槽楔和層疊片外環(huán)面施加全位移約束，見(jiàn)圖8。

圖8 定子屏蔽套鐵心段三維模型圖

1.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

分析得到定子屏蔽套中間部分的位移分布比較均勻，屏蔽套兩端的位移呈兩端向中心遞增的趨勢(shì)，這段長(zhǎng)度約為75mm。在15.5MPa的內(nèi)壓作用下，屏蔽套在槽楔位置處的位移變化最大，約0.48mm。見(jiàn)圖9。

圖9 定子屏蔽套鐵心段徑向位移分布圖

2 定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)

依據(jù)定子屏蔽套特性分析結(jié)果，設(shè)計(jì)制造了一個(gè)專用定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)裝置，為了充分模擬屏蔽電機(jī)定子屏蔽套的疲勞，試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求、關(guān)鍵尺寸、制造工藝與屏蔽電機(jī)要求相同，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖10。

1、上端蓋；2、上封頭；3、機(jī)座；4、定子鐵心；5、下端蓋；6、定子屏蔽套；7、支撐筒

圖10 定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)裝置

定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)采用專用的屏蔽套疲勞壽命測(cè)試系統(tǒng)完成，該測(cè)試系統(tǒng)具備壓力自動(dòng)循環(huán)功能如常壓-升壓-降壓-常壓、升降壓速率可調(diào)功能、試驗(yàn)裝置充水排氣功能等。定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)依據(jù)技術(shù)要求中規(guī)定的設(shè)計(jì)循環(huán)載荷要求，其考核標(biāo)準(zhǔn)按照ASME法規(guī)第III卷附錄中循環(huán)系數(shù)≥20的要求執(zhí)行。試驗(yàn)時(shí)間-壓力曲線如圖11所示。

定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)完成后，拆解定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)裝置，并對(duì)定子屏蔽套表面、環(huán)焊縫、縱焊縫等可達(dá)表面進(jìn)行了液體滲透無(wú)損檢測(cè)，探傷結(jié)果合格，試驗(yàn)后的定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)裝置如圖12所示。

圖11 時(shí)間-壓力循環(huán)曲線

圖12 試驗(yàn)后定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)裝置

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以判定，定子屏蔽套能夠承受規(guī)定的循環(huán)載荷，滿足使用要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑泵屏蔽電機(jī)定子屏蔽套在運(yùn)行過(guò)程中由于瞬態(tài)載荷作用下產(chǎn)生疲勞問(wèn)題，以某屏蔽電機(jī)為例開(kāi)展了理論分析及試驗(yàn)研究。

（1）采用有限元方法對(duì)定子屏蔽套疲勞特性包括屈曲特性及徑向疲勞特性進(jìn)行分析，確定了定子屏蔽套結(jié)構(gòu)上位移變化及變化趨勢(shì)；

（2）根據(jù)疲勞特性分析結(jié)果，在保證能夠模擬實(shí)際定子屏蔽套疲勞的前提下，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)專用的定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)裝置；

（3）依據(jù)屏蔽電機(jī)技術(shù)要求并按照ASME法規(guī)循環(huán)系數(shù)要求進(jìn)行了定子屏蔽套疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)裝置定子屏蔽套進(jìn)行了液體滲透無(wú)損檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，證明了某屏蔽電機(jī)定子屏蔽套能夠滿足使用要求。

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Experimental Research on Stator Can Fatigue of Canned Motor

CHEN Gang, LI Cangxue, DIAO Limin

(Harbin Electric Power Equipment Company limited, Harbin 150040, China)

Stator can fatigue of a certain canned motor was researched in this paper. The fatigue character of stator can was analyzed using finite element method. Special test set up for stator can fatigue was designed and fabricated according to the result of stator can fatigue character analysis. The stator can capability was tested under cyclic loads according to design specification and requirements of the ASME BPVC appendix III. The test result is qualified. It can be concluded that the stator can meet the operating requirement.

canned motor; stator can; test; fatigue

TM358

A

1000-3983(2016)06-0037-04

2016-07-11

大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站重大專項(xiàng)CAP1400屏蔽泵電機(jī)屏蔽套疲勞壽命及測(cè)試系統(tǒng)研究（2013ZX06002002-018）

陳剛(1984-)，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，現(xiàn)在哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司從事特種電機(jī)研發(fā)工作，工程師。

審稿人：李志和