仙游發電電動機轉子支架結構強度及優化研究

羅功富 張建偉 王世建??

摘要：大容量高轉速發電電動機的結構可靠性是研制大型抽水蓄能機組所關心和研究的核心課題。抽水蓄能機組相比于其他水電機組，其運行工況惡劣且復雜，因此要求其具有更高的結構可靠性。本文通過對仙游電站（300MW級）發電電動機轉子支架的結構強度優化分析，驗證了轉子支架結構的應力水平及分析方法。

關鍵詞：發電電動機；轉子支架；強度；結構優化

300MW至400MW級大容量、高轉速抽水蓄能電站屬于大規模高效的儲能系統，可承擔電網的調峰、調頻、調相HYPERLINK"http：//baike.baidu.com/view/141357.htm"t"_blank"等任務，為電網經濟高效、安全穩定運行提供保障。

本文通過對仙游電站（300 MW級）大型抽水蓄能機組發電電動機轉子支架的結構強度優化研究，確定了仙游電站機組發電電動機轉子支架的結構形式及其可靠性設計等關鍵技術領域的設計計算方法，為其他大容量、高轉速的大型發電電動機自主化設計提供了技術參考。

1 研究內容

本文通過利用大型有限元結構分析軟件ANSYS，完成了仙游電站發電電動機轉子支架分別在彈性鍵和熱打鍵兩種磁軛鍵連接方式下的應力分析，通過結構強度的優化計算，掌握了轉子支架強度計算的最佳分析方法及分析流程。

2 仙游電站機組主要參數

仙游電站機組的主要參數如下：

額定轉速428r/min

分離轉速471 r/min

3 轉子支架強度計算及結構優化

3.1 轉子支架有限元計算

仙游電站機組的轉速偏高，這為機組轉動部件的結構設計帶來了一定的難度。轉子支架設計時考慮了直支臂和斜支臂兩種結構形式，本文將介紹仙游發電電動機轉子支架最終結構方案的強度分析及優化過程。

轉子支架最終結構為彈性鍵結構，轉子支架由中心軸、三角支撐等部件組成，轉子支架與磁軛之間通過彈性鍵連接。

在建立有限元計算模型時，應用三維實體單元（SOLID45）對結構進行離散。由于該結構為旋轉對稱結構，分析時取1/7模型進行建模分析。

3.1.1彈性鍵、熱打鍵處理方法

斜支臂（直支臂可認為是斜支臂的特例）轉子支架在打鍵狀態時，磁軛和轉子支架支臂受到徑向打鍵力作用，由于斜支臂轉子支架支臂與中心軸具有一定的夾角，定義六維打鍵力函數F（x，y，z，θ，δ，c），其中：

x，y，z為位置坐標

θ斜支臂傾角

δ打鍵緊量

c機組狀態參數

打鍵力函數F（x，y，z，θ，δ，c）可以分解為支架向心方向的力F1及周向的力F2兩矢量力之和，矢量力F2將引起轉子轉動，從而造成轉子支架大立筋打鍵力不再向心，引起大立筋的彎扭變形，以至打鍵力在大立筋上不再均勻分布。直接計算各運行狀態下的打鍵力及其分布較為困難，且打鍵力與徑向變形不再呈線性關系，因此不能簡單地進行打鍵力計算，針對這一特點，利用以下方法對結構進行處理：

利用結構分析軟件的實體單元（SOLID）模擬鍵與轉子支架大立筋和磁軛的過盈配合，將支架支臂上的打鍵力函數F（x，y，z，θ，δ，c）作為隱函數進行數學建模（該方法不需直接計算打鍵力），考慮鍵的影響，在支架過盈面和磁軛過盈面通過過盈量設置來分析計算轉子支架剛強度、自動模擬支臂轉動等問題。

上述處理方法能有效解決仙游轉子支架在打鍵工況、負荷工況、飛逸工況或機組在其它任意運行狀態下的打鍵力F（x，y，z，θ，δ，c）再分配問題，真實、客觀地反映實際情況，并且能大大減輕轉子支架的計算工作量。

3.1.2打鍵力函數F（x，y，z，θ，δ，c）的計算

首先計算出機組在任意運行狀態下的變形，提取出轉子支架結構子模型，讀取前述的位移作為新的邊界條件，提取大立筋處的反力，該反力的大小與分布即為打鍵力函數F（x，y，z，θ，δ，c）的大小與分布。

3.2 斜支臂結構方案計算

仙游轉子支架的初始設計結構為斜支臂結構，經過對斜支臂傾角、環板位置及數量優化后形成了最佳應力水平的斜支臂結構，結構如圖1所示：

圖1仙游斜支臂轉子支架計算實體模型

斜支臂轉子支架計算結果及分析。（1）打鍵工況。轉子支架在分離轉速下只承受重力、離心力作用，經計算磁軛和支架之間的打鍵緊量為amm。支架在此打鍵緊量并且承受重力作用下，最大等效應力為 387 MPa，位于支架大立筋處，屬于典型的局部應力集中。圖2為該工況轉子支架等效應力分布示意圖。

圖2轉子支架等效應力分布（打鍵工況）

（2）額定工況。在額定轉速下，轉子支架受打鍵緊量、額定扭矩和重力作用。支架最大等效應力為212MPa，位于支架大立筋上，圖3為轉子支架等效應力分布示意圖。

圖3轉子支架等效應力分布（額定工況）

（3）飛逸工況。在飛逸轉速下，轉子支架承受離心力和重力載荷。在此工況下，支架上的最大等效應力為322MPa，圖4為飛逸工況轉子支架等效應力分布示意圖。

圖4轉子支架等效應力分布（飛逸工況）

從上面計算可以看出，如果仙游轉子支架采用斜支臂結構，其應力水平明顯偏高，不建議采用，因此計算了直支臂+彈性鍵的轉子支架結構。

直支臂+彈性鍵結構闡述：轉子支架由中心軸、三角支撐等部件組成，轉子支架與磁軛之間通過彈性鍵連接。

3.3 直支臂結構方案計算

直支臂+彈性鍵的轉子支架結構如圖5所示：

圖5仙游直支臂轉子支架計算實體模型

直支臂轉子支架計算結果及分析。（1）打鍵工況。轉子支架在分離轉速下只承受重力、離心力作用，經計算磁軛和支架之間的打鍵緊量為b。

轉子支架在此打鍵緊量并且承受重力作用下，最大等效應力為 323MPa，位于支架大立筋處，屬于典型的局部應力集中。圖6為該工況轉子支架等效應力分布示意圖，支架撓度為0.1mm，翹曲安全系數為19.44。

圖6轉子支架等效應力分布（打鍵工況）

（2）額定工況。在額定轉速下，轉子支架受打鍵緊量、額定扭矩和重力作用。支架最大等效應力為99MPa，位于支架大立筋上，圖7為轉子支架等效應力分布示意圖。

圖7轉子支架等效應力分布（額定工況）

（3）飛逸工況。在飛逸轉速下，轉子支架承受離心力和重力載荷。在此工況下，支架上的最大等效應力為134MPa，圖8為飛逸工況轉子支架等效應力分布示意圖。

圖8轉子支架等效應力分布（飛逸工況）

通過斜支臂和直支臂結構的應力比較，直支臂+彈性鍵結構的轉子支架應力水平較斜支臂轉子支架的應力水平有大幅降低，最終仙游電站機組采用了直支臂+彈性鍵的轉子支架結構。

4 分析與總結

仙游轉子支架計算結果表明，直支臂轉子支架在打鍵工況、額定工況、飛逸工況的應力水平較斜支臂結構應力水平有大幅下降，在該應力水平比較容易選擇材料。

東方電氣通過仙游轉子支架結構優化設計過程和取得的經驗，掌握了大容量、高轉速抽水蓄能機組轉子支架強度設計分析方法和結構優化方法等關鍵核心技術。仙游轉子支架的優化結構確定了東方型發電電動機轉子支架的基本結構形式，該結構形式已陸續應用于仙居、績溪、敦化、長龍山等高水頭、大容量、高轉速抽水蓄能機組發電電動機轉子支架的設計之中。

參考文獻：

[1]斜支臂轉子支架機械性能計算方法研究及工程應用.東方電機，2010（4）.

[2]轉子支架剛強度分析.機電信息，2013（15）.