大型燈泡貫流式水輪發電機定子結構分析

何國慶

【摘 要】定子機座是貫流式水輪發電機的重要組成部件，用以固定定子鐵心和繞組，承受定子所有部件的重量和電磁、熱及外部水壓等載荷作用，因此必須具有足夠的剛度以維持定子鐵心的圓度，將載荷傳遞至基礎上。文章使用ANSYS Mechanical軟件對老口水電站發電機定子的起吊、額定運行、突然短路等工況時，機座、鐵心等的應力情況進行了詳細分析，以證明定子的設計是安全可靠的。

【關鍵詞】燈泡貫流；水輪發電機組；定子機座；有限元計算；結構分析；老口水電站；共振

【中圖分類號】TM312 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）06-0102-03

0 引言

老口航運樞紐工程位于郁江上游廣西壯族自治區南寧市區，在左、右江匯合口下游4.7 km，上距左江山秀壩址84 km，距右江金雞灘壩址121 km，下距西津壩址198 km。老口壩址控制集水面積為72 368 km2，是郁江綜合利用規劃十個梯級中的第七個梯級，是一座以航運、防洪為主，結合發電，兼顧改善南寧市水環境效益的水資源綜合利用工程。電站安裝了5臺容量為30 MW的大型燈泡貫流式水輪發電機組。

1 機組參數

機組參數如下：額定容量為30 MW；額定轉速為78.9 r/min；短路扭矩為24 641.1 kN·m；定子線棒及鐵芯重量為50 000 kg；磁極數為76極；單極磁拉力為195.2 kN/極；中心線高度水壓為23 m；定子機座外徑為8 100 mm。

2 額定工況

2.1 有限元模型的建立

為獲得真實可靠的計算結果，對定子所包含的定子機座、定子鐵心、燈泡頭及垂直支撐等進行了全模型建模，計算模型采用實體與板殼混合建模方式。

2.2 邊界條件

（1）在燈泡頭和機座外表面施加水壓力，并沿高沿線性變化。

（2）在機座下游環板施加全約束，約束鐵心下游底面所有節點的Z向位移。

（3）鐵心上所有節點施加溫度載荷，達到40 ℃。

（4）鐵心上所有節點施加徑向磁拉力及切向額定矩扭。

（5）施加重力加速度，達到9 800 mm/s2。

（6）鴿尾筋與鐵心之間建立三面接觸。

（7）燈泡頭與機座間建立接觸，機座與鴿尾筋之間也建立接觸。

（8）垂直支撐上端與燈泡頭對應節點耦合，下端節點全約束。

2.3 額定工況計算結果

額定工況下，定子機座最大位移在鐵心下游處，約1.29 mm，鐵心徑向最大變形為1.12 mm，最小徑向變形為0.75 mm，整個鐵心的圓度保持良好；此時，定子最大應力發生在機座外環板與豎筋焊接處，屬于應力集中，約140 MPa；鐵心最大應力發生在鴿尾筋與機座連接處，約54 MPa，也屬于應力集中；整個定子的平均應力不超過30 MPa，計算結果如圖1、圖2所示。

3 短路工況計算

3.1 有限元模型與邊界條件

突然短路工況與額定工況的有限元模型相同，計算邊界條件如下。

（1）在燈泡頭和機座外表面施加水壓力，并沿高沿線性變化。

（2）在機座下游環板處施加全約束，約束鐵心下游底面所有節點的Z向位移。

（3）鐵心上所有節點施加溫度載荷，達到40 ℃。

（4）鐵心上所有節點施加徑向磁拉力及切向短路矩扭。

（5）施加重力加速度，達到9 800 mm/s2。

（6）鴿尾筋與鐵心之間建立三面接觸。

（7）燈泡頭與機座建立接觸，機座與鴿尾筋之間也建立接觸。

（8）垂直支撐上端與燈泡頭對應節點耦合，下端節點全約束。

3.2 短路工況計算結果

短路工況下，定子機座最大位移在鐵心下游處，約1.31 mm，鐵心徑向最大變形為1.12 mm，最小徑向變形為0.75 mm，整個鐵心的圓度保持良好；此時，定子最大應力發生在機座外環板與定位筋托塊焊接處，屬于應力集中，約171 MPa；鐵心最大應力發生在鴿尾筋與機座連接處，約76 MPa，也屬于應力集中；整個定子的平均應力不超過50 MPa，計算結果如圖3、圖4所示。

4 起吊工況計算

4.1 有限元模型及邊界條件

起吊工況的定型模型仍采用實體與板殼混合建模方式，各部件的裝配情況與額定工況相同。

（1）施加重力加速度，達到9 800 mm/s2。

（2）鴿尾筋與鐵心之間建立三面接觸。

（3）約束起吊時使用3個起吊座的Y向位移。

4.2 起吊工況計算結果

額定工況下，定子機座最大位移在鐵心的下游處，約0.4 mm，鐵心徑向最大變形為0.4 mm，最小徑向變形為-0.2 mm，整個鐵心的圓度仍保持良好；此時，定子最大應力發生在起吊座位置，屬于應力集中，約57 MPa；鐵心最大應力發生在鴿尾筋與機座連接處，約20 MPa；整個定子的平均應力不超過10 MPa，計算結果如圖5、圖6所示。

5 模態分析

為了防止共振發生，在易發生共振范圍內進行頻率搜索，計算結果見表1。

機組轉頻為1.315 Hz，小于定子的最小振動頻率（一階頻率為10.2 Hz），定子四花振動模態為52.7 Hz，即在電網倍頻影響范圍（80～120 Hz）內沒有出現四花振型，也不會發生次諧波振動，因此定子的設計有效避開了所有激振頻率，不會發生共振。

6 結語

通過對各工況應力和變形的計算可以看出，整個結構應力水平和最大應力均小于材料屈服強度的1/3，結構剛度、強度都在設計允許范圍內，機組振動頻率避開了所有不利區域，可以保證機組長期穩定運行。

參 考 文 獻

[1]楊理明.大型燈泡貫流式發電機定子的吊裝方法[J].廣東水利水電，2014（8）：98-101，107.

[2]白延年.水輪發電機設計與計算[M].北京：機械工業出版社，1982.

[3]JB/T 7071—2005，燈泡式水輪發電機基本技術條件[S].

[責任編輯：鐘聲賢]