某630MW機組定子載荷有限元分析

石興立 王曉東 姜 軍 柴澤民 張金生

（河北大唐國際王灘發電有限責任公司，河北 唐山 063000）

0 引言

某發電公司機組汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產，機組型號為N630-16.7/538/538-1。機組投產后發電機振動良好，第一次大修期間，調整發電機底部墊片后，發電機軸承振動逐年上漲，影響機組安全穩定運行。

大部分氫冷發電機組采用端蓋式軸承，定子機座底角不壓緊，呈自然狀態坐落在臺板上，定子質量主要由四角立筋承擔，如圖1所示。現場安裝采用階梯墊片實現載荷分配，即機座4個角的負載為總載荷的60%～70%。如載荷分配不合理，一般采用電阻應變法，對機座載荷的分布進行實測并調整到規定范圍[1-2]。本文采用有限元模擬分析方法，得到載荷分布調整的理論依據。

1 有限元理論

1.1 有限元位移法

采用有限元位移法進行分析研究。開展研究第一步即明確單元的形函數，并保證函數的連續性和完整性。一般首先設單元位移為：

節點坐標通過上式計算得出。

式中：ψ為一種常數；Δ為變化量；e為自然常數。

統一代入公式（1）即：

求得[N]=[Φ（x，y）][ψ]-1，即得到所求形函數。

上式中加入應力、位移、應變關系得出：

式中：[B]為單位應變矩陣；[E]為材料的彈性常數矩陣；{ε0}為初始應變。

求解單元剛度[Kij]即通過節點力與節點位移關聯可求出：

利用上述結果可計算得到系統剛度矩陣：

通過系統節點載荷與位移關系得出節點處受力關系：

解上述方程可得出系統每個節點對應的應力與位移。

1.2 有限元靜力學求解過程

此過程一般可分為下述幾個步驟：

（1）離散結構。根據系統的尺寸及特征等要求將系統分為部分單元，并在分割的單元內設置節點，且節點之間具備連續性，以此來代替原有系統。

（2）位移結構。這里將位移結構設為多項式，則位移矩陣為：

式中：{f}為單元內任一點的位移；[N]為形函數；{δ}e為單元節點的位移。

（3）分析單元的力學性能。由節點位移表示的單元應變為：上述方程算出單元應力為：

式中：[D]為與單元材料有關的彈性矩陣。

根據變分原理，得出系統節點力與位移直接關系：

[K]e為單元剛度矩陣，其形式為：

（4）通過每個單元的剛度矩陣，得出整個系統的整體剛度矩陣[K]：

根據上述整體剛度矩陣可得出系統的平衡方程為：

（5）計算每個節點的應力與位移。通過上述平衡方程式求解，得出每個節點的位移與應力以及對應的單元應力與位移。

（6）整理并輸出單元應變和應力。

（7）一系列的處理與計算結果相結合，得出最終分析問題的結果。

2 發電機定子模型建立

2.1 模型建立

利用有限元軟件，建立630MW汽輪發電機定子機座、定子鐵芯及端蓋的聯合模型，在模型中采用塊體單元、板殼單元、梁單元、質量單元來模擬，在不影響分析計算精度的前提下，將幾何模型進行如下簡化：對薄壁零件進行中面抽取，使用殼單元進行仿真、去除幾何模型中的所有螺栓孔。建立的模型如圖2所示[3]。

圖2 630MW定子計算模型

其中關鍵部件模型建立介紹如下：

（1）端蓋。端蓋是一個對稱的結構，且兩端蓋形狀、尺寸均一致。分別采用二維網格和三維實體網格剖分端蓋中的各零件，如圖3所示。

圖3 端蓋部件網格

（2）吊盤。吊盤部件采用塊體單元建模，模型如圖4所示。

圖4 吊盤模型示意圖

（3）轉子、冷卻器和定子端部繞組系統。對于轉子、冷卻器和定子端部繞組系統，由于只需要考慮其質量的影響，而其形狀、尺寸對整體剛強度沒有影響，因此在相應位置加上一定質量的實體單元加以代替。

（4）定子鐵芯。定子鐵芯采用塊體單元建模，由于鐵芯是由沖片靠螺栓預緊力固定的，等效彈性模量小于鋼的彈性模量，一般取值1.5×105MPa。

（5）機座筋板。機座板殼采用殼單元，模型如圖5所示。

圖5 機座板殼模型

2.2 材料屬性定義

定義材料屬性：

（1）鐵芯齒部材料如表1所示。

表1 鐵芯齒部材料

（2）鐵芯軛部材料如表2所示。

表2 鐵芯軛部材料

（3）其他部位材料如表3所示。

表3 其他部位材料

3 有限元分析計算

建立模型后開始有限元分析計算，其中邊界條件如下[4]：一是在自重作用下；二是在定子支撐板位置施加天地方向位置約束，施加的位移約束值按墊片厚度給出。

在邊界條件下，根據發電機定子聯合模型進行有限元分析計算，結果如下：

（1）在重力作用下，支撐立筋、定子天地方向應變分布如圖6、圖7所示。

圖6 立筋天地方向應變分布

圖7 定子天地方向應變分布

（2）在重力作用下，定子機座在天地方向應力分布如圖8、圖9所示，最大拉應力104MPa，小于屈服極限的1/2，安全。

圖8 定子機座天地方向應力分布

圖9 定子機座立筋天地方向應力分布

（3）在重力作用下，定子在天地方向變形分布如圖10、圖11所示。

圖10 定子機座天地方向變形分布

圖11 定子機座支撐立筋天地方向變形分布

4 結語

本文通過建立發電機定子機座、定子鐵芯及端蓋的聯合模型，并定義不同部件材料屬性，根據現場設備制定邊界條件，利用有限元方法分析計算得出發電機定子機組、立筋應力分布及變形情況，從而提供理論上的數據支持，用于現場定子載荷調整試驗。