高壓電力滑環匯流結構力學分析及優化設計

俞力峰,李甘霖

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

單點系泊系統高壓電力滑環應用于海上浮動式發電站、海上油氣和海上風電等領域,用于解決浮動式發電或用電終端伴隨海浪隨機轉動引發的電力傳輸問題。由于浮動式發電站和用電終端的輸電功率及輸電距離都遠高于普通電滑環,因此對電滑環的電氣和結構設計提出了全新的要求。根據相關技術要求,高壓電力滑環的運行電壓和傳輸功率為35 kV/25 MW,同時滿足運輸和海洋環境使用的各種要求[1-3]。

電力滑環應確保內部絕緣和輸電結構可承受運輸及使用過程中的各種振動。電力滑環內部的絕緣支承材料為改性環氧樹脂,其結構強度和抗振性能可通過增加設計冗余和零件整體鑄造工藝得到保證。滑環的環路電流引出結構由L型銅排和高壓套管組成。其中L型銅排底部連接固定在環路上,高壓套管則安裝固定在滑環機殼上。高壓套管為一由改性環氧樹脂包封的導電結構,在滑環內部電力傳輸上的作用較為關鍵,其結構強度和抗振性能將直接影響電力滑環的耐高壓可靠性。本文通過對高壓套管和L型銅排進行強度、剛度分析和振動模態分析來研究該部件的結構強度和抗振性能并進行結構優化設計。

1 強度剛度分析

電力滑環匯流結構由匯流排和高壓套管組成,其強度和剛度分析需要計算其在受到最大變形情況下的應力。強度分析通過Von Mises準則校核,變形產生應力不應對高壓套管絕緣結構造成影響,即:

σvM=

(1)

式中:σvM為Mises應力;σ1、σ2、σ3為第一、第二、第三主應力;σc為臨界應力值。

電流引出結構底部與環路聯接固定,頂部固定在機殼部分,由于頂部機殼部分為可上下浮動式結構,最大浮動空間達到±2 mm,當其處于極限位置時,結構將承受最大的內部應力。考慮極限狀態,滑環可能受到輕微的側向沖擊,在計算時添加5gn的側向加速度[4]。

按照匯流結構實際的安裝工況將匯流排底部完全固定,頂部高壓套管部分則在水平方向限位,垂直方向保持上下移動自由度。在高壓套管安裝面施加一定載荷,使其位移量達到2 mm,同時在水平方向施加沖擊加速度,模擬極限工況。銅排的材料密度為8.9 g/cm3,彈性模量為120 GPa;環氧材料的密度為2.4 g/cm3,彈性模量為29 GPa。采用ABAQUS計算,采用四面體劃分網格,Miss應力及位移計算結果如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3計算結果可知,匯流結構最大Mises應力為308 MPa,位于匯流排底部折彎處,接近材料抗拉強度極限。高壓套管部分最大應力約100 MPa,位于安裝面根部,小于改性環氧材料的抗彎曲強度130 MPa,可以滿足結構強度要求,但也存在一定改進空間。

2 振動模態分析

電力滑環在運輸過程中需要承受較大的振動沖擊,在運行過程中也伴隨著系泊浮船和海浪、潮汐等因素的沖擊,其內部結構,尤其是絕緣結構需要具備一定的抗振性能,結構的固有振型應避開可能的頻譜范圍,防止出現共振現象。

動力學有限元法的控制平衡方程為[5]:

(2)

由于模態是系統的固有特性,與外部加載條件無關,因此系統的固有頻率和振型可以通過求解系統的自由振動方程得到。系統自由振動時無外部激振力作用,即R(t)=0。考慮到阻尼對結構的固有頻率和振型影響不大,從而略去阻尼項得到無阻尼自由振動方程為:

(3)

令U(t)=Φsin[ω(t-t0)],變換為特征值方程:

KΦ=ω2MΦ=λMΦ

(4)

式中:ω、Ф分別為系統的固有頻率和振型。

參考圖1匯流結構安裝示意圖,L型匯流排底部固接,由于高壓套管安裝在滑環頂部可浮動的轉盤上,對高壓套管在其安裝面上設置水平方向位移約束,僅保留豎直方向的位移自由度,采用實體單元進行網格劃分[6]。計算匯流結構前4階固有頻率如表1所示,對應模態振型如圖4所示。

表1 匯流結構固有頻率

圖1 電力滑環及匯流結構示意圖

圖2 Mises應力云圖

圖3 位移云圖

圖4 匯流結構1～4階固有振型

由表1及圖4可知,匯流結構低階振型伴隨有匯流排部分的大變形,由于匯流排為一扁平長條結構,剛度較弱,為匯流結構的最薄弱部位,低階振型主要集中在匯流排變形所引起的共振形式,其一階固有頻率為84.18 Hz,根據相關試驗標準存在一定的風險,需進行結構優化。

3 結構優化及驗證計算

由式(4)可知,在相同振型條件下,要提高結構的固有頻率ω,可以降低結構的質量矩陣M和增加結構的剛度矩陣K。當前結構由于需要承載一定電流,改變材料或結構減重均較為困難,由此考慮改進結構,提高剛度。這里將L型銅排底部折彎處改為圓滑過渡,在銅排上加裝帶沖壓凸臺的3 mm厚度不銹鋼薄鋼板,并適當減小高壓套管錐度以加強結構剛度,如圖5所示。

圖5 優化后的匯流結構

對優化后的匯流結構按相同工況進行振動模態分析,結果如圖6所示。

圖6 優化后的匯流結構1～4階固有振型

如表2所示,經過優化,匯流結構的一階固有頻率提升至113.99 Hz,與原結構相比提高了35%,且有效避開了可能出現的振動頻率范圍,提升了結構抗振性能。由于對結構做了加強,結構強度也得到了一定程度的提高。

表2 匯流結構固有頻率(優化后)

4 結束語

本文通過對電力滑環匯流結構進行力學分析和有限元仿真發現:原有結構低階振動模態頻率較小,在運輸和使用過程中存在發生結構共振的風險。在保證結構電流載流性能的前提下,通過對高壓套管增加結構幾何尺寸,并在匯流排上加裝帶凸臺的沖壓不銹鋼板的方法,在不影響原有載流性能的前提下將原有的84.18 Hz的一階模態頻率提升至113.99 Hz,有效規避了可能振動頻率區間,降低了發生結構共振的風險;同時通過加強一定程度上也提高了其結構強度,使滑環的高壓運行更加安全。