大型水輪發(fā)電機(jī)斜立筋定子機(jī)座運(yùn)行特性分析

田海平，黃波，張軍

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

大型水輪發(fā)電機(jī)斜立筋定子機(jī)座運(yùn)行特性分析

田海平，黃波，張軍

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

針對目前已投運(yùn)的大型水輪發(fā)電機(jī)斜立筋定子機(jī)座在運(yùn)行時均出現(xiàn)振動超標(biāo)的問題。斜立筋結(jié)構(gòu)定子機(jī)座在振動超標(biāo)的情況下，其安全性能否得到保證成為發(fā)電企業(yè)關(guān)心的重點(diǎn)問題，本文對大型水輪發(fā)電機(jī)斜立筋定子機(jī)座進(jìn)行運(yùn)行特性分析，為該型定子機(jī)座的運(yùn)行提供參考。

水輪發(fā)電機(jī)；斜立筋；定子機(jī)座；振動；安全評價(jià)

斜立筋結(jié)構(gòu)定子機(jī)座一般應(yīng)用于大型水輪發(fā)電機(jī)，其定子機(jī)座直徑一般超過Φ10 m，國家振動標(biāo)準(zhǔn)推薦的定子機(jī)座水平振動的限值根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同一般為20～40 μm，而投運(yùn)的斜立筋定子機(jī)座振動幅值一般超過100 μm，振動超標(biāo)問題突出[1－3]。

斜立筋定子機(jī)座在安裝完畢后結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力已經(jīng)形成，僅試驗(yàn)的方式難以獲得實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)，為此文章介紹了采用三維有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)的方式探討斜立筋結(jié)構(gòu)定子機(jī)座的變形和受力狀態(tài)，從受力和變形的角度探討斜立筋結(jié)構(gòu)定子機(jī)座的運(yùn)行特性。

1 定子機(jī)座振動現(xiàn)狀

某電站大型斜立筋定子機(jī)座由14個斜立筋支撐，斜立筋高度5.25 m，定子機(jī)座外殼最大直徑Φ17.17 m，分瓣運(yùn)輸，現(xiàn)場組裝疊片。定子機(jī)座總重87.45 t，定子鐵芯外徑為Φ15 880 mm，內(nèi)徑為15 000 mm，鐵芯高度為2 540 mm，鐵芯及附件總重411.95 t。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到該定子機(jī)座在不同工況下的水平振動幅值，結(jié)果如表1。定子機(jī)座斜立筋水平振動隨轉(zhuǎn)速的上升而上升，額定轉(zhuǎn)速工況振動幅值為19.05μm。變勵磁工況，隨著勵磁電壓增加，定子機(jī)座振動幅值顯著增大，額定勵磁電壓工況振動幅值達(dá)到319.90 μm，勵磁電壓對定子機(jī)座振動幅值有顯著影響。變負(fù)荷工況，定子機(jī)座振動幅值隨負(fù)荷增加有減小趨勢，在額定負(fù)荷工況，定子機(jī)座振動幅值為233.70 μm。

表1 斜立筋定子機(jī)座振動試驗(yàn)結(jié)果

大型斜立筋結(jié)構(gòu)定子機(jī)座機(jī)組轉(zhuǎn)速一般小于100 r/min，按照文獻(xiàn)〔4—5〕GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》、GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》定子機(jī)座水平振動限值為40 μm。按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，該定子機(jī)座除了在額定轉(zhuǎn)速工況合格外，額定勵磁電壓工況、帶負(fù)荷工況均嚴(yán)重超標(biāo)。

2 有限元計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)定子機(jī)座實(shí)際尺寸建立三維有限元模型，由于定子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時對細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，對結(jié)構(gòu)受力影響甚微的結(jié)構(gòu)忽略，如螺栓、墊圈、附著管線、結(jié)構(gòu)倒角等。對空冷器、定子鐵芯等對定子機(jī)座結(jié)構(gòu)受力有重要影響的部件采用等質(zhì)量簡化，在空冷器安裝范圍內(nèi)將其質(zhì)量均勻附著于機(jī)座外面板表面，確保質(zhì)量平衡；將定子鐵芯簡化為均質(zhì)體，忽略其間的通風(fēng)溝槽、間隙等，建立的定子機(jī)座及鐵芯的三維實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 定子機(jī)座三維模型

2.2 靜力計(jì)算

實(shí)際結(jié)構(gòu)中定子機(jī)座底部固定于基礎(chǔ)版，頂部通過螺栓與上機(jī)架連接，上機(jī)架與風(fēng)罩內(nèi)壁采用豎向鍵定位通過徑向螺栓固定，計(jì)算中機(jī)座底部采用全約束。機(jī)座頂部采用切向、豎向和徑向位移約束，這主要考慮上機(jī)架對定子機(jī)座的約束作用。靜力計(jì)算主要考慮結(jié)構(gòu)自重、電磁力和溫度作用，計(jì)算獲得了機(jī)組在額定負(fù)荷溫升工況正常運(yùn)行工況。對定子機(jī)座主受力部位斜立筋(如圖2)的變形和應(yīng)力進(jìn)行了分析。

溫度是定子機(jī)座運(yùn)行時的主要荷載，對結(jié)構(gòu)受力有顯著影響〔6〕。溫度只有在溫度發(fā)生變化時才能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力的作用，實(shí)測現(xiàn)場環(huán)境平均溫度為20℃，機(jī)組長時間運(yùn)行后穩(wěn)定的鐵芯溫度為51℃，經(jīng)溫度場計(jì)算獲得定子機(jī)座及鐵芯溫升溫度場如圖2。

圖2 機(jī)組運(yùn)行定子機(jī)座及鐵芯溫升溫度場

額定負(fù)荷溫升工況計(jì)算獲得斜立筋的位移及應(yīng)力情況見表2，3，斜立筋結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布如圖3。斜立筋總位移量3.828～3.984 mm，均值3.878 mm，在鐵芯高度范圍的斜立筋位移量沿高度方向分布均勻較均值偏差－1.28%～2.74%，斜立筋在內(nèi)測鐵芯溫升向外膨脹后，斜立筋本身存在水平順時針向的轉(zhuǎn)動，自重、電磁力和溫度各分量對位移的貢獻(xiàn)量占比分別為2%、11%、87%。斜立筋鐵芯高度范圍應(yīng)力幅值32.770～95.399 MPa，上下環(huán)板處應(yīng)力大、中部應(yīng)力小，靠鐵芯內(nèi)側(cè)的應(yīng)力較大，外側(cè)偏小，自重、電磁力和溫度因素引起的應(yīng)力在斜立筋內(nèi)側(cè)所占比例為5%～15%、10%～18%、68%～83%。通過靜力分析，溫度因素是定子機(jī)座受力、變形的主要因素，起著控制作用。

圖3 額定負(fù)荷溫升工況斜立筋位移及應(yīng)力云圖

表2 額定負(fù)荷溫升工況斜立筋位移情況

表3 額定負(fù)荷溫升工況斜立筋應(yīng)力

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 機(jī)座變形監(jiān)測

安裝了電渦流傳感器監(jiān)測斜立筋定子機(jī)座的位移情況，測點(diǎn)布置情況如圖4。由于電渦流要固定在相對靜止的支點(diǎn)上，受現(xiàn)場條件限制電渦流傳感器安裝高度離基礎(chǔ)板距離為1300 mm，由于計(jì)算表明斜立筋在鐵芯部位的變形均勻，因此可以以此點(diǎn)的變形量來反映斜立筋鐵芯部位的變形量。在現(xiàn)場＋X、－Y2個方向布置了4支電渦流傳感器，垂直于斜立筋平面的測點(diǎn)稱為斜立筋側(cè)向測點(diǎn)，沿斜立筋平面方向的測點(diǎn)稱為斜立筋高度向測點(diǎn)，斜立筋位移監(jiān)測結(jié)果見表4。

變勵磁工況，隨勵磁電壓增加＋X、－Y方位斜立筋高度向間隙增加，斜立筋側(cè)向間隙減小。變負(fù)荷工況，隨負(fù)荷增加增加＋X，－Y方位斜立筋高度向間隙增加，斜立筋側(cè)向間隙減小。

測試溫度對定子機(jī)座的影響首先要排除機(jī)械、電磁作用的影響，歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該斜立筋定子機(jī)座溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需約3 h時間左右。為分析溫度對定子機(jī)座斜立筋位移的影響對比測試了兩種情況下斜立筋位移:剛達(dá)到額定負(fù)荷工況和機(jī)組在額定負(fù)荷工況連續(xù)運(yùn)行3 h后斜立筋的位移狀況，開機(jī)時和運(yùn)行3.5 h停機(jī)后斜立筋位移情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度作用下定子機(jī)座整體呈“外脹”趨勢，斜立筋在水平向呈現(xiàn)出圍繞機(jī)組中心線俯視順時針向的旋轉(zhuǎn)的趨勢，這與計(jì)算獲得的位移方向和趨勢是一致的。

表4 變勵磁工況斜立筋位移μm

圖4 斜立筋電渦流位移測點(diǎn)布置示意圖

3.2 機(jī)座穩(wěn)態(tài)工況應(yīng)力監(jiān)測

3.2.1 變勵磁工況

變勵磁工況斜立筋各測點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果見表5。斜立筋－Y方位上部豎直向應(yīng)變片無信號。試驗(yàn)結(jié)果表明，同為兩個方位的斜立筋雖然結(jié)構(gòu)尺寸、安放角度一致，但其受力狀況存在較大差異。定子機(jī)座－Y方位斜立筋應(yīng)力整體上較＋X方位斜立筋大1倍左右，各斜立筋同部位豎直向和水平向的應(yīng)力大小相當(dāng)。＋X向斜立筋測點(diǎn)位置應(yīng)力以受壓為主，同一勵磁電壓條件下斜立筋應(yīng)力從上部到下部應(yīng)力大小呈遞減趨勢，不同勵磁電壓條件下，同一測點(diǎn)應(yīng)力大小相當(dāng)。－Y向斜立筋上部、中部測點(diǎn)位置應(yīng)力以受壓為主，下部測點(diǎn)為位置應(yīng)力以受拉為主，同一勵磁電壓條件下斜立筋應(yīng)力從上部到下部應(yīng)力大小呈遞減趨勢，同一測點(diǎn)應(yīng)力大小隨勵磁電壓的增加而增大。

表5 變勵磁工況斜立筋應(yīng)力MPa

3.2.2 變負(fù)荷工況

變負(fù)荷工況斜立筋各測點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果見表6。斜立筋－Y方位上部豎直向應(yīng)變片無信號。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行后斜立筋測點(diǎn)位置的應(yīng)力均出現(xiàn)由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢。＋X、－Y兩個方位斜立筋上、中部豎直向、水平向測點(diǎn)應(yīng)力大小均隨機(jī)組負(fù)荷增大而減小，下部應(yīng)力隨機(jī)組負(fù)荷增大拉應(yīng)力逐漸增大趨勢。

最小負(fù)荷工況斜立筋應(yīng)力大小隨高度的降低而減小，最高負(fù)荷工況下斜立筋下部應(yīng)力最大，上部應(yīng)力次之，中部應(yīng)力最小。變負(fù)荷工況，同一負(fù)荷條件下，＋X向豎直向和水平應(yīng)力大小相當(dāng)；－Y向中部應(yīng)力水平向和豎直向應(yīng)力存在較大差異，水平向是豎直向的2倍左右。測試結(jié)果說明＋X方位斜立筋的受力基本上達(dá)到了采用斜立筋結(jié)構(gòu)保證斜立筋受力小且均勻的目的。

表6 變負(fù)荷工況斜立筋應(yīng)力結(jié)果MPa

4 斜立筋定子機(jī)座強(qiáng)度分析

斜立筋定子機(jī)座材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度，強(qiáng)度是衡量結(jié)構(gòu)部件本身承載能力(即抵抗失效能力)的重要指標(biāo)，是機(jī)械零部件應(yīng)滿足的基本要求。參照文獻(xiàn)〔7〕，由有限元法得到的應(yīng)力分析結(jié)果，局部應(yīng)力值可超屈服強(qiáng)度的1/3，且在正常工作條件下最大應(yīng)力不得超過材料屈服強(qiáng)度的2/3，特殊工況條件下最大應(yīng)力不得超過材料的屈服強(qiáng)度，該定子機(jī)座斜立筋材料為Q345B，屈服強(qiáng)度345 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，在常遇正常運(yùn)行溫升工況，斜立筋結(jié)構(gòu)大部分應(yīng)力在20 MPa以內(nèi)，只在上下環(huán)板、基礎(chǔ)部位應(yīng)力較大，一般小于60 MPa，小于1/3的屈服應(yīng)力(115 MPa)；在局部極小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力超過100 MPa，最大183 MPa，小于2/3的屈服應(yīng)力(230 MPa)。現(xiàn)場實(shí)測的斜立筋最大的應(yīng)力值為17.71 MPa，僅為斜立筋屈服強(qiáng)度的5.45%，表明斜立筋結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平低，其強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)論

通過對大型斜立筋定子機(jī)座進(jìn)行三維有限元數(shù)值分析和原型試驗(yàn)，進(jìn)行了振動、受力、變形分析，得出了該型定子機(jī)座運(yùn)行特性:

1)斜立筋定子機(jī)座的受力變形特點(diǎn)。能將鐵芯徑向的熱變形轉(zhuǎn)化為機(jī)座斜立筋的扭轉(zhuǎn)位移，使基礎(chǔ)的應(yīng)力水平較低；鐵芯部位的斜立筋變形均勻能保證定子的同心度和圓度，有效地防止鐵芯翹曲變形。

2)定子機(jī)座斜立筋的在結(jié)構(gòu)受力上較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，電磁扭矩和溫度對斜立筋產(chǎn)生的應(yīng)力在正常運(yùn)行中能自行相抵，使斜立筋整體處于低應(yīng)力水平，實(shí)測斜立筋在正常運(yùn)行工況最大應(yīng)力為17.71 MPa。

3)溫度對斜立筋定子機(jī)座的應(yīng)力和變形起決定作用，是控制因素，額定負(fù)荷運(yùn)行溫升工況，計(jì)算和實(shí)測溫度引起的斜立筋變形占總變形量的70%以上，對應(yīng)力的貢獻(xiàn)量超過60%。

4)斜立筋定子機(jī)座在按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)其振動幅值超標(biāo)，其強(qiáng)度指標(biāo)合格并有較大的安全裕度。

〔1〕王鵬宇，孔德寧，胡鎮(zhèn)良，等.巨型水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平振動探討〔J〕.水電站機(jī)電技術(shù)，2011，34(5):29-32.

〔2〕王鵬宇，馬躍東.龍灘水電站700 MW全空冷水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行分析〔J〕.水力發(fā)電，2010，36(1):77-79.

〔3〕劉文進(jìn).三峽左岸電站700 MW水輪發(fā)電機(jī)定子引進(jìn)技術(shù)〔J〕.上海電氣技術(shù)，2012，5(1):16-22.

〔4〕中國電力企業(yè)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn)化中心.水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范:GB/T8564—2003〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

〔5〕全國旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會發(fā)電機(jī)分技術(shù)委員會.水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件:GB/T 7894—2009〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

〔6〕付敏，孔祥春.水輪發(fā)電機(jī)定子三維溫度場的有限元計(jì)算〔J〕.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2000，4(4):193-197.

〔7〕全國水輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.水輪機(jī)基本技術(shù)條件:GB/ T15468—2006〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

Operational characteristics analysis of large hydro-generator skew rib stator frame

TIAN Haiping，HUANG Bo，ZHANG Jun
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

At present，the skew rib stator frame of large hydro-generator under operation subjects to above the standard problems of vibration at runtime frequently，and whether its safety can be guaranteed gains the extensive attention by power generation enterprises.This paper analyzed the operational characteristics of large hydro-generator skew rib stator frame in order to provide references for the same type of stator frame at running time.

hydro-generator；skew rib；stator frame；vibration；safety evaluation

TM312

A

1008-0198(2017)01-0059-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.015

2016-07-07 改回日期:2016-12-17