蒲石河電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極極間擋塊運(yùn)行安全性研究

呂鵬飛，梁睿光，王丁一，朱海龍，李 元，王艷武，蘭 波

(1.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216；2.水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (哈爾濱大電機(jī)研究所)，哈爾濱 150041)

0 前言

極間擋塊是發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈的一種保護(hù)結(jié)構(gòu)，可防止磁極線圈在離心力作用下產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力和徑向變形，磁極擋塊結(jié)構(gòu)本身的可靠性也會(huì)影響機(jī)組的運(yùn)行安全。目前國(guó)內(nèi)外廠家設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子線圈極間擋塊的結(jié)構(gòu)形式、受力情況、材料選擇和疲勞特性各不相同[1-2]。擋塊結(jié)構(gòu)是將高強(qiáng)度環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板制作成梯形塊，安裝在兩個(gè)磁極線圈之間，再用螺桿穿過(guò)梯形塊并固定在磁軛上。本文以蒲石河電站抽水蓄能機(jī)組為依托對(duì)磁極擋塊結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力和疲勞壽命進(jìn)行研究，為磁極極間擋塊的安裝和檢修提供正確的理論支撐[3-5]。

1 基本參數(shù)及擋塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 基本參數(shù)

蒲石河電站安裝有4臺(tái)單機(jī)容量為300MW的立軸可逆式機(jī)組，總裝機(jī)容量為1200MW。其發(fā)電電動(dòng)機(jī)為立軸半傘式密閉自循環(huán)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)子磁極極間擋塊結(jié)構(gòu)

蒲石河電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈為塔型結(jié)構(gòu)，在離心力作用下會(huì)產(chǎn)生一定側(cè)向變形，由于轉(zhuǎn)子磁極鐵芯的軸向長(zhǎng)度達(dá)到2710mm，因此磁極線圈的側(cè)向變形會(huì)比較大。為了限制磁極線圈的側(cè)向變形，在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)在兩個(gè)磁極之間安裝磁極極間擋塊結(jié)構(gòu)來(lái)抑制磁極線圈的側(cè)向變形。極間擋塊采用環(huán)氧玻璃布層壓板(材料型號(hào):HEC3248)，將其制作成倒梯形結(jié)構(gòu)，放置在兩個(gè)磁極線圈之間，擋塊用兩個(gè)M16的螺桿(材料:42CrMo)固定在磁軛上。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 磁極擋塊結(jié)構(gòu)示意圖

在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，極間擋塊除承受自身離心力和磁極線圈側(cè)向離心力外，磁極線圈溫升產(chǎn)生的側(cè)向熱膨脹也會(huì)對(duì)極間擋塊產(chǎn)生作用力。同時(shí)，由于安裝順序不合理導(dǎo)致的極間擋塊與螺桿間的偏斜或間隙，也會(huì)引起極間擋塊和其固定螺桿的應(yīng)力增大。因此，本文研究分析了不同工況下極間擋塊和固定螺桿的應(yīng)力和疲勞壽命，并考慮了安裝偏差產(chǎn)生的不同間隙值對(duì)極間擋塊和固定螺桿的影響。

2 磁極極間擋塊仿真分析

2.1 設(shè)計(jì)狀態(tài)下磁極極間擋塊的靜強(qiáng)度分析

發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈在起停機(jī)、額定轉(zhuǎn)速、甩負(fù)荷、飛逸轉(zhuǎn)速等不同工況下受到機(jī)械、電磁、溫度、離心力等不同載荷作用，變形和受力情況復(fù)雜，為保證磁極線圈有一個(gè)安全穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，一般都會(huì)為其安裝極間擋塊。本節(jié)討論了磁極擋塊及螺桿在各工況下的受力情況[6-7]。

利用有限元軟件，建立單個(gè)磁極鐵芯、磁軛及磁極線圈的1/4模型，如圖2所示。各部件均采用實(shí)體建模，使用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，各部件間使用接觸單元模擬。計(jì)算磁極線圈在溫升及離心力作用下的側(cè)向變形，作為磁極擋塊的輸入條件[8]，各部件變形分布如圖3所示，側(cè)向變形結(jié)果見表2。

表2 各工況下線圈側(cè)向變形

圖2 磁極鐵芯、磁極線圈和磁軛模型

圖3 磁極鐵芯、磁極線圈和磁軛變形分布 (單位:mm)

建立磁極擋塊及螺桿的仿真模型，計(jì)算不同工況下?lián)鯄K及螺桿的應(yīng)力，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 磁極擋塊和螺桿有限元模型

圖5 磁極擋塊額定工況綜合應(yīng)力分布 (單位:MPa)

圖6 螺桿額定工況綜合應(yīng)力分布 (單位:MPa)

表3 設(shè)計(jì)工況下，極間擋塊和螺桿的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.2 存在安裝偏差時(shí)磁極擋塊的靜強(qiáng)度分析

由于擋塊在安裝過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些偏差，當(dāng)擋塊由于磁極和線圈的安裝偏差被迫向一側(cè)偏斜0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm時(shí)，計(jì)算各個(gè)工況下?lián)鯄K和螺桿的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果匯總見表4。

從表4中可以看出，額定工況下，在擋塊受迫向一側(cè)偏斜超過(guò)1.0mm時(shí)，螺桿的應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)其許用應(yīng)力，擋塊在超過(guò)1.5mm側(cè)向偏斜后應(yīng)力超過(guò)許用值。

表4 不同安裝間隙下，磁極擋塊和螺桿的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.3 磁極擋塊螺桿的疲勞分析

抽水蓄能機(jī)組起停機(jī)頻繁，磁極極間擋塊結(jié)構(gòu)在離心力作用下，容易在其高應(yīng)力區(qū)域逐漸產(chǎn)生永久性的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂。對(duì)于抽水蓄能機(jī)組的磁極極間擋塊結(jié)構(gòu)而言，除了要保證足夠的靜強(qiáng)度安全系數(shù)外，還需要承受足夠多的循環(huán)次數(shù)，故對(duì)于擋塊、螺桿等部件，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行疲勞壽命校核[9-10]。本文采用ASME疲勞設(shè)計(jì)曲線，考慮了應(yīng)力修正、尺寸效應(yīng)和環(huán)境因素等。在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)應(yīng)力幅的安全系數(shù)取2.0，對(duì)壽命的安全系數(shù)取20，其中包含數(shù)據(jù)分散度2.0，尺寸效應(yīng)2.5，表面粗糙度和環(huán)境因素4.0，三者之積為20[11]。

(1)單一工況循環(huán)的疲勞準(zhǔn)則

按照機(jī)組設(shè)計(jì)壽命為40年、每天起停機(jī)10次、每年發(fā)生甩負(fù)荷30次、飛逸工況1次進(jìn)行考核[12]。

設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，起停機(jī)設(shè)計(jì)壽命不能低于:10次/天×365天×40年＝146000次。

設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，甩負(fù)荷設(shè)計(jì)壽命不能低于:30次/年×40年＝1200次。

設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，飛逸設(shè)計(jì)壽命不能低于:1次/年×40年＝40次。

(2)全壽命期內(nèi)各種工況循環(huán)組合的疲勞準(zhǔn)則

設(shè)發(fā)電電動(dòng)機(jī)在40年壽命期內(nèi)起停機(jī)、甩負(fù)荷、飛逸工況對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅分別為Sa1、Sa2、Sa3，通過(guò)計(jì)算得到的疲勞次數(shù)分別為N1、N2、N3，則對(duì)于起停機(jī)工況的應(yīng)力幅Sa1而言，單獨(dú)作用時(shí)的疲勞壽命就是N1，甩負(fù)荷和飛逸工況的應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的疲勞壽命為N2、N3。設(shè)在起停機(jī)工況應(yīng)力幅Sa1作用了n1次，則對(duì)結(jié)構(gòu)所造成的損傷程度記為n1/N1，同理，甩負(fù)荷和飛逸工況所造成的損傷程度分別記為n2/N2和n3/N3。

按照線性疲勞積累損傷準(zhǔn)則，各應(yīng)力幅造成的損傷程度之和不應(yīng)超過(guò)1[13]，即有:

設(shè)計(jì)工況下 (不計(jì)安裝偏差產(chǎn)生的側(cè)向變形)，起停機(jī)、甩負(fù)荷和飛逸工況下螺桿疲勞次數(shù)及疲勞損耗均滿足設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 設(shè)計(jì)工況下，磁極極間擋塊螺桿疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

當(dāng)擋塊由于磁極和線圈的安裝偏差受迫向一側(cè)偏斜時(shí)，各個(gè)工況下螺桿的疲勞次數(shù)及疲勞損耗計(jì)算結(jié)果見表6。由表可知，當(dāng)擋塊安裝側(cè)向偏差超過(guò)1.0mm時(shí)，螺桿在壽命期內(nèi)的總疲勞損耗為1.029＞1.0，按40年壽命考核，未能滿足使用年限[14-15]。

表6 不同安裝間隙下，磁極極間擋塊螺桿疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

本文利用有限元方法對(duì)不同工況下磁極極間擋塊結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力以及疲勞壽命進(jìn)行了分析，并研究了幾種假設(shè)的安裝偏差對(duì)磁極擋塊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和疲勞壽命的影響，得出以下結(jié)論:

(1)在正常安裝狀態(tài)下，磁極極間擋塊結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞壽命均能夠滿足設(shè)計(jì)要求，且均有一定的安全設(shè)計(jì)裕度；

(2)安裝存在偏差時(shí)，磁極極間擋塊結(jié)構(gòu)存在失效現(xiàn)象，當(dāng)側(cè)向安裝偏差大于1.0mm時(shí)，擋塊螺桿首先超過(guò)靜強(qiáng)度要求，當(dāng)側(cè)向安裝偏差大于1.5mm時(shí)，磁極極間擋塊超過(guò)了靜強(qiáng)度要求，同時(shí)總疲勞損耗也未能滿足疲勞要求；

(3)在機(jī)組進(jìn)行檢修和安裝時(shí)，需要控制磁極線圈和磁極極間擋塊的安裝質(zhì)量，減小磁極擋塊的側(cè)向偏差及變形，降低擋塊結(jié)構(gòu)的附加載荷，這樣有利于結(jié)構(gòu)安全可靠運(yùn)行。