600 MW级汽轮发电机组联轴器强度分析

李汪繁，徐佳敏

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

在汽轮发电机组中，联轴器的作用是将汽轮机及发电机的各转子互相连接成一个轴系，主要功能是传递扭矩[1-2]。随着发电机组朝着单机大容量、高参数的方向发展，轴系变得相对细长，同时电力系统也朝着规模大型化、结构复杂化及负荷多样化等方向发展，使得机网耦合扭振问题日益受到关注[3]。国内外发生过多起因轴系扭振引起的机组损伤事故[4-6]，造成了严重的经济损失。电力系统扰动如短路、误同期合闸等典型故障是轴系扭振的主要诱因之一[7-9]。当发生典型电气故障时，轴系将受到急剧增大的瞬态电磁力矩冲击，激发轴系扭振，危险部位由于受到较大的交变扭应力可能会产生疲劳寿命损耗，严重时可能会产生裂纹甚至断裂，而低压转子与发电机转子间的联轴器(低发联轴器)正是典型电气故障下最危险的部位之一[10]，应予以重点关注。

为全面量化评估600 MW级汽轮发电机组低发联轴器在额定工况及多种典型电气故障下的应力水平，针对某600 MW级机组低发联轴器建立了有限元模型，计算了机组额定工况及典型电气故障下联轴器承受的扭矩情况，分析了联轴器的应力分布，确定其危险部位并开展了强度校核，为600 MW级机组在设计环节保障低发联轴器强度安全提供参考。

1 联轴器应力分析方法

机组在额定工况时，联轴器所传递的扭矩可根据功率和转速得到，计算公式为：

T=9 550P/n

(1)

式中：T为扭矩，N·m；P为功率，kW；n为转速，r/min。

当机组发生电气故障时，根据暂态过程电磁力矩的方程，基于轴系结构参数、汽轮机各级功率和发电机本体各分段功率等数据，结合模态叠加法和Newmark-β数值积分法可计算得到联轴器位置扭矩的响应情况[11-12]。

联轴器对轮靠螺栓连接，需要采用热紧或冷紧等手段使每个螺栓具有一定的伸长量，以保证螺栓的预紧力。在安装时，螺栓伸长量的估算公式[1]为：

ΔL=1.1×10-3L

(2)

式中：ΔL为螺栓伸长量，m；L为螺栓有效长度，m。

螺栓预紧力的计算公式为：

ε=ΔL/L

(3)

σ=Eε

(4)

F=σA

(5)

式中：F为螺栓所受预紧力，N；ε为螺栓轴向应变；σ为螺栓所受拉应力，Pa；E为螺栓材料的弹性模量，Pa；A为螺栓截面积，m2。

机组在额定工况及典型电气故障下，根据上述方法计算得到联轴器所承受的扭矩及螺栓预紧力，并将其作为分析边界导入至采用有限元计算软件ANSYS建立的联轴器有限元模型中，最终可计算得到联轴器在不同机组状态下的应力分布。

2 低发联轴器模型建立

某600 MW级汽轮发电机组轴系示意图见图1，轴系含高中压转子、2根低压转子、发电机转子及励磁小轴。

图1 某600 MW级汽轮发电机组轴系示意图

该机组低发联轴器为刚性联轴器，在其对轮整圈均匀布置16个螺栓，相关材料性能参数见表1。据此建立的低发联轴器有限元模型见图2，生成六面体结构化网格，网格节点数为422 625。

表1 低发联轴器材料性能参数

图2 低发联轴器有限元模型

根据低发联轴器实际结构及受力特点，设置边界条件如下：联轴器对轮接触面、螺杆圆周面与螺栓孔、螺母与联轴器轮盘之间均设置为摩擦接触，摩擦因数设置为0.15；不考虑螺纹，螺母与螺杆之间设置为绑定；取转速为3 000 r/min；在联轴器对轮接触面上施加相应的扭矩；在螺栓上施加相应的预紧力；由于低发联轴器所处的环境温度较低，不计入温度对其的影响。

3 额定工况下应力分析

根据低发联轴器应力分布情况，选取7个区域进行分析，具体见图3。7个区域的定义如下：部位A为低压转子侧联轴器螺栓沉孔处；部位B为低压转子侧联轴器端面螺栓孔处；部位C为发电机转子侧联轴器螺栓沉孔处；部位D为发电机转子侧联轴器端面螺栓孔处；部位E为低压转子侧螺栓螺纹根部处；部位F为发电机转子侧螺栓螺纹根部处；部位G为螺栓螺杆中间截面处。

图3 低发联轴器强度薄弱部位示意图

图4为额定工况下螺栓等效应力分布云图。额定工况下，由于螺栓预紧力拉伸的影响，低发联轴器最大等效应力(384.69 MPa)出现在部位E，16个螺栓受力情况基本一致，同时部位G的等效应力(306.66 MPa)也相对较大。

图4 额定工况下螺栓等效应力分布云图

图5为额定工况下低发联轴器等效应力分布云图。联轴器对轮由于受到螺栓轴向挤压的影响，最大等效应力(284.26 MPa)发生在部位C；低压转子侧联轴器轮盘应力分布与发电机侧联轴器轮盘应力分布情况相似，最大等效应力(276.45 MPa)也发生在联轴器螺栓沉孔处(即部位A)。上述最大等效应力均小于材料屈服强度，满足要求。

图5 额定工况下低发联轴器等效应力分布云图

图6为额定工况下发电机转子侧联轴器端面等效应力分布云图。额定工况下，端面整体应力均较小，部位D由于受到螺栓径向挤压的影响，等效应力相对较大，最大值约为190 MPa。

图6 额定工况下发电机转子侧联轴器端面等效应力分布云图

图7为额定工况下螺栓剪切应力分布云图。最大剪切应力(122.87 MPa)发生在螺栓部位F，而螺栓部位G的剪切应力仅为13.25 MPa。额定工况下，联轴器所受扭矩主要靠螺栓预紧力产生的联轴器对轮之间的静摩擦力来传递，螺栓受到的剪切应力相对较小。

图7 额定工况下螺栓剪切应力分布云图

4 典型电气故障下强度校核

当发生两相短路故障时，叠加额定工况扭矩后的低发联轴器处扭矩响应见图8。

图8 两相短路故障下低发联轴器处扭矩响应

在最大扭矩下，计算得到低发联轴器端面和螺栓的剪切应力分布云图见图9和图10。由于扭矩突然增大，联轴器端面之间的静摩擦力不足以传递全部扭矩，螺栓螺杆和联轴器端面螺栓孔之间相互挤压，承担了部分扭矩，导致部位B、D和G的剪切应力相比于额定工况下均明显增大。同时，螺栓剪切应力最大部位不再是部位E或F，而是部位G，并且整个截面剪切应力均较大。

图9 两相短路故障最大扭矩时低发联轴器端面剪切应力分布云图

图10 两相短路故障最大扭矩时螺栓剪切应力分布云图

因此，选取部位G作为考核对象进行分析，两相短路故障时该危险部位的剪切应力响应见图11，该部位的剪切应力与低发联轴器承受的扭矩呈正相关。

图11 两相短路故障下低发联轴器螺栓螺杆中间截面剪切应力响应

同时，分别在三相短路、90°误同期合闸、120°误同期合闸和180°误同期合闸等典型电气故障下，对低发联轴器螺栓的受力情况进行分析，发现其最大剪切应力也均在部位G。典型电气故障下低发联轴器处最大扭矩及螺栓最大剪切应力见表2。根据有关技术评判标准，螺栓剪切应力在短路故障下应小于0.577σ0.2(σ0.2为屈服强度)，在误同期合闸故障下应小于0.7σ0.2。

表2 典型电气故障下低发联轴器相关计算结果

由表2及相关应力分布云图可得：

(1)5种典型电气故障下，由于低发联轴器所承受的扭矩远大于额定工况下承受的扭矩，螺栓所施加的预紧力不足以产生足够的静摩擦力来承受相应的扭矩，需要更多地依靠联轴器端面螺栓孔和螺栓螺杆的挤压作用来传递扭矩，导致相应位置产生较大的剪切应力。

(2)5种典型电气故障下，低发联轴器螺栓螺杆中间截面最大剪切应力均未超过许用应力，满足强度要求，但已远大于额定工况下该位置的剪切应力(13.25 MPa)，需要在结构强度设计校核时予以关注。

5 结语

(1)额定工况下，低发联轴器所承受的扭矩较小，主要靠联轴器端面之间的静摩擦力传递扭矩，螺栓的剪切应力较小，由于受到螺栓预紧力的影响，危险部位出现在螺栓螺纹根部和联轴器螺栓沉孔处，联轴器各处应力均满足强度要求。

(2)典型电气故障下，联轴器端面之间的静摩擦力不足以传递绝大部分扭矩，螺栓会受到轴向的拉力、剪切应力与挤压应力的共同作用，受力情况复杂，危险部位出现在螺栓螺杆中间截面处，螺栓各处剪切应力均满足考核要求。

(3)不同机组状态下，低发联轴器危险部位出现的位置不同，可根据计算分析结果视情况合理优化联轴器应力集中部位结构，以保障在额定工况和典型电气故障下低发联轴器的安全性。