大型灯泡贯流式水轮发电机定子结构分析

何国庆

【摘 要】定子机座是贯流式水轮发电机的重要组成部件，用以固定定子铁心和绕组，承受定子所有部件的重量和电磁、热及外部水压等载荷作用，因此必须具有足够的刚度以维持定子铁心的圆度，将载荷传递至基础上。文章使用ANSYS Mechanical软件对老口水电站发电机定子的起吊、额定运行、突然短路等工况时，机座、铁心等的应力情况进行了详细分析，以证明定子的设计是安全可靠的。

【关键词】灯泡贯流；水轮发电机组；定子机座；有限元计算；结构分析；老口水电站；共振

【中图分类号】TM312 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）06-0102-03

0 引言

老口航运枢纽工程位于郁江上游广西壮族自治区南宁市区，在左、右江汇合口下游4.7 km，上距左江山秀坝址84 km，距右江金鸡滩坝址121 km，下距西津坝址198 km。老口坝址控制集水面积为72 368 km2，是郁江综合利用规划十个梯级中的第七个梯级，是一座以航运、防洪为主，结合发电，兼顾改善南宁市水环境效益的水资源综合利用工程。电站安装了5台容量为30 MW的大型灯泡贯流式水轮发电机组。

1 机组参数

机组参数如下：额定容量为30 MW；额定转速为78.9 r/min；短路扭矩为24 641.1 kN·m；定子线棒及铁芯重量为50 000 kg；磁极数为76极；单极磁拉力为195.2 kN/极；中心线高度水压为23 m；定子机座外径为8 100 mm。

2 额定工况

2.1 有限元模型的建立

为获得真实可靠的计算结果，对定子所包含的定子机座、定子铁心、灯泡头及垂直支撑等进行了全模型建模，计算模型采用实体与板壳混合建模方式。

2.2 边界条件

（1）在灯泡头和机座外表面施加水压力，并沿高沿线性变化。

（2）在机座下游环板施加全约束，约束铁心下游底面所有节点的Z向位移。

（3）铁心上所有节点施加温度载荷，达到40 ℃。

（4）铁心上所有节点施加径向磁拉力及切向额定矩扭。

（5）施加重力加速度，达到9 800 mm/s2。

（6）鸽尾筋与铁心之间建立三面接触。

（7）灯泡头与机座间建立接触，机座与鸽尾筋之间也建立接触。

（8）垂直支撑上端与灯泡头对应节点耦合，下端节点全约束。

2.3 额定工况计算结果

额定工况下，定子机座最大位移在铁心下游处，约1.29 mm，铁心径向最大变形为1.12 mm，最小径向变形为0.75 mm，整个铁心的圆度保持良好；此时，定子最大应力发生在机座外环板与竖筋焊接处，属于应力集中，约140 MPa；铁心最大应力发生在鸽尾筋与机座连接处，约54 MPa，也属于应力集中；整个定子的平均应力不超过30 MPa，计算结果如图1、图2所示。

3 短路工况计算

3.1 有限元模型与边界条件

突然短路工况与额定工况的有限元模型相同，计算边界条件如下。

（1）在灯泡头和机座外表面施加水压力，并沿高沿线性变化。

（2）在机座下游环板处施加全约束，约束铁心下游底面所有节点的Z向位移。

（3）铁心上所有节点施加温度载荷，达到40 ℃。

（4）铁心上所有节点施加径向磁拉力及切向短路矩扭。

（5）施加重力加速度，达到9 800 mm/s2。

（6）鸽尾筋与铁心之间建立三面接触。

（7）灯泡头与机座建立接触，机座与鸽尾筋之间也建立接触。

（8）垂直支撑上端与灯泡头对应节点耦合，下端节点全约束。

3.2 短路工况计算结果

短路工况下，定子机座最大位移在铁心下游处，约1.31 mm，铁心径向最大变形为1.12 mm，最小径向变形为0.75 mm，整个铁心的圆度保持良好；此时，定子最大应力发生在机座外环板与定位筋托块焊接处，属于应力集中，约171 MPa；铁心最大应力发生在鸽尾筋与机座连接处，约76 MPa，也属于应力集中；整个定子的平均应力不超过50 MPa，计算结果如图3、图4所示。

4 起吊工况计算

4.1 有限元模型及边界条件

起吊工况的定型模型仍采用实体与板壳混合建模方式，各部件的装配情况与额定工况相同。

（1）施加重力加速度，达到9 800 mm/s2。

（2）鴿尾筋与铁心之间建立三面接触。

（3）约束起吊时使用3个起吊座的Y向位移。

4.2 起吊工况计算结果

额定工况下，定子机座最大位移在铁心的下游处，约0.4 mm，铁心径向最大变形为0.4 mm，最小径向变形为-0.2 mm，整个铁心的圆度仍保持良好；此时，定子最大应力发生在起吊座位置，属于应力集中，约57 MPa；铁心最大应力发生在鸽尾筋与机座连接处，约20 MPa；整个定子的平均应力不超过10 MPa，计算结果如图5、图6所示。

5 模态分析

为了防止共振发生，在易发生共振范围内进行频率搜索，计算结果见表1。

机组转频为1.315 Hz，小于定子的最小振动频率（一阶频率为10.2 Hz），定子四花振动模态为52.7 Hz，即在电网倍频影响范围（80～120 Hz）内没有出现四花振型，也不会发生次谐波振动，因此定子的设计有效避开了所有激振频率，不会发生共振。

6 结语

通过对各工况应力和变形的计算可以看出，整个结构应力水平和最大应力均小于材料屈服强度的1/3，结构刚度、强度都在设计允许范围内，机组振动频率避开了所有不利区域，可以保证机组长期稳定运行。

参 考 文 献

[1]杨理明.大型灯泡贯流式发电机定子的吊装方法[J].广东水利水电，2014（8）：98-101，107.

[2]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1982.

[3]JB/T 7071—2005，灯泡式水轮发电机基本技术条件[S].

[责任编辑：钟声贤]