汽轮发电机集电环机械设计计算

李 德，李志和，兰 波，刘继慧，李海龙

(1. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040；2. 哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

集电环也称滑环，是汽轮发电机关键部件之一，其与电刷、转子绕组配合，起到提供电机旋转磁场的作用。现今汽轮发电机集电环普遍采用通过绝缘套筒整体套装在轴上的结构方式，集电环、绝缘套筒与转轴之间为典型过盈配合。发电机运行时，集电环既承受热套过盈配合力的作用，同时又承受旋转离心力的作用，受力情形较为复杂，故准确计算集电环机械应力对其结构设计具有重要的指导意义。资料显示：熊东旭[1]对集电环的内外径、轴向尺寸与材质，绝缘套筒厚度及配合紧量，集电环螺旋沟尺寸等问题给出设计建议；王迪等[2]基于有限元理论，采用ANSYS Workbench对1 000 MW汽轮发电机集电环装配应力进行了三维仿真分析；汪耕等[3]就汽轮发电机集电环的材质、套装工艺、冷却方式、电腐蚀等问题进行过深刻讨论，在进行汽轮发电机集电环设计时还应关注和避免集电环和电刷在发电机运行过程中的各类故障；史德利等[4]曾针对300 MW汽轮发电机集电环与电刷磨损发热问题改进优化了相关结构；李贤明等[5]对发电机运行中电刷和集电环常见故障和处理方法也进行了系统的介绍。

本文基于经典弹性力学理论对汽轮发电机集电环、绝缘套筒与转轴过盈配合变形协调方程进行了推导，计算了静止、额定、超速三种工况下的集电环应力与分离转速，并与ANSYS Workbench非线性接触仿真结果进行对比，以验证本文所推导的集电环机械设计计算方法的有效性。……