汽轮发电机机座

汽轮发电机机座（精选4篇）

汽轮发电机机座 篇1

汽轮发电机是火力发电的关键设备,据统计汽轮发电机组重大事故中70%是出自机械方面的原因,而且主要与振动问题有关[1]。定子系统的振动特性研究是汽轮发电机组研制的关键工作之一,直接关系到整个机组的安全稳定运行[2]。通常,定子系统包括机座、端盖、端罩和铁芯等,为预防共振现象,必须尽可能精确确定电机定子系统各部分的固有振动频率[3]。

本文以某型号3MW余热汽轮发电机的定子机座(以下简称“机座”)为研究对象,基于NX UG平台建立了机座有限元分析(finite element analysis,FEA)模型,完成了对机座的固有频率和振型的模态分析,得到了机座的固有频率及其对应各阶振型之间的关系。通过对样机机座进行模态试验,其结果与数值分析的结果吻合,验证该模型的有效性。

1 模态分析理论

在结构力学中,振动系统特性可以用模态来描述[4]。表征模态的特征参数是振动系统的模态频率、向量、质量、刚度、阻尼等。

通常,线性定常n自由度振动系统,其运动方程为[6]:

式中:[M]、[C]、[K]分别为振动系统的质量、阻尼、刚度矩阵;{x(t)}分别为系统的n维加速度、速度、位移向量;{f(t)}为激振力向量。

初始条件为零时,式(1)的拉普拉斯变换为:

式中:X(s)、F(s)分别为x(t)和f(t)的拉普拉斯变换;s=β+jω,为复变量。

令[Z(s)]=s2[M]+[C]+[K],式(2)变换为:

其中[Z(s)]是频域内系统的阻尼矩阵,表达式为:

式中:Zi,j(s)=Mi,js2+Ci,js+Ki,j。

式(3)求逆可得到系统响应方程,即:

式中:[H(s)]为振动系统的传递函数矩阵,亦称导纳矩阵,其中含有[n(n+1)]/2个独立元素。导纳矩阵是阻尼矩阵之逆,即:

式中:det[Z(s)]是特征行列式,为s的2n次幂多项式;adj[Z(s)]为s的不超过(2n-2)次幂多项式矩阵。[H(s)]中任一元素Hl,p(s)是p点激励、l点响应的传递函数,可表示为:

当s=jω时,Hl,p(s)=Hl,p(jω),Hl,p(jω)为频响函数。式(7)分母D(s)的系数均为实系数,故特征方程的根一定是复根且共轭成对出现。令si和si*表示(i=1,2,…n)表示式(7)的根,其中si*为si的共轭复数。si*和si分别为传递函数的极点或系统的复特征值。

式中:ωi为第i阶无阻尼固有频率;ζi为第i阶模态阻尼比;实部(ζiωi)为衰减因子,虚部(ωd)i为第i阶有阻尼固有频率。式(7)分解后得到传递函数的分式表达式:

式中:Alpi和A*lpi分别为传递函数对应于极点si和si*的留数,且共轭成对出现,表达为:

通过模态试验,求得导纳矩阵的任意一行或一列元素,则各阶模态参数(模态频率、阻尼比、刚度、质量、主振型)便能完全确定,导纳矩阵的全部元素Hij即被确定,振动系统的动力学特性也完全可以确定下来[7]。

2 定子机座的FEA分析

通过对某型号3MW的余热汽轮发电机的机座进行简化,并选择合适的单元、材料属性,对机座结构进行离散,得到了机座的FEA模型。

FEA分析中,共建立了两个有限元模型,模型A为未拧紧地脚螺栓的机座,模型B为拧紧地脚螺栓的机座,图1为模型A的FEA模型。

基于Block Lanczos法,通过Nastran求解器对模型A、B分别进行数值计算,分别得到不同模型的前8阶模态,其中前8阶有限元模态分析值(finite modal analysis,FMA)如表1所示。

3 样机定子机座的振动测试及分析

本试验对机座(试验模型A、B)分别采用锤击激振法进行了试验。机座的支撑方式模拟现场安装条件,A、B分别为拧紧、不拧紧地脚螺栓的试验模型。表2为试验得到模型的前8阶试验模态分析值(testing modal analysis,TMA)。

分别将模型A、B的FMA和TMA结果在坐标系内进行对比分析,如图2所示。

由图2可看出模型A与模型B的FMA与TMA的大体变化趋势相一致,相应的振型描述也基本一致。机座底脚螺栓拧紧后,FMA和TMA结果都有上升的趋势,这是由于拧紧地脚螺栓之后,相当于机座的垂直支撑刚度变大,在机座本身刚度不变的情况下,随垂直支撑刚度的变大,机座的固有频率上升。

4 结语

基于NX平台建立了余热汽轮发电机机座的有限元分析模型,并调用Nastran求解器对该模型进行模态数值计算,得到了机座的固有频率和相应的模态振型;通过锤击激振法对样机机座进行模态试验,获得了机座的响应频谱。数值计算结果和理论分析值的对比分析表明:该机座的FMA与样机TMA吻合程度良好,振型基本一致,验证了该模型的有效性和FEA结果的可靠性。

摘要：针对某型号3MW余热汽轮发电机组的定子共振问题,基于NX平台完成了定子机座的固有频率和相应各阶模态振型的数值计算研究,并通过锤击激振法对样机定子机座进行模态测试;数值计算结果与试验数据的对比分析表明:试验结果与理论分析值吻合程度良好,验证了该样机模型的有效性和有限元模态分析结果的可靠性。

关键词：汽轮发电机,有限元分析,模态分析,模态试验

参考文献

[1]左鹤声,彭玉莺.振动试验模态分析[M].北京:中国铁道出版社,1995.

[2]张卫.300MW汽轮发电机定子振动特性及试验模态分析研究[J].东方电机,1991(1):87-96.

[3]邱家俊,卿光辉,胡宇达.汽轮发电机定子系统固有频率新算法[J].大电机技术,2001(6):1-4.

[4]JB/T10392-2002,透平发电机定子铁心、机座模态试验分析和振动测试方法及评定[S].

[5]傅志芳.振动模态分析与参数辨识[M].北京:机械工业出版社,1990.

[6]杨景义,王信义.试验模态分析[M].北京:北京理工大学出版社,1990.

[7]全军,王仲博,孙国锟.汽轮机叶片的实验模态分析与参数识别[J].热力发电,1991(5):30-36.

汽轮发电机机座 篇2

1 600MW定子机座有限元模型

采用ANSYS软件分析时首先假设定子机座焊接质量完好, 并将各个焊接零件作为一个整体结构来处理, 还对圆角、倒角、吊攀、圆孔和螺栓孔等结构则进行了必要的简化。600MW发电机定子机座的外壳及隔板由于尺寸大、厚度小, 符合板壳理论, 因此有限元计算中采用板壳单元对其进行网格划分。600MW发电机定子机座几何模型如图1所示, 定子机座有限元网格划分如图2所示。

弹簧板和定子铁芯采用实体建模, 由于铁芯是组合结构, 计算时主要考虑运输状态下的机座及挂货钩的应力和变形, 铁芯被简化为一个与实际尺寸和重量相同的圆筒。另外, 机座的端板和底板由于要与垫板和挂货钩连接, 为了能够较精确的计算接触应力和变形, 也采用实体建模。挂货钩和垫板采用实体建模, 机座和挂货钩之间的连接在有限元模型中采用接触单元进行模拟。

从计算精度的角度出发, 采用二次单元对整个结构进行离散, 采用手工划分为主、自动划分为辅的网格划分方式, 确保整个机构的绝大多数单元为标准的四边形和六面体单元, 在模型的准确性和计算机资源的耗费上得到了恰当的折中。整个定子机座共离散壳单元Shell93共30676个、实体单元Solid95共55322个, 接触单元4309个 (conta174和tagre170) , 共有节点403778个。

2 材料特性

600MW定子机座主要采用钢材料, 定子铁芯为组合结构, 采用等效密度进行处理。计算中所使用的材料特性见表1。

3 边界条件

为了保证整体模型在计算中不会由于微小计算误差而导致漂移, 设定机座外壳上中间部位的部分节点Z向位移为0, 以保证整体模型处于稳定状态。由于模型是近似对称的, 该种简化对垂直和水平方向的变形和应力计算结果影响很小。

根据运输结构力学分析可知, 上部垫板压力为683t, 分别施加在垫板上的两侧部位, 每个位置的压力为341t。单个挂货钩耳孔处的拉力F为351t, 与水平方向成13.58°;在有限元计算中, 为了模拟定子机座实际运输状态, 在耳孔中穿入直径为准300mm钢轴, 设定钢轴表面与耳孔为接触状态, 并约束钢轴的X和Y方向位移为0, 考虑动载荷系数的影响, 则在Y向施加的重力加速度为9.81m/s2×1.3, 耳孔中钢轴处施加水平拉力为351×cos13.58°×1.3=443.3t, 竖直方向的载荷则由结构的重力实现, 定子机座在运输过程中承受的载荷主要为定子机座自重和铁心自重等。

4 600MW定子机座变形计算结果

采用上述有限元模型和边界条件对定子机座及挂货钩进行静态分析, 得到定子机座的总体变形云图如图3所示, 局部位移云图如图4所示。X向、Y向、Z向和机座总体变形计算结果见表2。

5 结论

汽轮发电机机座 篇3

关键词：水轮发电机,定子机座,结构,加工工艺

水轮发电机的重要部件之一就是水轮发电机定子机座, 能够固定支撑定子线棒和定子铁心, 使得发电机组能够高效正常的运行。定子机座按照形式来分类可以主要分成分瓣式和整圆式两组结构, 其结构主要由钢板焊接形成。水轮发电机的定子机座一般主要采用底环结构, 通过盒型筋起吊钢管以及立筋互相接组合使得机座具有充足的强度和刚度, 能足够承担起机架和一些构件的能力, 并且还能防止铁心弯翘和适应铁心热膨胀所发生的变化。根据定子机座的不同的内径大小和不同的加工设备条件, 可以将定子机座的内径分成气割和加工型两组, 本文以下就对定子机座的结构特点和加工工艺进行探讨和研究。

1 水轮发电机定子机座结构特点

水轮发电机的定子机座的总体结构是钢板的焊接结构, 通常由8层环板和20个在圆周上等距分布的垂直斜元件、机座外壁以及垂直钢筋板共同组成的刚性结构, 其外侧承载空气冷却器附件、内侧主要是承载定子铁心和定子绕组, 分瓣式的结构在场内进行预装在工地上再进行组圆焊接, 这样以确保组装焊接的工作顺利无误的进行。

1.1 结构特点

水轮发电定子机座主要用于承受轴向荷重以及固定定子铁芯的作用, 并且起到定子自重和电磁扭矩力的传递作用。所以定子机座要具有如下设计特点要求:1) 要有足够的弹性和能承受在各种运行环境下的所受的热膨胀力, 而且还要能允许铁芯同心膨胀。2) 要有足够的刚度和强度来承受转子半数磁极短路时产生的单向磁拉力和定子绕阻在发生短路情况时产生的切向力等情况而引起的振动和椭圆变形等。3) 避免水力和电气激振频率和结构的固有频率一样, 避免发生共振现象造成机械损坏。4) 设计的机座要能够承受定子铁芯通过定位筋而传来的100Hz的交变力和最大容量运行而产生的切向力。5) 要能承受当整体定子从安装机坑吊入发电机所在的机坑的过程中产生的应变力并且不能有有害变形。

1.2 整圆式定子机座结构特点

整圆式的定子机座主要为钢板的组焊结构, 机座外壁多为圆形或者等边多边形, 各环板间的垂直立筋呈径向分布, 根据结构特点和运输需求可以机座设置成上、下环板和大齿压板, 环板间设置盒型筋和长方形立筋, 一般适用于定子铁心的外径小于3米的结构, 机组一般是额定的转速比较高, 而且额定容量相对比较小的悬式机组。在焊接前, 要在定子机座各层环板固定贯通钢管的孔要分别在单位上进行加工处理。在进行基础和底环的连接时要使定子机座整体焊接后再进行退火处理。

1.3 分瓣式定子机座结构特点

分瓣式定子机座特点基本和整圆机的机座相同, 分瓣处设置有合缝板并使用合缝板的螺栓使其组合成一体.在上个世纪七十年代之前所有的分瓣机座都是采用的工厂组合焊接, 把合成一体并叠片、嵌钱。而在上个世纪八十年代之后, 大多数的大容量水轮发电机分瓣式机座都在工地上组合焊接而成整圆、嵌线和叠片, 这样有利于提高整个机座的刚度和改善电机的性能。分瓣式定子机座的结构适用范围为定子铁心外径大于3米的结构, 根据不同的直径大小可分别分成2、4、6和8瓣, 当定子机座的瓣数越多则发电机组的额定容量越大额定转速也越低。

分瓣式定子机座通常采用底板 (大齿压板) 的结构和整圆式定机座一样为了必要的加工和厂内组装, 合缝处有小缝合板以及对应的定位销钉来保证工地的组合安装和焊接工作顺利进行, 定子机座底环和基础板连接整体焊接后做退火处理。机座的下环板在厂内要加工平整并且焊接后作为拼接的主要基准面也是定子叠片的基础平台。

2 水轮发电机定子机座加工工艺

2.1 定位筋的安装和焊接

水轮发电机定子机座通过分瓣运输到工地然后在工地进行定子安装间组和焊接成整圆, 在然后叠片。通过机座和铁心间采用双鸽尾浮动式的定位筋能够提高机组的长期运行时的可靠性又能提高铁心的整体性, 能够很有效的解决大直径铁心的相对热膨胀的可靠性。对于双鸽尾定位筋托快的安装和焊接方式一般通过采用在机座的高度方向上分成上、中、下叠三段工艺铁心段等调整好工艺铁心段的内径和槽型等尺寸后再确定出定位钢筋的位置, 最后在焊接定位钢筋的托块。这样就是在保证了定子铁心的尺寸在合格的情况下才能进行的定位筋托运块的焊接工作。定位筋尺寸的关键所在在于定位筋托块焊接, 因此在焊接的方式上, 可以采用二氧化碳气体保护焊。值得注意的是在测量上要保证精确度, 为了消除传统定位筋弦距测量工具而产生误差可以采用球头弦距测量工具进行测量和调整的工作。

2.2 整圆式定子机座加工工艺

整圆式定子机座通常外径不超过6米, 因此都是直径尺寸比较小的定子机座, 一般由普通立车就能加工大齿压板平面和各层的环板内径。大齿压板能够作为焊接和加工的基准平面, 要同时保证大齿压板厚度均匀和机座整体划线检查各部分加工余量。根据合同要求可在工地加工或厂内进行拉紧螺杆孔的工作, 有两种方法, 一是利用数控镗床进行编程加工, 可以完全满足图纸的要求。二是要按照加工后的环板内径作为基准, 并且划线确定螺孔的位置在钻床上加工。基础班和机座底环的把合平面处的径向销孔也有镗床加工。

2.3 分瓣式定子机座加工工艺

大型的水轮发电机定子机座分瓣运输到工地上, 然后在工地上安装定子机座焊接成整圆, 再然后叠片。分瓣式定子机座通常有如下工艺:1) 环板内径气割。由于受到大型立车的加工能力有所限制, 超大型的定子机座内径较大, 通过广泛的实践证明专用的气割设备进行各层环板内径的气割能够满足设计和安装要求, 因此环板内径气割工艺也应用十分广泛。2) 环板内径加工。环板内径加工方法同整圆机座相同, 通过在大型的立车上进行加工大齿压板平面和各层环板内径。用小合缝板将多瓣定子机座组合。按照大齿压板作为加工和焊接的基准进行调节、整体划线和调圆检查各部分加工的余量。机座底环和基础板的合缝平面处径向销孔交由镗床加工, 而且拉紧螺杆孔也可用普通镗床或钻床加工。

3 结语

综上对水轮发电机定子机座结构和加工工艺的探讨可以发现, 我国的水轮发电机组经历了从高转速到低转速, 小容量到大容量的一个过程, 无论是从结构上还是制造的工艺上都逐渐趋于系列化和规范化, 成熟的制作工艺给生产企业提高产品质量和降低制造成本以及提升市场竞争力方面提供十分有利的条件。

参考文献

[1]陈爽.三峡右岸哈电水轮发电机定子机座的设计[J].科技创新导报, 2008.[1]陈爽.三峡右岸哈电水轮发电机定子机座的设计[J].科技创新导报, 2008.

[2]刘占军.水轮发电机定子机座结构与加工[J].上海大中型电机, 2009.[2]刘占军.水轮发电机定子机座结构与加工[J].上海大中型电机, 2009.

[3]李梁.大型水轮发电机定子机座加工及铁心叠片工艺探讨[J].东方电机, 2003.[3]李梁.大型水轮发电机定子机座加工及铁心叠片工艺探讨[J].东方电机, 2003.

百万千瓦发电机巨型机座的国产化 篇4

当今世界火电站的发展趋势是更加高效、节能、减排、环保。汽轮发电机组的发展趋势则是采用蒸汽压力高达25MPa以上、温度高达600℃以上的超临界和“超超”临界参数、单机容量为百万千瓦 (1000 MW) 等级以上的特大型机组。

百万千瓦汽轮发电机是引进日本东芝公司的技术。由于国内与国外的加工设备、工艺装备等完全不同, 加工工艺方法也不一样。巨大的机座采用由厚钢板经切割下料、组焊装配、机械加工而成的箱型结构。如果照搬现有设备就无法满足装焊的准确定位、保证机械加工精度、预留规定加工余量和水压试验无泄漏等高标准要求。依据现有设备情况制定加工工艺方案时, 结合了非标准设备的研制能力进行了加工设备创新、参数和精度的优化。

由于定子机座尺寸 (直径接近5 m, 长度大约11 m) 太大, 采用了三段装焊的结构。考虑到它的加工工艺复杂、结构尺寸精度要求很高, 必须在焊接工艺方法、机座加工和装配工艺方案等方面进行科研攻关。

1 气割取代机床加工

以前生产的大型汽轮发电机机座内环扇形钢板厚度通常不超过70 mm, 而且在下料后采用机床进行机械加工, 虽能保证加工精度, 但工期较长、成本较高。按照东芝要求:要在170 mm厚的钢板上采用气割工艺直接割成宽度为15 mm的槽口共计42个, 而且其加工的表面粗糙度要达到12.5级以上, 达到一次成形。按照惯例这是不可能实现的, 主要难点是:

(1) 切割火焰的稳定性不易保证, 氧气压力稍有不稳就会引起断火等现象, 从而破坏气割表面的粗糙度。

(2) 板材太厚, 容易造成槽口的气割表面不垂直, 并导致整件报废。

(3) 气割后的吊运很困难, 容易引起边缘撕裂。在做好充分论证和消化技术关键的基础上, 在气割的工艺参数控制、设备选用、操作技巧、尺寸精度控制、气割喷嘴的选择、氧气压力控制等方面进行了优化, 以便充分保证气体纯度, 避免切割时影响割口质量。经过努力, 终于试验成功, 质量合格。

2 分段焊接

机座分为3个节段、单独焊接, 然后再焊成整体, 并且要保证每层环板上面的槽口沿轴向要在一条垂直线上。装焊后11米高的机座同心度要求在3 mm以内, “励端”机座与中间节、中段与“汽端”机座焊接后其外皮的“错口”不得超过2 mm, 焊接收缩后保证机座总长为10984±7 mm。

隔板与内环环板单独组装。厚环板的外圆均为气割件。为减小焊接变形, 尽量减小装配间隙 (控制在1 mm之内) 。严格按对称位置进行焊接, 平面度控制在2 mm之内。焊后清理打磨干净再进行总装。装配时采用了先搭焊、然后调整接头间隙、再与隔板组焊、最后校平的程序。焊接工艺方面严格控制电流、电压等参数, 采用对称焊接, 减少焊接变形, 确保环板装焊间隙在18 mm范围内, 并且每层隔板与环板焊接装配高度控制在2 mm以内。

机座采用“分瓣”结构包装外皮是一种全新的工艺方法, 同时也是一个挑战:既要保证装焊尺寸, 又要保证不错口。经过多次论证, 决定在工艺上采取沿钢板的压制方向先割出豁口, 再滚成弧形, 并在分瓣骨架上贴外皮, 既能保证外壳弧形不变, 又能满足机座骨架中心与外皮割口相对应的要求。

3 三段组焊

先将两段机座组合、找水平, 并试装导向键 (4根) 。“励端”机座就位后也要找水平;两段机座组合后, 中段也要找水平。调整两段机座并找正, 然后安装导向键 (共10根) 。组装第三段机座时要整体调整三段机座的水平并找正, 调整每段机座的对称度使其达到最佳状态。在每一段的焊接过程中都要不断地测量。焊完中段后装好用于中段和第三段连接的全部导向键。“定位筋”焊接——分别找三段机座中心水平, 并测量出每环、每块“定位筋”背面中心线的半径尺寸, 测量半径数据和“定位筋”背面的“凸台”与弹簧板把合面的深度尺寸。在做好充分论证和消化技术关键的基础上, 顺利完成三段机座的组焊。

4 机械加工

4.1 机床的选择

机座焊接完成以后, 机械加工是关键阶段。引进技术与我们的传统工艺有矛盾。三段机座是先加工后对接, 采用的装配式弹性“定位筋”及其安装槽口数量, 多达几百个, 现有的工艺加工精度不能满足要求, 而且进口的“定位筋”本身就存在偏差和变形等问题。由于受到设备限制而将机座结构设计成为三段组合式结构, 最长一段为4410 mm, 故要选择立车横梁高度在4.5 m以上的立车, 同时要求机床分度要准确, 一周累计误差要在0.20 mm以内。由于东芝的定位筋是采用和弹簧板组合成为一体的组合式结构, 是将其安装到机座上已经加工好的“定位筋”安装槽内, 然后装上固定螺钉。而且采用机械手将定子铁心扇形冲片套装在定位筋上进行外部自动叠装, 这就要求极高的机座和“定位筋”尺寸精度。该产品共有21根定位筋, 它们安装后的半径尺寸公差为0/-0.30 mm。装配时将其分成3部分, 每个部分包括7根定位筋, 其“弦距”尺寸公差之和为±0.381 mm, 平均计算相邻2根定位筋的“弦距”尺寸公差仅为±0.0544 mm。如此严格的公差要求比我们要高。因此必须采用精密的数控机床进行机座和“定位筋”的机械加工, 才能保证尺寸精度。

考虑到综合制造成本和负荷平衡, 没有采用数控16米立车, 而采用数控8.5米立车。由于刀杆伸出长度仅为2.5 m, 无法满足机座底部环板的加工, 便重新配备加长刀架。

4.2 刀具的选择

在加工弹簧板的定位槽时, 采用非标准的“铣头”, 其电机功率为3 kW, 转速也较低, 使用高速钢铣刀。粗铣时转速约为100 r/min, 进给5 mm～6 mm, 加工一刀约需8 min, 仅加工一段机座, 铣削工序大约需要25天左右, 效率较低, 严重影响生产周期。后来决定采用大功率 (10 kW) “铣头”, 转速提高到800 r/min, 并采用硬质合金铣刀, 加工一刀仅需2 min, 效率提高近4倍。

5 水压试验

机座装焊后的气密性能保证是至关重要的。以前生产的机座都是整节装焊骨架, 然后整体套装外皮, 焊缝气密性能要求。现在按东芝要求:外皮单独成形后再贴外皮, 其开口尺寸必须与骨架的中心线吻合、外观焊缝装配间隙必须保证。经过精心准备和复查工具, 采用了合理而又准确的工艺方案, 完成了机座充水耐压试验。机座上的70多个盖板和密封垫的气密性能也完全合格。机座水压试验结果表明, 在最高试验压力下的最大变形量仅为2.4 mm, 远低于规定的4 mm标准值。

6 结论

近年来, 哈电通过技术引进、消化、吸收和再创新, 又实现了百万千瓦等级火电机组的国产化, 其订货合同已经多达几十台, 进一步强化了国内外市场上的竞争实力。

摘要：当今世界火电站的发展趋势是更加高效、节能、减排、环保。汽轮发电机组的发展趋势则是采用蒸汽压力高达25 MPa以上、温度高达600 ℃以上的超临界和“超超”临界参数、单机容量为百万千瓦等级以上的特大型机组。百万千瓦汽轮发电机是引进日本东芝公司的技术, 由于国内与国外的加工设备、工艺装备等完全不同, 加工工艺方法也不一样, 哈电通过技术引进、消化、吸收和再创新, 实现了这种机组的国产化。