定子机座（共4篇）
定子机座 篇1
摘要：本文对水轮发电机整圆式定子机座和分瓣式定子机座的结构特点以及加工工艺等方面进行探讨, 并对其发展应用和适用范围进行了简要介绍。不难发现, 水轮发电机定子机座的结构和加工已经趋于系列化和规范化。
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.
[4]陈俊, 王立堂, 黄学刚.1000MW超超临界汽轮发电机超大型定子机座加工工艺[J].2008.[4]陈俊, 王立堂, 黄学刚.1000MW超超临界汽轮发电机超大型定子机座加工工艺[J].2008.
定子机座 篇2
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.
定子机座 篇3
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
定子机座 篇4
响水涧抽水蓄能电站位于安徽省芜湖市三山区峨桥镇境内, 距繁昌县城约25km, 距芜湖市约45km, 是一座日调节纯抽水蓄能电站。电站装机容量1000MW, 装设4台单机容量为250MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组, 电机工况额定容量为277.8MWA, 电动机工况额定输出功率为277.15MW, 是哈尔滨电机厂有限责任公司自主研发的单机容量最大的抽水蓄能机组, 主要承担华东电网调峰、填谷、事故备用、调频和调相等任务, 以缓解系统严重的调峰矛盾, 改善系统火电、核电机组运行状况, 提高系统供电质量, 为电网安全运行提供保证。本文重点介绍响水涧发电电动机定子机座的设计。
2 发电机主要技术数据
额定容量 (发电机工况) :277.8 MVA
额定电压 (发电机工况) :15750V
额定电流 (发电机工况) :10182.6 A
额定功率因数 (发电机工况) :0.9 (滞后)
额定输出功率 (电动机工况) :277.15 MW
额定功率因数 (电动机工况) :0.98 (吸收有功, 发送感性无功)
额定频率:50 Hz
额定转速:250 rpm
冷却方式:全空冷
3 定子机座的结构设计
3.1 定子机座设计特点
定子机座主要用于固定定子铁心, 并能承受轴向荷重, 定子自重及电磁转矩传递于基础上。因此定子机座的设计具有以下特点:
要有足够的强度和刚度, 能承受定子绕组短路时产生的切向力和转子半数磁极短路时产生的单向磁拉力等引起的椭圆变形, 振动等。
要有足够的弹性, 能承受在各种运行工况下所受的热膨胀力, 允许铁心同心膨胀。
能够承受最大容量运行工况产生的切向力及定子铁心通过定位筋传来的100Hz交变力。
避免电气和水力激振频率与结构固有频率共振。
能够承受把整体定子 (无绕组) 从安装机坑吊入发电机所在机坑的过程中引起的应力而无有害变形。
3.2 总体结构
定子机座为钢板焊接结构, 由6层支撑环板、8个垂直的斜元件 (圆周上等距分布) 、垂直筋板以及机座外壁组成稳定的刚性结构。定子机座内径为Φ8574mm, 外径约为Φ9965mm, 高为4540mm, 其内侧承载定子铁心和定子绕组, 外侧承载空气冷却器等附件。根据运输的限制条件分成4瓣, 厂内进行预装, 工地进行组圆焊接。组装合缝处设有小合缝板和定位用的销钉, 以保证在工地的组装拼焊工作能顺利的进行。
3.3 详细结构
3.3.1 结构尺寸
图1为响水涧发电电动机定子机座的剖面图, 其中序1为上层环板, 序2为四层中间环板, 均采用15mm厚的热轧钢板焊接成多边形;序3为定子机座外壁板, 采用10mm厚的热轧钢板;序4为筋板, 采用15mm厚的热轧钢板;序5为下环板, 采用50mm厚的热轧钢板;序6为支撑环板, 采用15mm厚的热轧钢板由环形筋和立筋经过合理的组合焊接而成;序7为主立筋, 又称斜立筋, 采用60mm厚的优质热轧钢板焊接而成;
3.3.2 结构及功能介绍
序5下环板采用大齿压板结构, 大齿压板通过径向等距分布的立筋, 其它环板和序3外壁板连接, 下部由序6支撑环板在结构上进行加强, 使得定子机座具有足够的刚度和强度, 用于支撑定子铁心压指及绕组等部件的重量约200吨, 可承受发电电动机双向运行工况下的异步同期、短路、半数磁极短路等引起的各种力作用而不发生损害和超过允许的变形, 并通过序7斜立筋传递到定子基础板上。
序7斜立筋周向均布, 在径向方向有一定的倾斜角, 此机座通过有限元优化计算, 确定倾斜角度为45°, 详见图2。斜立筋穿过各层环板并与各层环板焊接。这种斜立筋结构既能保证径向的弹性, 从而适应因温升导致的定子铁心径向膨胀, 保证定子铁心的同心度和圆度, 有效的防止定子铁心翘曲变形;又能保证切向的刚度, 可以很好的传递电磁转矩。而且通过调整斜立筋的角度和尺寸可以使定子机座和基础连接后的固有频率远低于短路时激振转矩的频率 (即网频和倍频) 。定子机座的外壁板上开有与空气冷却器相对应的通风孔, 使空气冷却器能够悬挂于此, 组成双路径向密闭自循环冷却系统的一部分。
4 定子机座的刚强度及振动分析
定子机座作为发电机的主要受力部件, 结构初步布置后要利用有限元对其刚强度进行分析, 为了更好的模拟实际情况, 保证定子机座具有足够的刚度和强度, 将定子机座和上机架联合建模分析计算, 有限元计算模型如图3所示。
分析计算内容如下:
静止工况定子机座的应力和变形;
正常运行工况定子机座的应力和变形;
两相短路工况定子机座的应力和变形;
数磁极短路工况定子机座的应力和变形。
经过计算分析后的结论如下:
静止工况, 高应力区域平均应力强度
正常运行工况, 最大综合应力为195.939MPa, 最大应力发生在机座地脚筋板处, 安全系数为1.40, 满足强度要求。
在两相短路 (最危险) 工况, 两相短路工况下最大应力为353.978MPa, 超过了该材料的屈服极限275MPa, 但是小于材料的强度极限470MPa, 不会发生破坏。
半数磁极短路工况, 最大综合应力为209.101MPa, 最大应力发生在机座地脚筋板处, 安全系数为1.32, 满足强度要求。
5 结论