某630 MW机组定子载荷有限元分析

摘  要：

发电机定子载荷分配不合理，容易引起发电机轴承振动超标，若长期振动会导致发电机设备损坏、氢气泄漏等事故发生。通过有限元法建立发电机定子机座、铁芯及端盖的联合模型，分析研究发电机定子应力分布及定子立筋承载情况，为现场定子载荷试验提供了理论数据支撑。

0引言

某发电公司机组汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产，机组型号为N630-16.7/538/538-1。机组投产后发电机振动良好，第一次大修期间，调整发电机底部垫片后，发电机轴承振动逐年上涨，影响机组安全稳定运行。

大部分氢冷发电机组采用端盖式轴承，定子机座底角不压紧，呈自然状态坐落在台板上，定子质量主要由四角立筋承担，如图1所示。现场安装采用阶梯垫片实现载荷分配，即机座4个角的负载为总载荷的60%～70%。如载荷分配不合理，一般采用电阻应变法，对机座载荷的分布进行实测并调整到规定范围[1-2]。本文采用有限元模拟分析方法，得到载荷分布调整的理论依据。

1有限元理论

1.1  有限元位移法

采用有限元位移法进行分析研究。开展研究第一步即明确单元的形函数，并保证函数的连续性和完整性。一般首先设单元位移为：

节点坐标通过上式计算得出。

式中：ψ为一种常数；△为变化量；e为自然常数。

统一代入公式（1）即：

求得

即得到所求形函数。

上式中加入应力、位移、应变关系得出：

式中：[B]为单位应变矩阵；[E]为材料的弹性常数矩阵；{ε0}为初始应变。

求解单元刚度[Kij]即通过节点力与节点位移关联可求出：

利用上述结果可计算得到系统刚度矩阵：

通过系统节点载荷与位移关系得出节点处受力关系：

解上述方程可得出系统每个节点对应的应力与位移。

1.2  有限元静力学求解过程

此过程一般可分为下述几个步骤：

（1）离散结构。根据系统的尺寸及特征等要求将系统分为部分单元，并在分割的单元内设置节点，且节点之间具备连续性，以此来代替原有系统。

（2）位移结构。这里将位移结构设为多项式，则位移矩阵为：

式中：{f}为单元内任一点的位移；[N]为形函数；{δ}e为单元节点的位移。

（3）分析单元的力学性能。由节点位移表示的单元应变为：

上述方程算出单元应力为：

式中：[D]为与单元材料有关的弹性矩阵。

根据变分原理，得出系统节点力与位移直接关系：

[K]e为单元刚度矩阵，其形式为：

（4）通过每个单元的刚度矩阵，得出整个系统的整体刚度矩阵[K]：

根据上述整体刚度矩阵可得出系统的平衡方程为：

（5）计算每个节点的应力与位移。通过上述平衡方程式求解，得出每个节点的位移与应力以及对应的单元应力与位移。

（6）整理并输出单元应变和应力。

（7）一系列的处理与计算结果相结合，得出最终分析问题的结果。

2发电机定子模型建立

2.1  模型建立

利用有限元软件，建立630 MW汽轮发电机定子机座、定子铁芯及端盖的联合模型，在模型中采用块体单元、板壳单元、梁单元、质量单元来模拟，在不影响分析计算精度的前提下，将几何模型进行如下简化：对薄壁零件进行中面抽取，使用壳单元进行仿真、去除几何模型中的所有螺栓孔。建立的模型如图2所示[3]。

其中关键部件模型建立介绍如下：

（1）端盖。端盖是一个对称的结构，且两端盖形状、尺寸均一致。分别采用二维网格和三维实体网格剖分端盖中的各零件，如图3所示。

（2）吊盘。吊盘部件采用块体单元建模，模型如图4所示。

（3）转子、冷却器和定子端部绕组系统。对于转子、冷却器和定子端部绕组系统，由于只需要考虑其质量的影响，而其形状、尺寸对整体刚强度没有影响，因此在相应位置加上一定质量的实体单元加以代替。

（4）定子铁芯。定子铁芯采用块体单元建模，由于铁芯是由冲片靠螺栓预紧力固定的，等效弹性模量小于钢的弹性模量，一般取值1.5×105 MPa。

（5）机座筋板。机座板壳采用壳单元，模型如图5所示。

2.2  材料属性定义

定义材料属性：

（1）铁芯齿部材料如表1所示。

（2）铁芯轭部材料如表2所示。

（3）其他部位材料如表3所示。

3

有限元分析计算

JDXX

建立模型后开始有限元分析计算，其中边界条件如下[4]：一是在自重作用下；二是在定子支撑板位置施加天地方向位置约束，施加的位移约束值按垫片厚度给出。

在边界条件下，根据发电机定子联合模型进行有限元分析计算，结果如下：

（1）在重力作用下，支撑立筋、定子天地方向应变分布如图6、图7所示。

（2）在重力作用下，定子机座在天地方向应力分布如图8、图9所示，最大拉应力104 MPa，小于屈服极限的1/2，安全。

（3）在重力作用下，定子在天地方向变形分布如图10、图11所示。

4结语

本文通过建立发电机定子机座、定子铁芯及端盖的联合模型，并定义不同部件材料属性，根据现场设备制定边界条件，利用有限元方法分析计算得出发电机定子机组、立筋应力分布及变形情况，从而提供理论上的数据支持，用于现场定子载荷调整试验。

审核编辑：汤梓红