300MW等级抽水蓄能发电电动机转子机械性能综合研究

300MW等级抽水蓄能发电电动机转子机械性能综合研究

文章以有限元仿真分析技术为基础对某在建的300MW等级抽水蓄能发电电动机转子支架机械刚强度、疲劳寿命以及轴系临界转等机械性能进行了综合研究，为抽水蓄能机组转子的机械可靠性设计提供了理论校核依据。

标签：抽水蓄能；有限元仿真；刚强度；疲劳寿命；轴系临界转速；动力响应

1 概述

文章以有限元仿真分析技术为基础对某在建的300MW等级抽水蓄能发电电动机转子支机械刚强度、疲劳寿命以及轴系临界转等机械性能进行了综合研究，为抽水蓄能机组转子的机械可靠性设计提供了理论校核依据。该机组的基本技术参数如下表1所示。

2 转子支架刚强度计算

2.1 有限元模型建立

应用Ansys软件，建立发电电动机转子实体三维几何模型，并用Solid181单元进行全六面体扫掠有限元网格划分，建立的有限元模型如下图1所示。

2.2 各工况刚强度计算

抽水蓄能发电电动机在运行过程中会频繁在静止工况、发电机额定运行工况、电动机额定运行工况间转换，并且会出现极端的飞逸转速工况，文章首先在充分考虑各工况实际载荷形式的基础上，对三个典型工况（静止、发电机额定工况和飞逸工况）转子支架的综合应力和轴、径向变形进行了仿真计算，以校核该转子支架结构是否满足刚强度要求。刚强度计算结果如下表2所示。

2.3 转子支架疲劳寿命计算

抽水蓄能发电电动机有频繁的工况转换，这会在结构内产生交变应力循环，势必会造成结构的疲劳损伤，所以必须在各工况静力学刚强度分析的基础上，对结构进行的疲劳寿命进行计算。将以上各工况分成3个载荷步在Ansys平台中进行多载荷步计算，将产生的结果文件导入专业的疲劳寿命计算软件Ncode中，计算结果如下图2所示，由图中计算结果可知该结构的疲劳寿命为1.655e5次。

3 轴系临界转速及动力响应计算

在Ansys平台中，使用Beam188、Combin14和Mass21三种 单元建立发电电动机及水轮机轴系模型，计算轴系第一阶横向振动固有频率、第一阶扭转振动

固有频率和横向动力响应。第一阶横向振动固有频率结果如下图3所示、第一阶扭转振动固有频率计算结果如下图4所示，轴系最大摆度双幅值如下表3所示。

4 结束语

4.1 由表2可知该转子支架各工况最大综合应力为293MPa，该值小于转子支架材料屈服极限500MPa的三分之二，满足强度要求；最大轴、径向变形为0.69mm，该值小于1mm，满足刚度要求。

4.2 由疲劳寿命计算可知该结构可以承受工况转换的次数为1.655e3次，如果按每天工况转换10次计算，可以安全服役45年，该值大于40年，满足疲劳寿命要求。

4.3 由轴系临界转速及动力响应计算可知，第一阶横向振动固有频率为13.73Hz，对应的第一阶横向临界转速为823.8rpm，该值大于飞逸转速621.5rpm的1.3倍，满足要求；第一阶扭转振动固有频率为15.57Hz，对应的第一阶扭转临界转速为934.2，该值大于飞逸转速的1.3倍满足要求；导轴承位置的振动双幅值2A小于0.14mm，满足要求。

参考文献

[1]衣然，兰波.大型水轮发电机转子支架应力分析[D].第十九次中国水电设备学术讨论会论文集.黑龙江科技出版社，2013.

[2]白延年.水轮发电机设计与计算[J].机械工业出版社，1990.

作者简介：程浩岚（1985-），毕业于华中科技大学，现从事大型发电机和电动机结构设计、机械性能分析和振动、噪音测试工作，助理工程师。