大容量水轮发电机定子铁心翘曲分析

摘 要：对某大容量水轮水电机的定子铁心翘曲问题进行了分析，研究了温升和运行载荷对铁心翘曲的影响程度。经过分析发现，在机组运行时，定子铁心翘曲主要是由定子铁心和机座间的温差引起的。

关键词：大容量水轮发电机；环向应力；铁心翘曲

1 概述

水轮发电机定子铁心是定子的重要部件，由铁心冲片、通风槽片、定位筋、齿压板、拉紧螺杆及固定片等零部件装压而成。在水轮发电机运行过程中，由于温升和结构等因素的影响，定子铁心可能会产生沿环向的波浪形变形，称为定子铁心的翘曲变形。

为尽力避免定子铁心翘曲的发生，需要从根本上分析各种可能导致定子铁心发生翘曲的因素，在机组前期设计中最大程度的减少各种因素的影响。

根据理论分析及经验，定子铁心的环向应力是导致定子铁心发生翘曲的主要原因，而影响环向应力大小的因素主要有机座温升和定位筋个数等。

文章以某大容量水轮发电机组为基础，计算比较了机座与铁心温差不同时定子铁心环向应力的变化情况。

2 机组结构及参数

某大容量水轮发电机容量为550MW，定子铁心外直径为12782mm，内直径为11810mm。定子机座用螺栓和径向键固定在基础板上。定子支墩共16个，均匀分布。定子铁心受热膨胀时，机座可沿径向键移动。径向键同时限制机座切向位移以承受发电机受到的电磁扭矩。机座沿圆周位置分布81个定位筋。

3 有限元模型描述

定子的有限元模型见图1。铁心和定位筋采用实体单元，机座采用壳单元，铁心和机座分别与定位筋直接相连。

定子整体为直支臂结构，结构边界条件及载荷设置如下：（1）定子支墩处约束环向和轴向自由度，允许径向有位移；（2）考虑定子机座和铁心温升；（3）铁心内圆施加偏心磁拉力和额定扭矩。

4 温升对定子铁心翘曲的影响

引起定子铁心翘曲的环向压应力主要由偏心磁拉力以及定子机座和铁心间温差引起的热膨胀不均产生。因此在计算中主要考虑的载荷为温升和偏心磁拉力。

为分析比较不同温升对定子的应力和变形、铁心环向应力的影响，分别进行了以下四种工况下的定子有限元计算：（1）铁心内圆温度70℃，机座外壁温度35℃，只考虑温升作用。（2）铁心内圆温度70℃，机座外壁温度35℃，考虑偏心磁拉力和额定扭矩。（3）铁心内圆温度65℃，机座外壁温度35℃，考虑偏心磁拉力和额定扭矩。（4）铁心内圆温度60℃，机座外壁温度35℃，考虑偏心磁拉力和额定扭矩。

4.1 只考虑温升

为进行温升作用和磁拉力作用对定子铁心环向应力的影响比较，进行了工况1的计算，只考虑了温升引起的热应力。计算得到，铁心径向变形为3.529mm；铁心环向压应力为17.193MPa，见图2。

4.2 工况2计算结果

考虑温升，铁心内圆温度70℃，机座外壁温度35℃，在铁心内圆施加偏心磁拉力和额定扭矩。计算得到，铁心径向变形为3.688mm；铁心环向压应力为20.612MPa，见图3。

4.3 工况3计算结果

考虑温升，铁心内圆温度65℃，机座外壁温度35℃，在铁心内圆施加偏心磁拉力和额定扭矩。计算得到，铁心径向变形为3.342mm；铁心环向压应力为18.536MPa，见图4。

4.4 工况4计算结果

考虑温升，铁心内圆温度60℃，机座外壁温度35℃，在铁心内圆施加偏心磁拉力和扭矩。计算得到，铁心径向变形为2.996mm；铁心环向压应力为16.46MPa，见图5。

5 定子铁心翘曲临界应力计算

定子铁心翘曲临界应力由以下公式计算得到：

式中，k为叠压弹性基础刚度，E为铁心等效弹性模量，b为铁心高度，h为铁心冲片单片厚度。

由上述公式计算得到定子铁心屈曲稳定性临界应力为70.046MPa。

6 结果对比及分析

四种工况下定子最大综合应力、机座最大径向变形、铁心最大径向变形、铁心环向压应力结果如表1所示。

对表中数据进行分析，可以得到两条结论：（1）使铁心产生翘曲的环向压应力主要由于温升引起。机组在正常运行过程中的其它载荷如偏心磁拉力和扭矩产生的铁心环向应力与温升相比属于小值。（2）机座和铁心温度相差越大，铁心环向压应力也越大，铁心就容易产生翘曲。

7 结束语

定子机座和铁心温升对定子的变形、综合应力有很大的影响。使铁心产生翘曲的环向压应力主要是由于定子铁心和机座间的温差引起的。机座和铁心温差越大，铁心环向压应力也越大，铁心就容易产生翘曲。因此，在定子的设计过程中，应充分提高定子运行过程中的通风性能，使定子的各个部件温升平稳分布，从而降低铁心的环向应力，减小铁心发生翘曲的可能性。