中小型水轮发电机转子整体磁轭叠片结构的应用

【摘要】水轮发电机转子磁轭采用叠片结构取代整体铸件结构，经过详细的分析计算，该新结构能满足发电机运行时的机械强度要求，解决了磁轭铸件外协难、质量难保证等问题，并具有一定的经济效益

【关键词】整体磁轭叠片结构机械强度

转子磁轭是发电机磁路的组成部分，也是固定磁极的重要结构部件。中小型水轮发电机转子磁轭采用整体铸件结构已经普遍应用，但长期存在着磁轭铸件外协难、质量难保证的问题，特别是对于磁轭本体长度超过1m的整体焊接件，外协生产厂家不多，难以采购，而且往往单价高，采购周期长。磁轭采用钢板叠片结构后，不但能满足水轮发电机在各种运行工况下的机械强度要求，解决了上述难题，而且在企业自身设备能力下也能加工，缩短了生产制造周期，降低了成本。

1.整体叠片磁轭的介绍

整体叠片磁轭结构，是在原铸件结构上进行的改进：磁轭由一系列中等厚度的钢板拼合而成，一般钢板厚度在16～60mm范围内,钢板应按GB/T2970-91中厚钢板超声波检验方法 达到Ⅱ级要求，板与板之间采用长螺杆拉紧固定形成整体结构。然后取过盈配合与主轴尺寸配车,加工内孔尺寸，通过过盈配合热套于主轴上。这一结构，已经在SF5000-10-2600水轮发电机中成功应用。如图１叠片式磁轭：

2.整体叠片磁轭的机械强度分析

以SF5000-10-2600水轮发电机转子磁轭为例，磁轭本体长800mm，磁轭外圈直径为φ1425mm,重约9.5t,采用叠片磁轭，用16mm与40mm,60mm规格共计34块钢板叠紧。利用计算机有限元程序对转子磁轭热套进行分析计算，磁轭各部分热套应力均满足机械强度要求。

2.1 基本数据

磁轭内径D0=310mm；外径D0=1425mm；额定转速Nn=600 r/min；飞逸转速Np=978.6r／min；D2孔数：N=10；D2=100mm；纵轴超瞬变电抗：Xd’’=0.2213；容量：P=6250 KVA 。磁极总重量(不带”T”尾) 6970kg；

图１叠片式磁轭

2.2有限元分析计算

根据该转子支架的产品特性，我们总共计算三个工况：1、装配、热套工况； 2、额定转速工况； 3飞逸转速工况。由于该部件的结构、载荷都关于中心轴线旋转对称，所以我们取整个转子支架的二十分之一进行有限元分析、优化。（见下图）

2.2.1边界条件

考虑转子支架与转轴之间的热过盈量和磁轭和磁极装配间的热打紧过盈。

为了计算准确，采用8节点的6面体单元划分网格。

2.2.2分析工况：

1).整个装配体结构由于过盈产生的变形和应力-装配工况

2).整个装配体在额定转速(600rpm)工作情况下的变形和应力,考虑过盈和自重--额定转速工况

3).整个装配体在飞逸转速(978.6 rpm)工作情况下的变形和应力,考虑过盈和自重--飞逸工况

2.2.3分析、计算的内容与结果

磁轭在装配工况的应力分布图(最大值为255MPa)磁轭在额定转速工况的应力分布图(最大值为252MPa)

磁轭在飞逸工况的应力分布图(最大值为244MPa) 主轴在装配工况的应力分布图(最大值为144MPa)

主轴在额定转速工况的应力分布图(最大值为141MPa)主轴在飞逸工况的应力分布图(最大值为137.7MPa)

2.2.4结论：

磁轭最大应力为255MPa, 材料许用应力σ=345MPa。主轴最大应力为144MPa, 材料许用应力σ=255MPa。综上，此转子磁轭机械强度合格。

3．经济效益

磁轭采用整体叠片结构后，整体磁轭结构得到了优化，可节约一定的材料成本。SF5000-10/2600转子磁轭为例，以当时铸件最低单价为1.07万元／t计算，2台机直接节约成本：(9.5tX2台)×(1.07-0.7)万元／t=7.03万元,另外若采用整体铸件结构，铸件木模费将增加，附近外协厂家不能生产，当时只能到外省市大型铸锻厂生产，运输费用也将增加，至少需增加费用约共计3万元(当时生产管理处提供数据)。综上所述，2台机节约本7.03万元+3万元=10.03万元。若改为锻件，则价格更高。

4．结语

该磁轭叠片结构确保了产品质量，缩短了生产制造周期，为今后生产同类型机组提供了参考价值。

5.作者简介

张建锋（1980-) 男 本科主要从事水轮发电机组设计工作。