某630 MW機組定子載荷有限元分析

摘

要：發(fā)電機定子載荷分配不合理，容易引起發(fā)電機軸承振動超標(biāo)，若長期振動會導(dǎo)致發(fā)電機設(shè)備損壞、氫氣泄漏等事故發(fā)生。通過有限元法建立發(fā)電機定子機座、鐵芯及端蓋的聯(lián)合模型，分析研究發(fā)電機定子應(yīng)力分布及定子立筋承載情況，為現(xiàn)場定子載荷試驗提供了理論數(shù)據(jù)支撐。關(guān)鍵詞：發(fā)電機定子；應(yīng)力分布；有限元；立筋0引言某發(fā)電公司機組汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)，機組型號為N630-16.7/538/538-1。機組投產(chǎn)后發(fā)電機振動良好，第一次大修期間，調(diào)整發(fā)電機底部墊片后，發(fā)電機軸承振動逐年上漲，影響機組安全穩(wěn)定運行。大部分氫冷發(fā)電機組采用端蓋式軸承，定子機座底角不壓緊，呈自然狀態(tài)坐落在臺板上，定子質(zhì)量主要由四角立筋承擔(dān)，如圖1所示?，F(xiàn)場安裝采用階梯墊片實現(xiàn)載荷分配，即機座4個角的負(fù)載為總載荷的60%～70%。如載荷分配不合理，一般采用電阻應(yīng)變法，對機座載荷的分布進行實測并調(diào)整到規(guī)定范圍。本文采用有限元模擬分析方法，得到載荷分布調(diào)整的理論依據(jù)。1有限元理論1.1

有限元位移法采用有限元位移法進行分析研究。開展研究第一步即明確單元的形函數(shù)，并保證函數(shù)的連續(xù)性和完整性。一般首先設(shè)單元位移為：節(jié)點坐標(biāo)通過上式計算得出。式中：ψ為一種常數(shù)；△為變化量；e為自然常數(shù)。統(tǒng)一代入公式（1）即：求得即得到所求形函數(shù)。上式中加入應(yīng)力、位移、應(yīng)變關(guān)系得出：式中：[B]為單位應(yīng)變矩陣；[E]為材料的彈性常數(shù)矩陣；{ε0}為初始應(yīng)變。求解單元剛度[Kij]即通過節(jié)點力與節(jié)點位移關(guān)聯(lián)可求出：利用上述結(jié)果可計算得到系統(tǒng)剛度矩陣：通過系統(tǒng)節(jié)點載荷與位移關(guān)系得出節(jié)點處受力關(guān)系：解上述方程可得出系統(tǒng)每個節(jié)點對應(yīng)的應(yīng)力與位移。1.2

有限元靜力學(xué)求解過程此過程一般可分為下述幾個步驟：（1）離散結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)的尺寸及特征等要求將系統(tǒng)分為部分單元，并在分割的單元內(nèi)設(shè)置節(jié)點，且節(jié)點之間具備連續(xù)性，以此來代替原有系統(tǒng)。（2）位移結(jié)構(gòu)。這里將位移結(jié)構(gòu)設(shè)為多項式，則位移矩陣為：式中：{f}為單元內(nèi)任一點的位移；[N]為形函數(shù)；{δ}e為單元節(jié)點的位移。（3）分析單元的力學(xué)性能。由節(jié)點位移表示的單元應(yīng)變?yōu)椋荷鲜龇匠趟愠鰡卧獞?yīng)力為：式中：[D]為與單元材料有關(guān)的彈性矩陣。根據(jù)變分原理，得出系統(tǒng)節(jié)點力與位移直接關(guān)系：[K]e為單元剛度矩陣，其形式為：（4）通過每個單元的剛度矩陣，得出整個系統(tǒng)的整體剛度矩陣[K]：根據(jù)上述整體剛度矩陣可得出系統(tǒng)的平衡方程為：（5）計算每個節(jié)點的應(yīng)力與位移。通過上述平衡方程式求解，得出每個節(jié)點的位移與應(yīng)力以及對應(yīng)的單元應(yīng)力與位移。（6）整理并輸出單元應(yīng)變和應(yīng)力。（7）一系列的處理與計算結(jié)果相結(jié)合，得出最終分析問題的結(jié)果。2發(fā)電機定子模型建立2.1

模型建立利用有限元軟件，建立630MW汽輪發(fā)電機定子機座、定子鐵芯及端蓋的聯(lián)合模型，在模型中采用塊體單元、板殼單元、梁單元、質(zhì)量單元來模擬，在不影響分析計算精度的前提下，將幾何模型進行如下簡化：對薄壁零件進行中面抽取，使用殼單元進行仿真、去除幾何模型中的所有螺栓孔。建立的模型如圖2所示]。其中關(guān)鍵部件模型建立介紹如下：（1）端蓋。端蓋是一個對稱的結(jié)構(gòu)，且兩端蓋形狀、尺寸均一致。分別采用二維網(wǎng)格和三維實體網(wǎng)格剖分端蓋中的各零件，如圖3所示。（2）吊盤。吊盤部件采用塊體單元建模，模型如圖4所示。（3）轉(zhuǎn)子、冷卻器和定子端部繞組系統(tǒng)。對于轉(zhuǎn)子、冷卻器和定子端部繞組系統(tǒng)，由于只需要考慮其質(zhì)量的影響，而其形狀、尺寸對整體剛強度沒有影響，因此在相應(yīng)位置加上一定質(zhì)量的實體單元加以代替。（4）定子鐵芯。定子鐵芯采用塊體單元建模，由于鐵芯是由沖片靠螺栓預(yù)緊力固定的，等效彈性模量小于鋼的彈性模量，一般取值1.5×105

MPa。（5）機座筋板。機座板殼采用殼單元，模型如圖5所示。2.2

材料屬性定義定義材料屬性：（1）鐵芯齒部材料如表1所示。（2）鐵芯軛部材料如表2所示。（3）其他部位材料如表3所示。3有限元分析計算建立模型后開始有限元分析計算，其中邊界條件如下：一是在自重作用下；二是在定子支撐板位置施加天地方向位置約束，施加的位移約束值按墊片厚度給出。在邊界條件下，根據(jù)發(fā)電機定子聯(lián)合模型進行有限元分析計算，結(jié)果如下：（1）在重力作用下，支撐立筋、定子天地方向應(yīng)變分布如圖6、圖7所示。（2）在重力作用下，定子機座在天地方向應(yīng)力分布如圖8、圖9所示，最大拉應(yīng)力104MPa，小于屈服極限的1/2，安全。（3）在重力作用下，定子在天地方向變形分布如圖10、圖11所示。4結(jié)語本文通過建立發(fā)電機定子機座