全氢冷发电机转子护环装配结构优化设计_陈冠宇.pdf

8 2023年第3期 摘 要：介绍了全氢冷发电机转子护环装配的结构特点，并以250 MW级全氢冷发电机为典型机型，详细阐述了转子护环装配结构优化设计，并对优化后的转子护环装配结构进行有限元分析。仿真结果表明，优化后的转子护环装配满足性能要求。该方案可推广到其他机型发电机的结构设计中。关键词：转子护环装配优化设计有限元分析 中图分类号：TM303 文献标志码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2023.03.002 Abstract:Structuralcharacteristicsofrotorretainingringassemblystructureinfullhydrogen-cooledgenera-torareintroduced.Takingthe250MWclassfullhydro-gen-cooledgeneratorasatypicalmodel,theoptimaldesignoftherotorretainingringassemblystructureiselaboratedindetail,andtheoptimizedrotorretainingringassemblystructureisanalyzedbyfiniteelementmethod.Thesimula-tionresultsshowthattheoptimizedrotorretainingringas-semblysatisfiestheperformancerequirements.Theschemecanbeextendedtothestructuraldesignoftheothertypesofgenerators.Keywords:rotorretainingringassemblyoptimalde-signfiniteelementanalysis全氢冷发电机转子护环装配结构优化设计陈冠宇 上海电气电站设备有限公司发电机厂（200240）Optimal Design of Rotor Retaining Ring Assembly Structure in Full Hydrogen-cooled GeneratorCHEN GuanyuShanghaiElectricPowerGenerationEquipmentCo.,Ltd.GeneratorPlant（200240）近年来，能源电力领域对全氢冷发电机的需求进一步增加，优化产品结构，扩大产品的性价比优势，已经成为各大发电机制造厂家在产品开发工作中的重中之重。本文以250 MW全氢冷发电机为例，在原转子护环装配结构的基础上，提出优化改进方案，并对优化后的结构进行有限元分析，以验证优化方案的可行性。1 转子护环装配1.1 护环装配介绍 发电机转子由转轴、槽楔装配结构、护环装配结构、线圈装配结构、磁极连接结构和风扇装配结构等组成1，其中护环装配结构分布在转子本体两端，如图1所示。图1 发电机转子结构转轴槽楔装配结构，线圈装配结构风扇装配结构磁极连接结构护环装配结构 护环装配结构如图2所示。转子线圈端部由高强度的反磁不锈钢护环支撑。护环采用悬挂式结构2，一端热套在转子本体端部的配合面上，图2 护环装配结构示意图中心环护环转子线圈转子本体环键2023年第3期 9 另一端热套在与转子轴柄悬空的中心环上，以降低大容量发电机的转子自重挠度在运转中对护环及中心环产生的影响。护环与转子本体的配合面为斜面，并通过环键防止护环发生轴向位移。护环和中心环配合面设计有一圈止口，通过止口承受轴向力。1.2 原护环装配结构250 MW级全氢冷发电机原护环装配结构如图3所示。半替代式短护环结构的护环和中心环热套面直径大于护环本体内径，故中心环需从护环尾部热套穿入，中心环止口高度不可过高，否则中心环将无法热套到护环上。另外，护环和转子本体热套面由两档改为一档，需重新调整热套面的过盈量，以满足机械强度的设计要求。采用该结构时，护环锻件长度得以缩短，且护环锻件的内径是以护环本体内径为基础，放适当余量得到的，所以护环锻件整体尺寸及质量较小，从而实现了降低护环锻件采购成本的目标。2 有限元仿真分析 发电机运行时，护环不仅承受着转子线圈及端部垫块等结构件和自身的巨大离心力，还承受着与转子本体和中心环过盈配合产生的应力，为确保发电机的安全运行，需对优化后的护环装配结构进行有限元仿真验证。2.1 几何模型 基于250 MW级全氢冷发电机的实际护环装配结构，建立有限元模型，如图5所示。建模时，考虑了转子与护环装配的对称性，可以只建立护环装配结构的3D半齿半槽有限元模型。图3 原护环装配结构示意图中心环转子本体护环 护环采用下凸式长护环结构，即护环鼻端与转子本体之间有两档热套面，同时护环上与中心环配合的热套面直径小于护环本体内径。采用该结构时，护环锻件长度较长，且护环锻件的内径是以护环上与中心环配合的热套面为基础，放适当余量得到的，所以护环锻件整体尺寸及质量较大。1.3 护环装配优化结构 目前护环锻件材料普遍采用机械性能较好的1Mn18Cr18N反磁不锈钢，但其生产工艺复杂、制造难度大，故成本较高。而中心环锻件材料普遍采用合金钢，其成本远低于护环锻件材料。为降低护环锻件采购成本，考虑通过结构优化，将250 MW级全氢冷发电机护环由下凸式长护环结构改为半替代式短护环结构，即护环鼻端与转子本体之间有一档热套面，同时护环一部分长度被中心环代替，如图4所示。图4 优化后的护环装配结构示意图护环中心环转子本体图5 护环装配结构有限元模型2.2 计算结果 为确保护环装配结构在各个工况下的应力水平都能满足设计要求，分别校核了静止、额定和超速工况下的护环和中心环的等效应力，计算结果和材料屈服强度如表1所示。不同工况下的护环和中心环等效应力如图6和图7所示。10 2023年第3期表1 不同工况下护环装配体等效应力计算结果和材料屈服强度工况护环中心环等效应力/MPa材料屈服强度/MPa等效应力/MPa材料屈服强度/MPa静止工况7961050282690额定工况604193超速工况787298 此外，在超速工况下，要求护环的每个主要热套面必须保持接触，以提供足够的约束力来对中护环装配，并要求在热态超速工况下校核过盈量。250 MW级全氢冷发电机在热态超速工况下，护环热套面的接触状态和压力如表2所示。表2 护环热套面接触状态和接触压力参 数护环与端部槽楔热套面键槽内侧键槽外侧轴向接触长度/mm21.530.1接触力/kN22.827.2 有限元分析结果表明，在静止、额定和超速三种工况下，护环和中心环的等效应力均小于各自的屈服强度，满足设计要求。同时，在超速工况下，护环的各个热套面仍能保持一定的接触，且过盈量满足设计要求。3 结语 通过对250 MW级全氢冷发电机转子护环装配结构进行优化，降低了结构的复杂性，提高了产品的性价比。根据有限元仿真结果，优化后的结构满足设计要求。该优化方案可推广到其他机型发电机的结构设计中。参 考 文 献1 汪耕，李希明 大型汽轮发电机设计、制造与运行M 上海：上海科学技术出版社，20122 张国喜，袁相鹏，罗翔 半替代护环的结构设计J 电机技术，2016（4）：37-41（收稿日期：2023-02-21）作者简介：陈冠宇，男，1992年4月生，硕士，机械制造及其自动化专业，工程师，现从事发电机总体结构设计工作。（a）静止工况（b）额定工况（a）静止工况（b）额定工况（c）超速工况图7 中心环等效应力（c）超速工况图6 护环等效应力