1000MW级核能发电机定子机座及铁心固有频率三维有限元分析
1000MW等级汽轮发电机结构介绍_魏燕飞_2014-05-23
转子铜线（本体）
无氧含银冷拉双孔铜排
3 发电机主要结构特点
§3.11 转子槽内布置
转子槽楔 楔下垫条
以有力和完善的转子质 量控制为依托，不断优 化工艺，确保转子线圈 防匝间短路技术可靠
A. 组合式匝间绝缘结构，与 铜排等宽设计
环氧层压匝间绝缘 嵌线时粘接在匝间
B. 线圈弯形过程中采用铜排 等高工艺技术 C. 匝间绝缘与铜排间采用耐 高温的粘结材料 D. 转子嵌线过程中采用大电 流加热工艺 E. 清洁房内进行整体嵌线 F. 未发生转子匝间短路故障
发电机定子绕组承受高电压：27kV；大电流：接近24000A。
绕组设计需满足高电压、大电流（发热）、强大电动力要求。
3 发电机主要结构特点
§3.3 定子绕组
定子线圈模型图
3 发电机主要结构特点
§3.3 定子绕组
不锈钢 空导
A
采用SVPI全屏蔽技术的定子线 圈介损 tgδ < 1（标准<3） 绝缘寿命长
3 发电机主要结构特点
§3.1 定子机座 机座的作用及结构形式
机座作为固定、支撑、保护定子铁芯、定子绕组之用，同时它还须构成发 电机通风循环回路。氢冷发电机采用端盖轴承结构，它还承受转子重量,且
具有承受气体压力作用下的密封和防爆的功能 。
机座一般由外罩板、外机壁、内机壁环形隔板、各种支撑板、底板、吊环 座（吊攀座板）等部件焊接而成。
弧 形 压 板
绝 缘 盒
3 发电机主要结构特点
§3.3 定子绕组
绕组端部固定方式：
端部整体性好，线圈切向、径向 受力均匀，与传统绑扎固定结构 相比，线棒应力降低约50%，提 高了抗突然短路能力 提高整机防晕水平
1
汽车爪极发电机定子模态分析和固有频率计算
［ ｂｔａｔ Ａ３ Ｅ ｍ ｄｌｏ ｅｓ ｔ ｆ ｌ －ｏｅｍ ｔ ｕｌ ｏａ ａａｙｉｉｐｒ ｒｅ ｎｉＵ Ａ ｓ ｃ］ Ｆ ｏｅｆｒｈ ｔｏ ｏ ａ ｐｌ ｏ ｒｓ ｉ，ａｍ ｄｌ ｎｌ ｓｓ ｅｏｍ ｄｏ — ｒ Ｄ ｔ ａｒ ｃ ｗ ｏ ｉｂ ｔ ｓ ｆ ｔ
ｓｎ ｏｔ ａ ｅ ＡＮ ＹＳ ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｔ ｒ ｌｆ ｑ ｅ ｃ ｆ ｍｏ ｏ ｔｔｒ ｉ ｃ ｌ ｕ ａｅ ． Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｔ ｒ ｅ ｉ ｇ ｓ ｆ ｒ Ｓ ｎ ｈ ａ ｕ ａ ｒ ｕ ｎ ｙ ｏ ｔｒ ｓａｏ ｓ ａｃ ｌ ｔｄ ｗ ｅ ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ６ ｈ ｏ ｄ ｒ ｓ ｍｏ ｅ ｏ ｔ ｔｒｈ ｓ ｔ ｅ ｍｏ ｔ ｏ ｔ ｂ ｔ ｎ ｔ ｈ ｏｓ ｎ ｉ ｒ ｔ ｎ ｏ ｌｗ— ｏ ｅ ｍｏ ｏ ． ｄ ｆｓ ｏ ａ ｈ ｓ ｃ ｎ ｒ ｕ ｉ ｏ ｔ ｅ ｎ ｉｅ ａ ｄ ｖｂ ａ ｉ ｆ ｃａ ｐ ｌ ｔｒ ａ ｉ ｏ ｏ
率， 并与试验结果进行 比较 ， 结果表明爪极电机 ６阶 模态 对 噪声 和振 动 的贡献最 大 。该研 究 为抑 制 电机
噪声 提供 了理 论依 据 ， 爪 极 电机 的 技 术 改进 有 一 对 定 的参考价 值 。
有关各类 电机 的 噪声 和振 动 问 题 ， 内外 的专 国
１ 电机定 子固有频率 的计算
Ｂａ ａ ｈ ａ ，Ｌｉ ｉｎ ，Ｎｉ ｕ ｕ ｎ ，Ｌｉ ｉ ｇ ｏＸｉｏ ｕ ｕ Ｊａ Ｙｏ ｙ ａ ｕ Ｂ ｎ ＆ Ｗ ｅ 。 ｎ Ｘｕ
１ Ｓｈｏ ｏ ｌ ｔｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇａｄＡ ｔｍ ｔ ｎ Ｈｆｉ ｎｖｒｔ ｅｈ ｏ ｇ ， ｅｅ ３ ０ ９ ．ｃｏｌｆＥｅ ｒ ａ Ｅ ｇｎｅｎ ｎ ｕ ａｉ ， ｅ ｉ ｓｙｏ ｃｎｌ ｙ Ｈｆｉ ０ ０ ； ｃｉ ｉ ｏ ｏ ｅ Ｕ ｅ ｉ ｆＴ ｏ ２
1000MW汽轮发电机机座加工过程
1000MW汽轮发电机机座加工过程引进外国技术，利用我厂现有设备状况，克服困难，成功生产出1000MW 汽轮发电机机座。
标签：1000MW汽轮发电机；机座加工1 前言泰州1000MW汽轮发电机是目前我公司目前生产单机容量最大的机组，引进日本东芝公司技术，定子机座加工由于两公司加工设备不同，所以加工工艺方法也不一样，现有设备无法满足机座加工的需要。
依据我厂现有设备情况、设备精度和参数制定加工工艺方案，我与非标设计一起研究非标设备提制和设备参数的选择。
依据百万机座加工的要点、难点逐项分解。
在大家的共同努力下顺利完成泰州百万三段机座加工、三段组焊、组焊后加工，并顺利完成机座水压试验。
机座水压试验的完成，标志着我厂已具备百万机座制造的能力和水平。
为进一步开拓火电市场，提高市场竞争力起积极推动作用。
2 机座加工工艺方案的确定针对现有设备加工能力瓶颈（行程不足），重点解决内孔和定位槽的加工，经论证提出两种加工方案；方案一，用车镗床分两次在两端镗加工内孔和加装动力铣头铣槽；方案二，将机座轴向分三段数控立车加工，加装动力铣头铣槽，之后焊接成整体；经分析、比较和评审，两方案都需要加装动力铣头，考虑动力铣头重量的影响，选择立式加工更合理，精度易于保证；最终选定方案二。
步骤1）将机座轴向分成三段焊接（汽端段、中间端、励端段），分三次立车加工，用数控立车加工内孔和在立车垂直刀架上装卡动力铣头，利用立车卡盘数控分度铣加工定位槽。
步骤2）完成内部加工后，三段被加工后的机座组装并焊接成整体。
步骤3）镗床以内孔为基准加工侧面等配合面及钻孔攻螺纹；完成机座的全部加工。
3 加工设备的选择百万机座由于受设备限制而设计成三段，最长一段为4410mm，故要选择立车横梁高度在4.5米以上的立车，同时要求机床分度要准确，一周累计误差要在0.20mm以内。
因此选择在水电数控16米进行加工，经考虑综合制造成本和水电一些大型工件必须在数控16米立车加工，因此将百万机座加工临时调整到数控8.5米立车，由于该设备刀杆伸出长度仅为2.5米，无法满足机座底部环板的加工，调整机座加工工艺方案，重新提制加长刀架和铣头（见图1）。
有限元法计算磁场
百万千瓦级汽轮发电机内电磁场的有限元计算分析摘要：本文首先介绍了有限元的基本原理，然后以上海发电机厂QFSN 型1000 MW级隐极式汽轮发电机作为分析模型，应用有限元分析软件ANSYS对其进行了磁场分析，其结果与设计值比较吻合。
关键词：汽轮发电机；电磁场；有限元引言电机是机械能转换为电能或电能转换为机械能的主要设备。
为了进行能量转换，电机内必须要有磁场或电场作为耦合场。
当转子旋转时，耦合场受到扰动，磁场及其贮能发生变化，电枢绕组内就会产生感应电势，转子上则将受到电磁力的作用，于是机械能就转换为电能或电能转换为机械能。
要研究电机内的能量转换机制，必须清楚电机内的磁场分布。
因此，研究电机中的电磁场对电机的分析和设计非常重要。
随着科学技术的发展，发电设备的容量不断增加，设备不断大型化。
目前，国内二极汽轮发电机最大单机容量已经达到1000MW。
为进一步提高发电机设计的可靠性，要求对电机中电磁场进行更深入的分析和计算。
目前，随着电子计算机发展，以有限元方法为代表的数值分析方法有了很大的进步，其使用范围超过了以往其他各种方法。
1 有限元法有限元法是近似求解数理边值问题的一种数值技术。
这种方法大约有40年的历史。
它首先在上世纪40年代被提出，在50年代开始用于飞机设计。
目前，作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法，有限元方法已相当著名[1]。
有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。
应用变分原理把要求解的边值问题转化为相应的变分问题，利用对区域D 的剖分、插值，将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题。
进一步得到一组多元的代数方程组，求解得到所求边值问题的数值解。
2 模型与分析计算2.1 有限元法的基本理论电机电磁场涉及到静磁学，这种磁场变化率较小，服从麦克斯韦方程组：⎪⎩⎪⎨⎧==⨯∇=⨯∇H B B J H μ0其中B 为磁通密度，H 为磁场强度，J 为电流密度，为材料的磁导率。
因为B=0，因此有矢量磁位A ：J A A B =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯∇⨯∇⨯∇=μ1, 由于分析二维空间,则假设电流的流向和z 轴平行的，因此只有A 的z 轴分量存即：()()J J A A ,0,0,,0,0==因此上述方程可以化简成为一个标量椭圆偏微分方程：J A =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∇∙∇-μ1 这里()y x J J ,=。
大型风力发电机定子支架的振动分析
析软 件对其进行建模和模态分 析 ， 在此基础上 ， 对 柔 性 结 构 的
由此可得式 （ ４ ） 式 的特征 值 ｅ ． Ｏ ｉ 和 特征 向量 ｛ｕ ）。其 中 为结构 的 自然圆周频率（ ｒ ａ ｄ ／ ｓ ） ， ｛ ｕ ）为振型 。由 叫 。可得
出 自然频率 ＝ ／ ２
计算结果 ， 找到 了振 动的薄弱位置 ， 为大型风力发 电机 定子 支架的优化设计提供 了重要 的参考依 据。
关键 词 ： 振动分析 ； 模 态分析 ； 有限元分析
Ｖｉ ｂｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｌａ ｒ ｇ ｅ Ⅵ值 Ｉ １ ｄ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ Ｓ ｔ ａ ｏｒ ｔ Ｓ ｕｐ ｐ ｏ ｒ ｔ
［ ］ ｛ ｔ｝ ｉ ＋［ Ｃ ］ ｛ ｕ ｝＋［ Ｋ］ ｛ ｕ ｝＝ ｛ Ｆ （ ｔ ） ｝
（ １ ）
产业进入 高速发展 期 。为 了提 高风 能利用 率 和发 电效 率 ， 风 力发 电机 的单机容量不断 向大 型化发展 。对于大 型直驱 风力
其中ｉ ［ Ｍ］ 为质量矩 阵 ； ［ ｃ］ 为阻尼 矩阵 ； ［ ］ 为 刚度矩 阵 ； ｛ｉ ｔ ）为位移矩 阵 ； ｛ Ｆ （ ｔ ） ｝ 为外载荷矩 阵。
ＬＯＮＧ Ｙｉ ｎ ｇ—ｒ ｉ ， ＺＨＯＵ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ， ＺＨＡＮＧ Ｄｏ ｎ ｇ—
（ Ｃ Ｓ Ｒ Ｚ ｈ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｌ ｏ ｃ ｏ ｍ ｏ ｉ ｔ ｖ ｅ Ｃ Ｏ． Ｌ Ｔ Ｄ ４ １ ２ ０ ０ １ ）
电机设计及有限元分析
电机设计及有限元分析详细介绍：随着电⽓化和产品智能化⽔平的提⾼，电机、变压器以及⾼低压电器在各种装备和⽣活中的应⽤越来越多，电机和电器朝着容量⼤型化、体积⼩型化以及智能化的⽅向发展。
现今的电机电器设计⾯临着更复杂的技术挑战，只有充分运⽤现代⼯程仿真技术才能应对这些挑战。
典型应⽤领域1）电磁仿真。
电磁仿真在电机电器设计中扮演⾮常重要的⾓⾊，电磁仿真可以预测电磁转换的效率、各个部件的损耗和发热量、电磁⼒/⼒矩等参数，是进⼀步进⾏热仿真和结构仿真的基础；2）电场仿真。
随着电器设备容量和⼯作电压的提⾼，电场仿真的必要性性更加迫切，电场仿真能够预测设备的绝缘性、放电和击穿的可能性等性能指标；3）热仿真。
过热会使电机的可靠性降低，甚⾄于烧毁，因此热分析与热设计在电机电器设计中⾮常重要，热分析可以优化冷却⽅案，改善冷却效果。
4）结构强度、疲劳仿真。
利⽤结构分析软件研究电机电器在机械载荷和热载荷作⽤下的强度、刚度、振动和疲劳寿命，可提⾼设备的可靠性。
5）噪声分析。
模拟结构振动噪声和电磁噪声。
电磁仿真稳态磁场分析: 激励不随时间变化,如永磁体的磁场、稳恒电流产⽣的磁场等谐性磁场分析: 激励按正余弦规律变化,如感应式电机瞬态磁场分析: 激励随时间⽆规律变化混合励磁车⽤发电机三维电磁场有限元⽹格发电机永磁励磁的磁密分布转⼦磁感应强度⽮量右视图定⼦磁感应强度⽮量值定⼦磁场强度标量值定⼦磁场强度⽮量值转⼦磁场强度⽮量通过温度场计算,得到电机整机或部件的温度分布、热量的获取和损失、热梯度、热流密度等.稳态温度场分析:热源不随时间变化瞬态温度场分析:热源随时间变化定⼦铁⼼与机座温度分布上机架和定⼦温度分布电机流场分析电机结构分析部件刚强度计算接触应⼒计算固有频率计算动态响应计算临界转速计算⾼速发电机转⼦轴应⼒计算发电机转⼦轴应⼒计算定⼦和上机架联合计算序号⼯况载荷1起吊运输⼯况⾃重额定扭矩，正常运⾏⼯况2正常运⾏⼯况磁拉⼒，⾃重，温升半数磁极短路磁拉⼒3半数磁极短路⾃重，温升4地震⼯况地震加速度正常运⾏⼯况结构综合应⼒正常运⾏⼯况结构径向变形半数磁极短路⼯况结构综合应⼒半数磁极短路⼯况结构径向变形下机架有限元模型图结构应⼒分布云图载荷:⽔推⼒、机组转动、部分总重量定⼦铜环引线结构强度计算循环对称模型定⼦铜环引线结构整体应⼒分布短路⼯况,铜环引线发热定⼦铜环引线⽀架应⼒分布定⼦铜环引线结构变形分布主轴法兰强度分析发电机最⼤容量时主轴法兰应⼒强度发电机半数磁极短路⼯况时主轴法兰应⼒强度联轴器应⼒和紧量计算汽轮发电机转⼦齿头和槽楔应⼒计算计算模型应⼒分布发电机端部振动模态分析俄制500MW汽轮发电机定⼦端部振动模态分析电磁⼲扰⼒下的定⼦振动定⼦铁⼼的各个部位响应值曲线临界转速计算传递矩阵法计算有限元法计算⽂章来源：伺服与运动控制。
基于ANSYS WORKBENCH油田电机机座结构的有限元分析
基于ANSYS WORKBENCH油田电机机座结构的有限元分析作者：唐博张卫华陈振国段伟飞来源：《商品与质量·学术观察》2013年第09期摘要：机座是油田电机中重要零件之一，文章介绍ANSYS WORKBENCH有限元方法对油田电机机座进行强度、刚度、模态分析，分析结果表明电机结构满足设计要求，为同类产品设计、开发、改进提供了参考依据关键词：机座模态 ANSYS 强度刚度有限元机座是油田电机中重要零件之一。
由于机座的结构复杂，用简单的材料力学公式很难精确分析和计算其受力和变形情况。
在以往的设计中，往往是根据经验或参考有关样机来进行设计，处于经验类比设计阶段。
这种设计方法，势必导致设计结果趋于保守。
本文应用CATIA进行产品的参数化实体建模，利用有限元方法，从静力学和模态进行电机机座力学分析，得到机座在静力作用下的强度、刚度；模态的固有振动频率，可以达到校核机械结构的强度和刚度、分析出主要失效形式和危险点的目的，从而为产品的设计和优化提供理论依据；模态是机械结构的固有振动特性，利用有限元软件对转子进行模态分析，可以得到的模态频率及振型，预测转子与其他部件发生动态干扰的可能性，从而对机座结构进行合理设计，避开共振的发生。
ANSYS WORKBENCH的前处理模块、分析计算模块和后处理模块能够较好地完成此部分工作。
1、分析理论1.1有限元计算是建立在位移法基础上的刚度矩阵法，其通式可写成：[S]{D}={F}式中 [S] 刚度矩阵{D} 位移向量{F} 载荷项1.2软件中的动力学分析中的模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型问题：其中[K]-刚度矩阵{ }--第i阶模态的振型向量--第i 阶模态的固有频率[M]--质量矩阵2、建立模型利用CATIA软件建立机座三维模型，将机座、定子铁心、端盖分为三个部件，然后再装配为组件，并对定子线圈进行等效简化，计算出等效密度，得出三维模型后另存为“.CATPart”文件，并导人ANSYS WORKBENCH，如图1所示。
《东方电机》2006年总目次
《 东方 电机 ）０ ７年 第 １期 ） ０ ２
《 东方 电机） ０６年 总 目次 ） ０ ２
水
篇 瀑 布 沟 电站 水 轮 机 结 构 设 计
龙 滩 电站 不 锈 钢 活动 导叶 整 铸 工 艺
轮
机
作
名
郭
者
期 数 页 码
１ １ １ １ １ ２ １ ５ ６ １ ２ １ ３—１ ２ ８． ８ １ ２ ９ ４ ２ ２ ５ ８ １—３ ８ ，
大 型汽 轮 发 电机 转 子 锻 件 技 术要 求
４Ｏ Ｏ ＭＷ 燃机 定子 铁 心 外装 压 工 具加 工制 造 工 艺
３ ３ ９—４ ．５ １４
３ ４ ２—４ ５
龙
奔
武 勇 李克非等
易 明 星
４ ４— ８
４ ９ —１ ３ ４ １ ４—１ ７
４０ ０ ＭＷ 燃 气轮 发 电机 生 产过 程 中的 质 量 控 制 与 检验
４０ ０ ＭＷ 燃 气轮 发 电机 定子 线 圈制 造 质 量 控 制 首 台 ４Ｏ Ｏ ＭＷ 燃 气轮 发 电机 真机 试验 研 究
４０ ０ ＭＷ 燃 气轮 发 电机 转 子 动 平 衡 试 验 研 究
罗 红 刘 志
１
２ ９—３ ３ ２ ０—２ ４ ４ ２—４ ５
ｌ １— １ ４
抽水蓄能 电站发 电电动机起 动仿 真计 算研 究
虚 拟 仪 器在 大 型发 电机 通 风 模 型 测试 系统 中的 应 用 新 型 斜 定位 筋 搭 焊 工装 的设 计 与 制造
三峡 发 电机 磁 极 键 及 磁 极 压 板 热 处理 工 艺试 验 及 应 用 三峡 水 轮 发 电机 镜 板 测 量 技 术研 究
东电--1000MW发电机介绍
结构特点—隔振
可靠的发电机铁芯隔振系统——
为减小机组运行时电磁振动对基础的影响（破坏），铁 芯隔振系统设计在大容量全转速电机设计中十分重要。
东方1000MW发电机有两种机座结构，并根据机座结构 开发了轴向和切向弹簧板两种隔振系统。
✓轴向弹簧板隔振系统 应用于整体机座型发电机 ✓切向弹簧板隔振系统 应用于内外机座型发电机
东方电机有限公司
东方电气
DONGFANG ELECTRIC DONGFANG ELECTRIC MACHINERY CO. LTD
东方1000MW汽轮发电机 技术特点介绍
1
东方电机有限公司
东方电气
DONGFANG ELECTRIC DONGFANG ELECTRIC MACHINLY CO.LTD
DEC 2010 All Rights Reserved
5
东方电机有限公司
东方电气
DONGFANG ELECTRIC DONGFANG ELECTRIC MACHINLY CO.LTD
主要参数—规格
1000MW发电机基本参数
短 路比 冷却方式:
定子 转子 铁芯 绝缘等级 效率 漏 氢量 励磁方式
≥0.50 (保证值)
东方电气
DONGFANG ELECTRIC DONGFANG ELECTRIC MACHINLY CO.LTD
主要参数—规格
1000MW发电机基本参数
额定出力 最大连续出力 额定电压 功率因数 转速 频率 相数 额定氢压
1000 MW 1100 MW 27 kV 0.9 3000 rpm 50 Hz 3 0.52 MPa
水内冷 氢内冷 氢气表面冷却 F级 ≥99.00% (保证值) ≤12 Nm3/24h 机端变静止可控硅励磁
1200MW 、1000MW、800MW级汽轮发电机介绍
THDF 115/78
THDF 125/78 THDF 12llo
Boxberg Niederaussem 外高桥 1#
西班牙
德国 德国 上海
1147
1144 1223 1000
3000
3000 3000 3000
1988
2000 2002 2003
THDF 125/67
正视图
热风 冷风
俯视图
主要优点（续）
调峰能力强
- 可满足调峰二班制运行 - 发电机运行寿命期间，允许机组开停机10000次 - 定子绕组端部固定中的绝缘支架系通过反磁弹簧板固定在定子铁心端部结构件上， 有效的减小绕组绝缘中产生的机械力。
- 转子槽绝缘内表面、槽楔下垫条靠铜线侧、转子护环下绝缘筒内圆等与转子绕组
5.MICALASTIC®绝缘 6.外防晕层
- 导电聚酯胶带
7.内部电位控制
8.绝缘股线
- 半导体带
- 玻璃纤维编织绝缘
定子电压高，定子电流和电磁力小。
可靠的防晕层设计。
主要优点（续）
定子绕组固定结构可靠（SIEMENS公司大容量均采用此结构，效果好）
- 采用西门子公司成熟的刚-柔固定结构，径向、切向刚度很大，轴向能自由伸缩 - 定子线圈端部电连接采用机械连接，便于检查和检修 - 定子线圈端部固定采用大锥环、弧形压板结构，整个端部线圈间浇垫成整体 - 定子端部线圈渐伸线采用变间距设计，增大线圈隔相距离 - 径向采用具有自锁弹性自调整支紧结构，轴向用定位件支撑加以轴向定位， 整个定子线圈端部在运行时能伸缩 - 定子线圈端部外包保护层，便于今后维修
- 转子线圈端部通风和温升计算程序
转子轴系计算
PHS程序计算扭振
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1000M W级核能发电机定子机座及铁心固有频率三维有限元分析
王豫川
摘要本文对我公司生产的1000MW级核能发电机定子机座、铁心的固有频率、模态振型进行了三维有限元动力特性计算分析。
这对于了解核电发电机定子系统的动力特性,开发大型汽轮发电机,以及设计制造、安全运行等都具有重要意义。
关键词 1000MW级核能发电机定子机座铁心固有频率模态振型
1 引 言
近年来,由于汽轮发电机组向大型化方向发展,除了发电机转子和轴承的振动之外,在发电机定子铁心及机座上还出现了较大的倍频电磁振动。
对于发电机定子
,多年来一直是许多国家开展的研究课题。
但由于问题的复杂性,其固有频率、模态振型、动力响应以及各种影响因素等,还处于研究探索阶段,对汽轮发电机定子系统进行整机动力特性研究,是一项全新的富有挑战性的工作。
我公司生产的1000MW核能发电机,无论在结构上还是在单机容量方面,都与原来200MW、300MW汽轮发电机不同。
1000MW核电发电机采用切向弹簧板隔振结构,当隔振结构进行了较大的改进时,随之而来的必然是定子系统动力特性发生变化。
因此对1000MW核电发电机定子机座、铁心的固有频率、模态振型进行三维有限元分析研究具有重要意义。
21000MW核能发电机技术参数及定子机座结构特点
发电机技术参数:
额定功率1000MW
额定频率50Hz
额定转速3000r/m in
弹簧板总数40块
图11000MW核能发电机定子
机座结构简图
1000MW核电发电机定子机座由外机座、內机座及铁心、弹簧板组成。
铁心在专
来稿时间:2005年10月
用的胎上(內机座)叠装,铁心与內机座通过定位筋联接。
外机座与內机座及铁心由弹簧板联接。
弹簧板一方面支承內机座及铁心,另一方面起到隔振作用。
整个结构特点就象一个鸡蛋:铁心(蛋黄)、內机座(蛋白)、外机座(蛋壳)。
图1为1000MW 核能发电机定子机座结构简图。
3固有频率、振型计算
结构振动问题的运动微分方程为:[m ]
..x
+[c ]
.x
+[k ]x =f (t )
(1)
式中[m ]———质量矩阵[c ]———阻尼矩阵
[k ]
———刚度矩阵
{f (t )}
———外载荷向量
..x ———加速度向量.x ——
—速度向量x ———位移向量
令
x =
X e
j ωt+<
则式(1)为:-[m ]ω2+[c]
ω+[k ]x =f (t ) (2)
令
f (t )=0,[c ]=[0] 得到结构无阻尼、无外载状态下的自
由振动方程。
[m ]
..
x
+x =0(3)
采用B l ock Lancz os 法求解(3)式,可
解出n 个特征值和特征向量,即固有频率ωi 和振型{X i }(i =0,1,2,3,…,n )。
4
有限元模型的建立及边界
条件的处理
本次计算将1000MW 核电发电机定子铁心、弹簧板、机座、端盖等整个定子系统作为研究对象,建立三维有限元模型。
对于定子机座,采用三维板单元对机座进行离散。
对于铁心采用三维八节点块体单元,线圈采用质点单元施加到铁心内表面上。
定位筋采用空间梁单元。
弹簧板采用板壳单元。
对于支承发电机定子系统的钢筋混凝
土基础,采用ANSYS 程序中的二节点一自由度刚度单元进行模拟。
将单元与机座底板相连接端的节点自由度释放,另一节点自由度进行约束,对定子机座动力特性进行计算。
有限元模型见图2。
图21000MW 核电定子整机有限元模型图
5计算结果5.1 机座固有频率与椭圆振型
机座椭圆振动对应的固有频率为125.32Hz 、126.57Hz 、141.89Hz,其振型见
图3～图5所示。
图3频率为125.32Hz 对应的
机座振型图(
椭圆振动
)
图4频率为126.57Hz 对应的
机座振型图(椭圆振动
)
图5频率为141.89Hz 对应的
机座振型图(椭圆振动)5.2
铁心固有频率与椭圆振型
铁心椭圆振动对应的固有频率是
207.39Hz 、208.03Hz 。
其振型见图6、图7
所示。
图6频率为207.39Hz 对应的
铁心振型图(椭圆振动
)
图7频率为208.03Hz 对应的
铁心振型图(椭圆振动)
6 结论
机座椭圆振动对应的固有频率为123.76Hz 、126.57Hz 及141.89Hz 。
铁心
椭圆振动对应的固有频率为207.39Hz 、208.03Hz 。
计算结果表明,机座和铁心椭圆振动对应的固有频率均远离100Hz 电磁振动频率20%以上,因此该机动力特性良好。