抽水蓄能发电机组转子阻尼环连接片强度及寿命评估

牟玉壮,沈润杰,王青华,4,黄建德,孙育哲

(1.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804; 2.同济大学 电子与信息工程学院 上海 201804;3.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司,浙江天台317200; 4.上海明华电力技术工程有限公司,上海 200090)



抽水蓄能发电机组转子阻尼环连接片强度及寿命评估

牟玉壮1,沈润杰2,王青华2,4,黄建德3,孙育哲3

(1.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804; 2.同济大学 电子与信息工程学院 上海 201804;3.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司,浙江天台317200; 4.上海明华电力技术工程有限公司,上海 200090)

抽水蓄能发电机组转子中阻尼环连接片作为阻尼绕组的重要部件,在发电机组运行过程中受到离心力、电磁力等作用,极易发生疲劳开裂并刮伤定子绕组绝缘等严重事故.目前应用最广的转子阻尼环连接片有两种,分别为普通型阻尼环连接片和Ω型阻尼环连接片.通过有限元软件分析两种转子阻尼环连接片在不同工况下的应力应变,并计算了两种阻尼环连接片的安全系数.根据疲劳寿命评估方法,得到了两种转子阻尼环连接片的疲劳寿命,为阻尼环连接片的选型和制定连接片的维护及更换周期提供参考.

抽水蓄能发电机组; 转子; 阻尼环连接片; 寿命评估

Mou Yu-zhuang1,Shen Run-jie2,Wang Qing-hua2,4,Huang Jian-de3,Sun Yu-zhe3

(1.School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.School of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 3.East China Tongbai Pumped Storage Power Co.,Ltd.,Tiantai,317200,China;4.Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China)

抽水蓄能发电机组的设置是调节电力供需的重要手段,保证了电力系统的稳定[1].阻尼绕组作为抽水蓄能发电机组的重要部件[2],其作用是抑制磁场突变和转子振荡,并且为抽水蓄能电机电动异步起动提供起动力矩.阻尼环连接片作为阻尼绕组的一部分,在发电机组运行过程中,由于受到离心力等作用产生位移,容易碰触到高压定子线圈,造成连接片开裂并刮伤定子绕组绝缘等严重事故.

目前研究主要集中在对转子和阻尼绕组的损耗上,但对阻尼环连接片的强度和寿命研究较少.文献[3]采用数值模拟的方法研究了转子温度场的分布规律,文献[4]对3种阻尼绕组排布方式的流体场和温度场进行了综合分析比对,分析了这3种阻尼节距的排布对转子部件温度场的影响.文献[5]对额定对称工况下转子的损耗和温度分布规律进行了综合计算分析.文献[6]分析了转子的关键部件的应力应变,但没有分析阻尼环连接片的应力应变.本文将通过有限元软件计算抽水蓄能发电机组在不同运行工况下两种阻尼环连接片的应力与应变情况,分析连接片所受的最大应力应变区域,并计算阻尼环连接片的安全系数.通过疲劳寿命评估方法,得到两种阻尼环连接片的疲劳寿命,为阻尼环连接片的选型和制定维护及更换周期提供参考.

1 旋转弹性体动力学方程和疲劳寿命评估方法建立

1.1 旋转弹性体动力学方程

转子绕主轴作旋转运动,建立图1所示的两种坐标系,O-XYZ是固定的绝对坐标系,O-xyz是随转子旋转的旋转坐标系.根据变形体动力学方法,转子系统的数学描述符合旋转弹性体振动方程:

(1)

图1 转子旋转坐标系

1.2 疲劳寿命评估方法建立

本文依据厂家提供的抽水蓄能发电机组阻尼环连接片材料的疲劳寿命曲线,采用Palmgren-Miner线性累积损伤法计算两种阻尼环连接片的疲劳寿命.

根据Palmgren-Miner假说,应力Si经过循环次数ni下的损伤率Di为

(2)

式中:Ni为应力Si下出现失效的总循环数.

所以,承受多应力下的累计失效D为

(3)

式中:nky为每年应力循环次数；L为运行寿命年数.

可知,当D1时,零件发生失效,即得:

(4)

即零件工作L年后有可能发生失效.

2 转子和阻尼连接片有限元模的型建立及分析

2.1 转子和阻尼连接片有限元模型的建立

抽水蓄能发电机组转子由磁轭、磁极、磁极压板、绕组和阻尼绕组等组成.由于转子模型循环对称,为了降低计算强度,只取半个磁极作分析,在有限元软件中建立转子三维模型如图2所示.两种阻尼环连接片分别连接在同一转子上,并且选择一半作分析,Ω型阻尼环连接片和普通型阻尼环连接片的三维模型分别如图3和图4所示.

图2 转子三维模型

2.2 不同工况下的应力应变分析

在飞逸工况、甩负荷转速工况和额定转速工况(加电磁力)下得到的应力应变云图如表1所示,由于篇幅有限,仅列出转子和Ω型阻尼环连接片的应力应变云图.

从仿真结果看,转子各个部分所受的应力均满足各自材料的强度要求,3种工况下转子的最大位移都发生在阻尼绕组一线上,并且转速越大转子所发生的应力应变越大,即飞逸工况下的转子各个部件的应力应变最大.两种阻尼环连接片的最大位移均发生在靠近磁极压板处,其位移也是系统的最大位移处.将两种阻尼环连接片在3种工况下的应力应变汇总,如表2所示,在相同的工况下,Ω型阻尼环连接片的应力要远小于普通型阻尼环连接片.在安全系数为1.5的标准下,Ω型阻尼环连接片的强度要求均满足,但是普通型阻尼环连接片的安全系数在飞逸转速和甩负荷转速下均小于1.5,不满足强度要求.

图3 Ω型阻尼环连接片三维模型

图4 普通型阻尼环连接片三维模型

图名飞逸转速(720r·min-1)甩负荷转速(转速:680r·min-1)额定转速(500r·min-1)+电磁力转子应变云图转子应力云图连接片应变云图连接片应力云图

表2 Ω型和普通型阻尼环连接片刚强度汇总

2.3 阻尼环连接片疲劳寿命分析

根据设计标准,抽水蓄能发电机组飞逸工况每10年发生一次;甩负荷工况每2年发生一次;在额定工况下平均每天启停4次.每个工况下最大应力作为应力循环值Si,考虑样本存活率为95%,根据Palmgren-Miner假说可得两种阻尼环连接片的寿命,如表3所示.

表3 阻尼环连接片寿命评估

由表3可知,Ω型阻尼环连接片的疲劳寿命大大超过普通型阻尼环连接片的疲劳寿命,与普通型阻尼环连接片相比,Ω型阻尼环连接片的使用将减少维护和更换的成本,降低转子因阻尼环连接片发生故障的概率.

3 结论

通过对抽水蓄能发电机组转子的整体分析,得到两种阻尼环连接片的应力应变云图,并计算了两种阻尼环连接片的疲劳寿命.得出以下结论:

(1) 转子在各个工况下的应变最大一般发生在阻尼绕组一线,所以在日常维护或故障检测时,应着重检查阻尼绕组一线,防止出现疲劳裂痕或断裂.

(2) 阻尼环连接片的最大应变是整个转子变形最大处,阻尼环连接片的最大应力发生在飞逸转速工况下靠近磁极压板处,对阻尼环连接片的探伤应主要集中在这个区域.

(3) 根据本文建立的寿命评估方法,Ω型阻尼环连接片明显优于普通型阻尼环连接片.故阻尼环连接片选型时,推荐使用Ω型阻尼环连接片.

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XU Chao.Finite element analysis of hydraulic turbine-generator unit keycomponents based on ANSYS[D].Changsha:Hunan University,2013.

Strength andlife assessment of pumped storage generatorrotor damping ring joint

Due that the rotor damping ring connection strap of pumped storage generator set,a critical component of damping winding,is impacted by centrifugal and electromagnetic forces,such accidents as fatigue cracking and stator winding insulation scratching frequently occur.Currently,two types of rotor damping ring connection straps are widely applied,i.e.the general and Ω types.By analyzing the stress variations during acceleration and deceleration processes via finite element software,such working conditions as runaway,unloading and rated rotary speeds in term of 720,680 and 500 rpm respectively are first investigated.Then,the maximum stress and strain areas of rotor damping ring connection straps,together with safety coefficients,are obtained.Based on the fatigue life assessment,the connection strap selection,along with tailor-made strap maintenance and regular replacement,is provided.

pumped storage generator set; rotor; damping ring connection strap; life-cycle assessment

牟玉壮(1992-),男,硕士.E-mail:muyz92@163.com

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1672-5581(2016)01-0083-04