混流式水轮发电机组主轴有限元分析

混流式水轮发电机组主轴有限元分析

牛新有

（东方电气集团东风电机有限公司 四川 乐山 614000）

摘 要：主轴是水轮发电机组的重要部件之一，为确保机组有良好的发电性能。本文使用ANSYS分析软件，对出口欧洲的某混流式水轮发电机组主轴刚强度进行分析，在设定的工况下，以获得主轴应力分布情况、变形等数据，对水轮发电机组主轴的设计提供了有力的理论支撑，从而保证机组运行可靠性及稳定性。

关键词：主轴；有限元分析；应力分布；综合变形

1机组基本参数

电站机组最大水头119.67m，额定水头109m，最小水头96.97m，额定功率17.57MW，额定转速500r/min，飞逸转速905r/min，轴向水推力515KN，主轴材料锻20SiMn，材料密度7850 kg/m³，屈服强度255Mpa，抗拉强度470Mpa，弹性模量206800Mpa，泊松比0.3。

2   分析计算

2.1  计算模型

水轮机轴与发电机轴联接三维及有限元模型如图1所示，模型使用四面体六节点网格计算模型。

图1  主轴有限元分析模块                    

2.2 计算工况及载荷

主轴计算工况、载荷及边界条件如表1所示，在主轴模型受力相应位置施加对应载荷及约束等边界条件，并对模型进行有限元分析。

表1   有限元分析载荷条件

2.3 计算结果

2.3.1 最高（额定）水头110%出力工况

转子轴系在最高 (额定) 水头110%出力工况下的仿真计算结果如图2~图9，水轮机轴及电机轴的应力计算结果见表2、表3，等效应力分布见图。

图2 转子轴系最大（额定）水头110%出力工况         图3 转子轴系在最大（额定）水头110%   等效应力云图                                     出力工况综合变形云图

表2  水轮机轴应力计算结果

图4 最大水头110%出力工况等效应力云图        图5 最大水头110%出力工况综合变形云图

图6 最大水头110%出力工况剪切应力云图

表3  发电机轴应力计算结果  

图7 最大水头110%出力工况等效应力云图      图8 最大水头110%出力工况综合变形云图

图9 最大水头110%出力工况剪切应力云图

2.3.2、1.3倍飞逸转速工况

转子轴系在1.3倍飞逸转速下的仿真计算结果如图10~图17，水轮机轴及电机轴的应力计算结果见表4、表5，等效应力分布见图。

图10 转子轴系1.3倍飞逸转速等效应力云图   图11 转子轴系在1.3倍飞逸转速综合变形云图

表4  水轮机轴应力计算结果   

图12 水轮机轴1.3倍飞逸转速等效应力云图      图13 水轮机轴1.3倍飞逸转速综合变形云图

图14 水轮机轴1.3倍飞逸转速剪切应力分布图

表5  发电机轴应力计算结果    

图15 发电机轴1.3倍飞逸转速等效应力云图      图16 发电机轴1.3倍飞逸转速综合变形云图

图17 发电机轴1.3倍飞逸转速剪切应力分布图

3   结论

表6  计算结果与许用应力对比表

根据上表分析得知，机组在额定水头、110%出力工况时，主轴最大等效应力62.17MPa及最大剪切应力34.12MPa均小于国家标准规定，故主轴的刚强度是完全满足要求的，能够使机组安全稳定运行。

作者简介：牛新有（1976—），男，2004年毕业于兰州理工大学热能与动力工程专业，本科，工程师。现在东方电气集团东风电机有限公司技术开发部主要从事水轮机结构设计及研究等工作。

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