(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
工况 | 最大水头 | 最大水水推力 (t) | 自重及转轮装配重力 (N) | 转子磁轭、转子磁极等重量 (t) | 转子单边磁拉力 (N) | 发电机电磁扭矩(110%) (KN.m) | 转速 (rpm) |
最高(额定)水头110%出力 | 119.67 | 51.5 | 70510 | 42.7 | 115480 | 450 | 500 |
最高(额定)水头、1.3倍飞逸 | 119.67 | 51.5 | 70510 | 42.7 | 0 | 0 | 1176.5 |
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
工 况 | 最大等效应力 (MPa) | 等效应力 分布云图 | 最大综合变形(mm) | 综合变形 分布云图 |
最高水头110%出力 | 59.75 | 图5 | 1.35 | 图6 |
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
工 况 | 最大等效应力 (MPa) | 等效应力 分布云图 | 最大综合变形(mm) | 综合变形 分布云图 |
最高水头110%出力 | 62.17 | 图8 | 0.78 | 图9 |
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
工 况 | 最大等效应力 (MPa) | 等效应力 分布云图 | 最大综合变形(mm) | 综合变形 分布云图 |
最高(额定)水头、1.3倍飞逸 | 26.41 | 图13 | 0.226 | 图14 |
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
工 况 | 最大等效应力 (MPa) | 等效应力 分布云图 | 最大综合变形(mm) | 综合变形 分布云图 |
最高(额定)水头、1.3倍飞逸 | 41.55 | 图16 | 0.15 | 图17 |
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
材料 | 材料性能 | 国家标准 | 最大等效应力(Mpa) | 最大剪切应力 | ||||
抗拉强度 σb (MPa) | 屈服强度 σs (MPa) | 1/4 σs(Mpa) | 1/6 σs | 110%出力工况 | 1.3倍飞逸转速(1176.5rpm) | 剪切应力 (MPa) | ||
锻钢 20SiMn | 470 | 255 | 63.75 | 42.5 | 62.17 | 41.55 | 34.12 | |
注:判定依据GB/T15468中相关条款 | ||||||||
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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