高速发电机转子破裂故障仿真分析

引言

发动机内置式转子在高速运转情况下,受到很大的离心力作用,可能出现因转子结构强度不足而导致电机扫膛或破裂,损伤发动机的情况。本文以某台交流发电机转子故障为例,对影响转子结构强度的因素进行了分析和研究。该转子在工作转速为33000r/min时发生故障。本文采用有限元法对33000r/min转速下的转子强度进行了分析,并提出了改进措施。

1故障现象

该故障转子轴(磁辄)采用导磁性能好的电工纯铁DT4材料制作,采用粘结胶将磁钢粘接在磁辄上;磁辄两端采用热压工艺制作两块挡板;形成的转子组件外圆与护套内圆配合加工,保证过盈量在0.01~0.02mm,然后热压护套;最后在护套与挡板、挡板与磁辄之间激光焊接形成一个整体结构。转子各部分材料参数如表1所示。

发动机在32000r/min转速下稳定工作1min后,转速信号电压在转速上升阶段下降0.3V左右,然后再大幅下降直至信号消失。拆开发动机后,发现发电机转子已破裂,如图1所示。

图1转子及其故障照片

2转子故障仿真分析

2.1转子故障工况仿真

根据转子实际工作环境温度,对转子施加120℃温度载荷和33000r/min离心载荷。分析得出磁钢的最大应力为11MPa,挡圈的最大应力为835MPa,护套的最大应力为514MPa,均未超过材料的屈服强度极限。而磁辄的旋转应力约为224MPa,如图2所示,已经超过了磁辄材料的屈服强度极限。

图2磁辄等效应力

2.2机理分析

根据有限元仿真结果可以推断,转子高速旋转时磁辄发生塑性变形,当转子停转时,磁辄仅受到护套向内的过盈装配应力,大小仅有21MPa。该应力不足以将磁辄压回原尺寸,导致转子与发动机轴产生间隙,转子变形为椭圆,经过多次旋转试验,转子外径尺寸会逐渐增大,运转气隙逐渐减小,接近极限气隙,最后在高速运转时最终导致转子的高点与发电机定子扫膛,发生故障。

2.3故障复现试验

选取与故障转子同一批次的转子与定子装配进行负载试验,其定子、转子的技术状态与故障转子的技术状态一致。首先在26000r/min转速下运行15min,发电机无异常。随后增加转速,每5s转速上升1000r/min,在31000r/min转速下运行5s,当转速由31000r/min上升到32000r/min时,发生故障。拆开工装检查,发现定子、转子发生了扫膛现象,如图3所示。从发生扫膛到试验停止时间在1s之内,从扫膛后护套的状态可以看出,护套已经磨破,若再继续扫膛护套将会很快被磨掉,磁钢破碎,该次扫膛现象复现了故障的初始阶段,且与仿真分析结果基本一致。

图3故障复现转子状态

3转子结构改进及结构强度分析

通过对故障发电机转子进行仿真分析,对转子在设计和选材中存在的问题进行了相应改进,具体改进方案如下:

(1)过盈量由0.01~0.02mm增至0.05~0.06mm:

(2)将转子磁辄材料由原来的DT4改为屈服强度达800MPa的40CrNiMoA:

(3)为保证护套强度的安全裕量,将护套厚度由1.25mm变为1.75mm。

对改进后的转子进行结构力学仿真,在转速为33000r/min时,护套及磁辄所受应力如图4所示。

图4磁辄所受应力

从图4分析结果可以看出,转子磁辄的应力约为267MPa,远小于40CrNiMoA材料的屈服强度835MPa,所以磁辄不会发生塑性变形。

对改进后的转子再次进行负载运行试验,试验过程顺利,故障消除,说明改进措施合理有效。

4结论

本文利用仿真模型,对转子故障原因进行了分析,并提出了有针对性的改进措施,该方法对高速转子结构设计具有一定的参考价值。通过此次故障分析,可以得到以下结论:

（1）对于高速永磁发电机转子必须考虑温差对过盈量的影响,通过设计合理的过盈量,保证发电机在高速运转时护套与磁钢不会出现间隙:

（2）对于高速永磁发电机转子结构强度设计来说,不仅要考虑护套强度,还需对磁辄、挡圈及磁钢强度逐一进行校核。