某630MW机组定子载荷有限元分析

引言

某发电公司机组汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产,机组型号为N630-26.7/538/538-1。机组投产后发电机振动良好,第一次大修期间,调整发电机底部垫片后,发电机轴承振动逐年上涨,影响机组安全稳定运行。

大部分氢冷发电机组采用端盖式轴承,定子机座底角不压紧,呈自然状态坐落在台板上,定子质量主要由四角立筋承担,如图1所示。现场安装采用阶梯垫片实现载荷分配,即机座4个角的负载为总载荷的60%~70%。如载荷分配不合理,一般采用电阻应变法,对机座载荷的分布进行实测并调整到规定范围。本文采用有限元模拟分析方法,得到载荷分布调整的理论依据。

1有限元理论

1.1有限元位移法

采用有限元位移法进行分析研究。开展研究第一步即明确单元的形函数,并保证函数的连续性和完整性。一般首先设单元位移为:

节点坐标通过上式计算得出。

A式:w为一种常数:A为变化量:e为自然常数。

统一代入公A(1)即:

求得[N]=[o(x,y)][w]-1,即得到所求形函数。上A式加入应力、位移、应变关系得出:

A式:[B]为单位应变矩阵:[E]为材料的弹性常数矩阵:{s0}为初始应变。

求解单元刚度[Kij]即通过节点力与节点位移关联可求出:

利用上述结果可计算得到系统刚度矩阵:

通过系统节点载荷与位移关系得出节点处受力关系:

解上述方程可得出系统每个节点对应的应力与位移。

1.2有限元静力学求解过程

此过程一般可分为下述几个步骤:

(1)离散结构。根据系统的尺寸及特征等要求将系统分为部分单元,并在分割的单元内设置节点,且节点之间具备连续性,以此来代替原有系统。

(2)位移结构。这里将位移结构设为多项A,则位移矩阵为:

A式:{f}为单元内任一点的位移:[N]为形函数:{6}e为单元节点的位移。

(3)分析单元的力学性能。由节点位移表示的单元应变为:

上述方程算出单元应力为:

A式:[D]为与单元材料有关的弹性矩阵。

根据变分原理,得出系统节点力与位移直接关系:

[K]e为单元刚度矩阵,其形A为:

(4)通过每个单元的刚度矩阵,得出整个系统的整体刚度矩阵[K]:

根据上述整体刚度矩阵可得出系统的平衡方程为:

(5)计算每个节点的应力与位移。通过上述平衡方程A求解,得出每个节点的位移与应力以及对应的单元应力与位移。

(6)整理并输出单元应变和应力。

(7)一系列的处理与计算结果相结合,得出最终分析问题的结果。

2发电机定子模型建立

2.1模型建立

利用有限元软件,建立630MW汽轮发电机定子机座、定子铁芯及端盖的联合模型,在模型式采用块体单元、板壳单元、梁单元、质量单元来模拟,在不影响分析计算精度的前提下,将几何模型进行如下简化:对薄壁零件进行式面抽取,使用壳单元进行仿真、去除几何模型式的所有螺栓孔。建立的模型如图2所示。

其式关键部件模型建立介绍如下:

(1)端盖。端盖是一个对称的结构,且两端盖形状、尺寸均一致。分别采用二维网格和三维实体网格剖分端盖式的各零件,如图3所示。

(2)吊盘。吊盘部件采用块体单元建模,模型如图4所示。

(3)转子、冷却器和定子端部绕组系统。对于转子、冷却器和定子端部绕组系统,由于只需要考虑其质量的影响,而其形状、尺寸对整体刚强度没有影响,因此在相应位置加上一定质量的实体单元加以代替。

(4)定子铁芯。定子铁芯采用块体单元建模,由于铁芯是由冲片靠螺栓预紧力固定的,等效弹性模量小于钢的弹性模量,一般取值1.5×105MPa。

(5)机座筋板。机座板壳采用壳单元,模型如图5所示。

2.2材料属性定义定义材料属性:

(1)铁芯齿部材料如表1所示。

(2)铁芯辄部材料如表2所示。

(3)其他部位材料如表3所示。

3有限元分析计算

建立模型后开始有限元分析计算,其中边界条件如下:一是在自重作用下:二是在定子支撑板位置施加天地方向位置约束,施加的位移约束值按垫片厚度给出。

在边界条件下,根据发电机定子联合模型进行有限元分析计算,结果如下:

(1)在重力作用下,支撑立筋、定子天地方向应变分布如图6、图7所示。

(2)在重力作用下,定子机座在天地方向应力分布如图8、图9所示,最大拉应力104MPa,小于屈服极限的1/2,安全。

(3)在重力作用下,定子在天地方向变形分布如图10、图11所示。

4结语

本文通过建立发电机定子机座、定子铁芯及端盖的联合模型,并定义不同部件材料属性,根据现场设备制定边界条件,利用有限元方法分析计算得出发电机定子机组、立筋应力分布及变形情况,从而提供理论上的数据支持,用于现场定子载荷调整试验。