翁祥玲，王正平，蔡恒川，稅航偉

(山東齊魯電機制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

60 Hz汽輪發(fā)電機離心式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)強度分析

翁祥玲，王正平，蔡恒川，稅航偉

(山東齊魯電機制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

分別采用常規(guī)計算法和ANSYS11.0軟件有限元分析方法計算60 Hz空冷汽輪發(fā)電機離心式風(fēng)扇各部件的應(yīng)力。通過常規(guī)計算法計算得出了風(fēng)扇各部件應(yīng)力的平均值，而用ANSYS有限元法得出了風(fēng)扇各部件的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力集中點分布。采用ANSYS計算汽輪發(fā)電機風(fēng)扇的應(yīng)力，克服了常規(guī)計算法對復(fù)雜變化曲面應(yīng)力計算的局限性，是較理想的模擬風(fēng)扇實際運行工況的精確計算方法，此計算方法是一種非常值得推廣的數(shù)值分析方法。

汽輪發(fā)電機；應(yīng)力；離心風(fēng)扇強度

0 引言

近代電機都采用較高的電磁負(fù)荷，電機的單機容量也日益增大。因此必須改進(jìn)電機的冷卻系統(tǒng)，以提高其散熱能力。良好的通風(fēng)效果是提高電機電、磁負(fù)荷和電機材料利用率的重要因素之一，也是電機制造領(lǐng)域始終追求的目標(biāo)之一[1]。

中小型60 Hz空冷汽輪發(fā)電機采用空氣冷卻，其風(fēng)路設(shè)計是確保整個發(fā)電機溫升符合要求的關(guān)鍵。風(fēng)扇是風(fēng)路重要部件。在發(fā)電機的超速試驗時達(dá)到了4 320 r/min的高轉(zhuǎn)速，這對發(fā)電機旋轉(zhuǎn)部分風(fēng)扇的機械性能提出較高的要求。筆者主要針對超速試驗時的轉(zhuǎn)速4 320 r/min的發(fā)電機風(fēng)扇的內(nèi)、外環(huán)和葉片的應(yīng)力分析。

1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

以15 MW 60 Hz汽輪發(fā)電機為例，分析中小型60 Hz空冷汽輪發(fā)電機在4 320 r/min高轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇的內(nèi)、外環(huán)和葉片的應(yīng)力分布特點。風(fēng)扇為固定在發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端的后傾葉片離心式風(fēng)扇[2]。這種風(fēng)扇壓頭高、流量小，比較適合高速中小型發(fā)電機。 離心式風(fēng)扇的主要尺寸見表1。

表1 離心式風(fēng)扇的主要尺寸 mm

2 強度分析

2.1 常規(guī)計算方法

圖1 離心式風(fēng)扇橫截面示意圖

它是指用力學(xué)分析得出的公式進(jìn)行計算的方法。在簡單情況下，可用材料力學(xué)公式，在復(fù)雜情況下，需要求解彈性力學(xué)或塑性力學(xué)方程來導(dǎo)出計算公式。在工程問題中，?？蓪⑦@些方程和定解條件加以簡化，而求得近似計算公式。圖1為離心式風(fēng)扇橫截面示意圖，圖2為離心式風(fēng)扇部分結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)圖1、圖2所示，應(yīng)用計算公式[3]對風(fēng)扇的內(nèi)、外環(huán)和葉片求取理論應(yīng)力的安全系數(shù)。

2.1.1 葉片重量

G=γSδ×10-3=10.9 N

式中：γ為材料比重7.85×10-3kg/cm3；S為葉片面積177.145 cm2；δ為葉片厚0.8 cm。

圖2 離心式風(fēng)扇的部分結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 葉片離心力

式中：R為葉片重心半徑32.8 cm；np為飛逸轉(zhuǎn)速4 320 r/min。

2.1.3 由于葉片的離心力及風(fēng)扇環(huán)本身的離心力所引起的風(fēng)扇環(huán)內(nèi)平均拉伸應(yīng)力

環(huán)1：

式中：R1為環(huán)1重心半徑32.6 cm；F1B為環(huán)1的面積35.65 cm2；m為葉片數(shù)目16；F1H為環(huán)1的凈面積31.05 cm2。

環(huán)2：

式中：R2為環(huán)2重心半徑33.2 cm；F2B為環(huán)2的面積18.48 cm2；F2H為環(huán)2的凈面積18.48 cm2。

2.1.4 葉片彎曲力

式中：b為葉片寬度平均值8.75 cm；α為葉片傾角60°。

2.1.5 安全系數(shù)

式中：風(fēng)扇環(huán)采用錳鋼30 Mn2，

屈服點σS1=σS2=58 800 N/cm2。

風(fēng)扇葉采用錳鋼16 Mn，

屈服點σS3=34 300 N/cm2。

2.2 有限元計算方法

本文采用ANSYS11.0軟件[4]有限元法分析60 Hz空冷汽輪發(fā)電機在4 320 r/min高轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇的內(nèi)、外環(huán)和葉片的應(yīng)力。

2.2.1 模型建立

ANSYS提供CAD導(dǎo)入/導(dǎo)出接口，方便地實現(xiàn)于CAD之間模型的轉(zhuǎn)換工作。本文通過CAD軟件(SolidEdge)創(chuàng)建了物理模型，通過ANSYS導(dǎo)入接口將物理模型轉(zhuǎn)入ANSYS程序中。物理模型見圖1。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

所有的單元均采用四面體四節(jié)點，接觸自動生成，按實際情況對其進(jìn)行調(diào)整。此模型共有21 289個節(jié)點，10 057個單元。離心式風(fēng)扇四面體網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 離心式風(fēng)扇四面體網(wǎng)格劃分

2.2.3 載荷

在超速狀況下，旋轉(zhuǎn)角速度ω=452 r/s，風(fēng)扇葉片的離心力及風(fēng)扇環(huán)本身的離心力最大，變形量也最大，有變形產(chǎn)生的應(yīng)力也最大。

2.2.4 邊界約束

風(fēng)扇軸向約束剛體位移。

風(fēng)扇安裝螺栓孔處加徑向位移約束。

2.2.5 計算結(jié)果

風(fēng)扇整體的應(yīng)變計算結(jié)果詳見圖4。

圖4 風(fēng)扇整體的應(yīng)變計算結(jié)果

風(fēng)扇整體的應(yīng)力計算結(jié)果詳見圖5。

圖5 風(fēng)扇整體的應(yīng)力計算結(jié)果

2.2.5.1 風(fēng)扇環(huán)1的最大應(yīng)力計算結(jié)果詳見圖6

圖6 風(fēng)扇環(huán)1的最大應(yīng)力計算結(jié)果

根據(jù)圖6，風(fēng)扇環(huán)1的計算結(jié)果如下。

環(huán)1的最大應(yīng)力：

σmax=265 MPa=25 970 N/cm2

即環(huán)1的安全系數(shù)為：

2.2.5.2 風(fēng)扇環(huán)2的最大應(yīng)力計算結(jié)果詳見圖7

圖7 風(fēng)扇環(huán)2的最大應(yīng)力計算結(jié)果

環(huán)2的最大應(yīng)力：

σmax=250 MPa=24 500 N/cm2

即環(huán)2的安全系數(shù)為：

2.2.5.3 風(fēng)扇葉片的最大應(yīng)力計算結(jié)果詳見圖8

圖8 風(fēng)扇葉的最大應(yīng)力計算結(jié)果

風(fēng)扇葉片的最大應(yīng)力：

σmax=256 MPa=25 080 N/cm2

即風(fēng)扇葉片的安全系數(shù)為：

3 結(jié)果分析

根據(jù)常規(guī)計算法和有限元法的計算結(jié)果見表2、表3。

表2 最大應(yīng)力計算結(jié)果 N/cm2

表3 安全系數(shù)的計算結(jié)果

通過上述計算結(jié)果的比較可以看出，運用兩種計算方法的計算結(jié)果均符合設(shè)計要求。

4 結(jié)語

風(fēng)扇是60 Hz空冷汽輪發(fā)電機通風(fēng)設(shè)計中的關(guān)鍵部件。本文通過常規(guī)計算法計算得出了風(fēng)扇各部件應(yīng)力的平均值，并且計算起來比較復(fù)雜。而用ANSYS有限元法得出了風(fēng)扇各部件的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力集中點分布。采用ANSYS計算汽輪發(fā)電機風(fēng)扇的應(yīng)力，克服了常規(guī)計算法對復(fù)雜變化曲面應(yīng)力計算的局限性，是較理想的模擬風(fēng)扇實際運行工況的精確計算方法，此計算方法是一種非常值得推廣的數(shù)值分析方法。

[1] 程福秀,林金銘.現(xiàn)代電機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[2] 機械工程手冊電機工程手冊編輯委員會.電機工程手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[3] 中華人民共和國第一機械工業(yè)部.電指(DZ)23-63.汽輪發(fā)電機機械計算公式[M].北京：技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)出版社，1965.

[4] 張洪信，管殿柱.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS11.0應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

翁祥玲 ，女,1980年生，本科，工程師，主要從事電機設(shè)計、電磁場分析等理論研究。