張宇嬌, 劉東圓, 黃雄峰, 聶靚靚, 秦威南

(1. 三峽大學 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002； 2. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400； 3. 國家電網(wǎng)金華市供電公司，浙江 金華 321000)

抽水蓄能發(fā)電/電動機轉(zhuǎn)子不同結(jié)構(gòu)的對比分析*

張宇嬌1, 劉東圓1, 黃雄峰1, 聶靚靚2, 秦威南3

(1. 三峽大學 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002； 2. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400； 3. 國家電網(wǎng)金華市供電公司，浙江 金華 321000)

轉(zhuǎn)子是高速電機直接傳遞載荷的部件，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響機組的安全運行。不同于常規(guī)水輪發(fā)電機，抽水蓄能電機需在發(fā)電工況和電動工況間頻繁切換，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子因頻繁變化的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速更易出現(xiàn)破壞。目前，由于國內(nèi)電機設(shè)計缺少對比數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)子應(yīng)采取何種結(jié)構(gòu)尚無定論。針對南方電網(wǎng)抽水蓄能電站T尾部和鴿尾部兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，選取相同的實際運行條件對比分析了各自結(jié)構(gòu)的溫升及其導(dǎo)致的應(yīng)力，并對比了離心力導(dǎo)致的應(yīng)力分布情況。在此基礎(chǔ)上，通過對比結(jié)構(gòu)上的疊加應(yīng)力評估了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的運行能力。結(jié)果表明：鴿尾部轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布優(yōu)于T尾部轉(zhuǎn)子，從而具有更高的穩(wěn)定性。但鴿尾部轉(zhuǎn)子溫升情況更惡劣，實際運行應(yīng)重點監(jiān)測溫度變化。

發(fā)電/電動機；轉(zhuǎn)子；結(jié)構(gòu)對比；溫度；熱應(yīng)力；離心力

0 引 言

不同于常規(guī)水輪發(fā)電機，發(fā)電/電動機做發(fā)電機或電動機運行時的多次起停將導(dǎo)致其轉(zhuǎn)子頻繁正反轉(zhuǎn)[1];并且，機組多種運行工況間過渡過程復(fù)雜，使得轉(zhuǎn)子受到較大負荷的沖擊[2]。因而在實際運行中轉(zhuǎn)子事故率更高，其中部件的損壞和變形占較大比例且有增加的趨勢[3]。在研究發(fā)電/電動機轉(zhuǎn)子部件安全可靠性方面，文獻[4]針對三種不同結(jié)構(gòu)的磁極連接線分析其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和壽命特點，給出了如何提高該部位穩(wěn)定性的建議。但是，由于轉(zhuǎn)子磁極和磁軛連接部位結(jié)構(gòu)特殊，所以是實際運行中易出現(xiàn)應(yīng)力集中和疲勞破壞的位置[5]。目前，國內(nèi)已投運機組的連接部位常采用T尾部和鴿尾部兩種結(jié)構(gòu)，如南方電網(wǎng)廣州抽水蓄能電站B廠采用西門子公司制造的鴿尾部轉(zhuǎn)子；廣州蓄能電站A廠和惠州抽水蓄能電站采用阿爾斯通公司制造的T尾部轉(zhuǎn)子。由于國內(nèi)蓄能機組設(shè)計制造方面缺乏各類機型設(shè)計與實際的比對且實測數(shù)據(jù)少[2]，對于應(yīng)采用何種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子尚無定論。通過研究不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的運行性能，為檢修計劃制定提供依據(jù),從而提高機組運行穩(wěn)定性;并為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選型提供理論依據(jù)，進一步提高機組國產(chǎn)化設(shè)計制造的能力。

轉(zhuǎn)子部件上的應(yīng)力水平是評價結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標[6]，實際運行中結(jié)構(gòu)承受著電磁力、溫度變化和離心力疊加導(dǎo)致的應(yīng)力。其中，電磁力僅占離心力的5%，其導(dǎo)致的應(yīng)力常被忽略[7]。本文分別選取廣蓄B廠的鴿尾部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子和惠蓄的T尾部轉(zhuǎn)子為研究實例，針對兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地對比研究了他們的溫升及其導(dǎo)致的熱應(yīng)力分布，離心力導(dǎo)致的應(yīng)力分布，以及上述兩種應(yīng)力疊加后兩種結(jié)構(gòu)實際運行情況下應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上對兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的運行穩(wěn)定性進行了探討，為機組轉(zhuǎn)子選型和設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比方法

機組日常運行時轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)承受溫度和離心力導(dǎo)致的應(yīng)力，根據(jù)彈性力學原理可分別計算兩種因素單獨導(dǎo)致的應(yīng)力,并將其線性疊加得到結(jié)構(gòu)總應(yīng)力。導(dǎo)致機組溫度變化的因素是瞬態(tài)磁場在各部件上產(chǎn)生電磁損耗導(dǎo)致的溫度變化。根據(jù)機組實際運行參數(shù)，結(jié)合文獻[8]中的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程計算電機全域的溫升：

(1)

式中：λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)；α——散熱系數(shù);T——結(jié)構(gòu)溫度；q——熱源密度；Tα——起始環(huán)境溫度；n——結(jié)構(gòu)表面單位法向矢量。

機組日常運行時由于外置風扇作用,電機表面及轉(zhuǎn)子磁極表面空氣均有很大流速，為強制對流散熱，具體分為電機表面散熱系數(shù)α1和轉(zhuǎn)子磁極表面散熱系數(shù)α2[9]：

(2)

式中：ν——電機表面空氣流速;τ——極距。

電機日常運行時，轉(zhuǎn)子不同部件的溫度分布不同，并且各材料屬性不同,將導(dǎo)致各部件間的熱變形不同，而轉(zhuǎn)子連接部位由于結(jié)構(gòu)特殊，將導(dǎo)致不同部件的熱變形相互約束，產(chǎn)生熱應(yīng)力。基于熱彈性力學，結(jié)構(gòu)上的熱應(yīng)力計算方程為

(3)

式中：σij,j——應(yīng)力對坐標的導(dǎo)數(shù)；fi——結(jié)構(gòu)上的外力；εij——結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變；ui,j，uj,i——位移對坐標的導(dǎo)數(shù)；σij——結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力；ν——彈性模量;E——彈性模量；δij——方程因數(shù)，當i=j時為1、當i≠j時為0；

β——材料的熱膨脹系數(shù)；

結(jié)構(gòu)上的離心力正比于機組轉(zhuǎn)速的二次方[7]。由于機組不同工況下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向不同，結(jié)構(gòu)承受的離心力不同。需針對不同工況分別分析其結(jié)構(gòu)因離心力導(dǎo)致的應(yīng)力。文獻[10]給出了結(jié)構(gòu)固定轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力計算方程：

(4)

2 電機模型及載荷

抽水蓄能發(fā)電/電動機轉(zhuǎn)子由磁極、磁軛、阻尼繞組和勵磁繞組等部件構(gòu)成。本文分別選取廣蓄B廠的鴿尾部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子和惠蓄的T尾部轉(zhuǎn)子，如圖1所示。其中，T尾部轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示;其磁極通過T型尾部結(jié)構(gòu)與磁軛直接相連，如圖1(b)所示,該部位直接限制磁極的離心運動。對比圖1(a)和圖1(c)可以看出，鴿尾部轉(zhuǎn)子與T尾部轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差異主要表現(xiàn)在兩者在磁極連接處的不同。圖1(d)所示為鴿尾部局部放大圖，對比圖1(b)可以看出兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于鴿尾部轉(zhuǎn)子磁極連接處增加了接觸部位的斜度。

圖1 發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

發(fā)電/電動機的基本參數(shù)如表1所示。對比分析兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的溫度分布及由其導(dǎo)致的熱應(yīng)力分布時，均采用表1中的運行參數(shù)。散熱系數(shù)計算均以實際散熱條件為依據(jù)。即外置6個風冷機，風量為652 m3/h，由式(4)計算定子鐵心表面和轉(zhuǎn)子磁極表面的等效導(dǎo)熱系數(shù),并將環(huán)境溫度設(shè)定為28 ℃。分析結(jié)構(gòu)承受離心力導(dǎo)致的應(yīng)力時，選取機組額定運行工況，其轉(zhuǎn)速為500 r/min。

表1 發(fā)電/電動機基本參數(shù)

兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子各部件相關(guān)材料參數(shù)如表2所示。其中，阻尼繞組及勵磁繞組材料為T2純銅；轉(zhuǎn)子磁極材料為500TG硅鋼；轉(zhuǎn)子磁軛材料為SD320硅鋼。

表2 材料參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

3. 1 轉(zhuǎn)子溫升及熱應(yīng)力分布對比

分別計算不同結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)子的溫度分布，如圖2所示。對比圖2(b)和圖2(d)中的溫度分布可以看出，兩種結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)子磁軛溫度分布情況大致相同，并且轉(zhuǎn)子峰值溫度點均位于磁軛尾槽的兩端。由于該部位的熱變形被磁極尾部所約束，將導(dǎo)致局部熱應(yīng)力過大。機組日常運行時對于轉(zhuǎn)子這類的旋轉(zhuǎn)部件溫度監(jiān)測無法實現(xiàn)對各部件的溫度監(jiān)測，說明檢修工作應(yīng)重點關(guān)注磁軛尾槽部位的溫升破壞情況。

圖2 轉(zhuǎn)子溫度分布對比圖

對比圖2(a)和圖2(c)的溫度值發(fā)現(xiàn)，在相同激勵條件及散熱條件下，鴿尾部轉(zhuǎn)子磁極的峰值溫度點位于繞組側(cè)中部，T尾部轉(zhuǎn)子磁極的峰值溫度點位于繞組側(cè)上部?？紤]到轉(zhuǎn)子熱形變沿半徑方向不受約束，不會出現(xiàn)熱應(yīng)力集中。將兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁極和磁軛的溫度分布相對比發(fā)現(xiàn)，在相同運行條件和散熱條件的情況下，鴿尾部轉(zhuǎn)子整體的溫升要高于T尾部轉(zhuǎn)子，對于采用該類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機組需重點預(yù)防材料因溫升導(dǎo)致的破壞。

圖3 轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分布對比圖

鴿尾部轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的分布與T尾部轉(zhuǎn)子的對比如圖3所示?？梢钥闯?，T尾部轉(zhuǎn)子的峰值熱應(yīng)力達到195 MPa，位于磁極T尾部。鴿尾部轉(zhuǎn)子的峰值熱應(yīng)力達到183 MPa，位于磁軛鴿尾槽。影響結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的主要因素為溫度和約束。結(jié)合圖2中的溫度分布可以看出，鴿尾部轉(zhuǎn)子的平均溫度高于T尾部轉(zhuǎn)子，但結(jié)構(gòu)上熱應(yīng)力卻小于T尾部轉(zhuǎn)子。這是由于轉(zhuǎn)子磁極鴿尾和磁軛鴿尾槽接觸部位存在斜度，材料承受的拉應(yīng)力為局部熱應(yīng)力的分量。兩種結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)子的最大熱應(yīng)力均小于材料的屈服強度，因此結(jié)構(gòu)不會因溫度變化發(fā)生塑性變形而破壞。

3. 2 轉(zhuǎn)子疊加應(yīng)力分布對比

發(fā)電工況下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向為順時針，電動工況下旋轉(zhuǎn)方向為逆時針。發(fā)電工況下不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)離心力單獨導(dǎo)致的應(yīng)力如圖4和圖5所示。從圖4可以看出當機組做發(fā)電機運行達到額定轉(zhuǎn)速時，由離心力導(dǎo)致的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在3號鴿尾部的B點，達到336 MPa，小于材料的屈服強度，結(jié)構(gòu)不會因屈服而出現(xiàn)破壞。

圖4 鴿尾部轉(zhuǎn)子離心力導(dǎo)致應(yīng)力對比圖

圖5 T尾部轉(zhuǎn)子離心力導(dǎo)致應(yīng)力對比圖

相同工況下T尾部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)承受離心力導(dǎo)致應(yīng)力的分布如圖5所示。對比圖4中的應(yīng)力情況可以看出，同樣轉(zhuǎn)速下T尾部轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布情況也出現(xiàn)了不同工況下的最大應(yīng)力位置不同的特點。但是，T尾部轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力值達到416 MPa。將圖4和圖5的磁極尾部和磁軛尾槽的應(yīng)力值對比后發(fā)現(xiàn)，相同的轉(zhuǎn)速條件下，T尾部轉(zhuǎn)子的應(yīng)力值明顯高于鴿尾部轉(zhuǎn)子。這與兩種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力分布規(guī)律相同，都是由磁極鴿尾和磁軛接觸部位的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料承受熱應(yīng)力為總應(yīng)力的分量導(dǎo)致的。

根據(jù)彈性力學應(yīng)力疊加原理，疊加轉(zhuǎn)子承受的熱應(yīng)力和離心力導(dǎo)致的應(yīng)力得到不同結(jié)構(gòu)的疊加應(yīng)力分布，如圖6所示。將兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子在機組做發(fā)電機和電動機運行時的應(yīng)力分布圖相對比，發(fā)現(xiàn)不同工況下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置不同。分別為鴿尾部轉(zhuǎn)子發(fā)電工況出現(xiàn)在3號鴿尾B點，電動工況出現(xiàn)在1號鴿尾A點；T尾部轉(zhuǎn)子發(fā)電工況出現(xiàn)在5號T尾部B點，電動工況出現(xiàn)在1號T尾A點。這是由于發(fā)電/電動機日常運行時轉(zhuǎn)子需頻繁切換轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的。機組復(fù)雜工況長時間運行后將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不同部位的損傷不同，檢修計劃制定時應(yīng)分別針對各工況的最大應(yīng)力點檢測其破壞及壽命情況。

圖6 不同工況轉(zhuǎn)子疊加應(yīng)力對比圖

圖7 不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比圖

由于不同工況下轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力位置不同，分別提取不同工況下兩種結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值，如圖7所示?？梢钥闯隹紤]溫度的影響后，T尾部轉(zhuǎn)子的疊加應(yīng)力高于熱應(yīng)力或離心力單獨作用的應(yīng)力。由于鴿尾部轉(zhuǎn)子的磁極尾部結(jié)構(gòu)特殊，其結(jié)構(gòu)的疊加應(yīng)力小于離心力單獨導(dǎo)致的應(yīng)力，這將一定程度降低結(jié)構(gòu)的損傷從而提高轉(zhuǎn)子的壽命。并且，對比圖1(a)和圖1(c)中的磁極連接部總體結(jié)構(gòu)可以看出，在相同容量和轉(zhuǎn)速的運行條件下，T尾部轉(zhuǎn)子的磁極連接部較鴿尾部轉(zhuǎn)子更加復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力卻不會因此降低，所以高轉(zhuǎn)速的機組采用鴿尾部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更能保證運行穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

本文對比分析了兩種不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在相同運行條件下的溫度分布、熱應(yīng)力分布和離心力導(dǎo)致的疊加應(yīng)力分布情況。在此基礎(chǔ)上對兩種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性進行了對比分析。從機組溫升情況來看，相同運行條件及散熱條件下，T尾部轉(zhuǎn)子各部件的溫升情況優(yōu)于鴿尾部轉(zhuǎn)子。從轉(zhuǎn)子不同結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力分布情況來看，鴿尾部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力和離心力導(dǎo)致的應(yīng)力分布情況優(yōu)于T尾部轉(zhuǎn)子的分布情況；并且，鴿尾部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)疊加應(yīng)力小于溫度或離心力單一導(dǎo)致的應(yīng)力，從而使得結(jié)構(gòu)的疲勞壽命優(yōu)于T尾部轉(zhuǎn)子。

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Comparison of Pumped Storage Generator/Motor with Different Rotor Structure*

ZHANGYujiao1,LIUDongyuan1,HUANGXiongfeng1,NIELiangliang2,QINWeinan3

(1. Hubei Key Laboratory of Cascaded Hydropower Stations Operation & Control, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2. CSG Power Generation Company Maintenance and Test Center, Guangzhou 511400, China; 3. Jinhua Power Supply Company of State Grid, Jinhua 321000, China)

The rotor of a motor is connected directly to the mechanical loading at high speed, its structure stability leads directly to the safe operation of the unit. Different from the traditional hydro-generator, the pumped storage machine frequently switches between generator mode and motor mode, leading to structural damage of the rotor under variable rotational direction and speed. The structure design of the rotor is difficult because of the lacking of contrast data. By comparing the distribution of temperature rise, thermal stress, and stress caused by centrifugal force under realistic operating condition, the structure stability of the different rotor structure in a pumped-storage power station in Guangzhou, owned by China Southern Power Grid Company, was analysis. The results showed that the stress distribution of the dovetail slot was better than the distribution of the T-shape slot, leading to better stability. But the temperature distribution of the rotor slot-dovetail need carefully monitoring because of the higher temperature rise of the structure.

generator/motor; rotor; structure comparison; temperature; thermal stress; centrifugal force

國家自然科學基金(51577106)；南方電網(wǎng)科技項目(K-ST2013-001)；三峽大學2016年碩士學位論文培優(yōu)基金項目(2016PY043)

張宇嬌(1979—)，女，副教授，博士研究生，研究方向為電磁裝備多物理場耦合數(shù)值計算。 劉東圓(1993—)，男，碩士研究生，研究方向為電力設(shè)備多物理場耦合計算及運行狀態(tài)監(jiān)測。

TM 307

A

1673-6540(2017)04- 0001- 05

2016 -09 -20