引言

某發(fā)電公司機組汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn),機組型號為N630-26.7/538/538-1。機組投產(chǎn)后發(fā)電機振動良好,第一次大修期間,調(diào)整發(fā)電機底部墊片后,發(fā)電機軸承振動逐年上漲,影響機組安全穩(wěn)定運行。

大部分氫冷發(fā)電機組采用端蓋式軸承,定子機座底角不壓緊,呈自然狀態(tài)坐落在臺板上,定子質(zhì)量主要由四角立筋承擔,如圖1所示。現(xiàn)場安裝采用階梯墊片實現(xiàn)載荷分配,即機座4個角的負載為總載荷的60%~70%。如載荷分配不合理,一般采用電阻應變法,對機座載荷的分布進行實測并調(diào)整到規(guī)定范圍。本文采用有限元模擬分析方法,得到載荷分布調(diào)整的理論依據(jù)。

1有限元理論

1.1有限元位移法

采用有限元位移法進行分析研究。開展研究第一步即明確單元的形函數(shù),并保證函數(shù)的連續(xù)性和完整性。一般首先設單元位移為:

節(jié)點坐標通過上式計算得出。

A式:w為一種常數(shù):A為變化量:e為自然常數(shù)。

統(tǒng)一代入公A(1)即:

求得[N]=[o(x,y)][w]-1,即得到所求形函數(shù)。上A式加入應力、位移、應變關系得出:

A式:[B]為單位應變矩陣:[E]為材料的彈性常數(shù)矩陣:{s0}為初始應變。

求解單元剛度[Kij]即通過節(jié)點力與節(jié)點位移關聯(lián)可求出:

利用上述結果可計算得到系統(tǒng)剛度矩陣:

通過系統(tǒng)節(jié)點載荷與位移關系得出節(jié)點處受力關系:

解上述方程可得出系統(tǒng)每個節(jié)點對應的應力與位移。

1.2有限元靜力學求解過程

此過程一般可分為下述幾個步驟:

(1)離散結構。根據(jù)系統(tǒng)的尺寸及特征等要求將系統(tǒng)分為部分單元,并在分割的單元內(nèi)設置節(jié)點,且節(jié)點之間具備連續(xù)性,以此來代替原有系統(tǒng)。

(2)位移結構。這里將位移結構設為多項A,則位移矩陣為:

A式:{f}為單元內(nèi)任一點的位移:[N]為形函數(shù):{6}e為單元節(jié)點的位移。

(3)分析單元的力學性能。由節(jié)點位移表示的單元應變?yōu)?

上述方程算出單元應力為:

A式:[D]為與單元材料有關的彈性矩陣。

根據(jù)變分原理,得出系統(tǒng)節(jié)點力與位移直接關系:

[K]e為單元剛度矩陣,其形A為:

(4)通過每個單元的剛度矩陣,得出整個系統(tǒng)的整體剛度矩陣[K]:

根據(jù)上述整體剛度矩陣可得出系統(tǒng)的平衡方程為:

(5)計算每個節(jié)點的應力與位移。通過上述平衡方程A求解,得出每個節(jié)點的位移與應力以及對應的單元應力與位移。

(6)整理并輸出單元應變和應力。

(7)一系列的處理與計算結果相結合,得出最終分析問題的結果。

2發(fā)電機定子模型建立

2.1模型建立

利用有限元軟件,建立630MW汽輪發(fā)電機定子機座、定子鐵芯及端蓋的聯(lián)合模型,在模型式采用塊體單元、板殼單元、梁單元、質(zhì)量單元來模擬,在不影響分析計算精度的前提下,將幾何模型進行如下簡化:對薄壁零件進行式面抽取,使用殼單元進行仿真、去除幾何模型式的所有螺栓孔。建立的模型如圖2所示。

其式關鍵部件模型建立介紹如下:

(1)端蓋。端蓋是一個對稱的結構,且兩端蓋形狀、尺寸均一致。分別采用二維網(wǎng)格和三維實體網(wǎng)格剖分端蓋式的各零件,如圖3所示。

(2)吊盤。吊盤部件采用塊體單元建模,模型如圖4所示。

(3)轉(zhuǎn)子、冷卻器和定子端部繞組系統(tǒng)。對于轉(zhuǎn)子、冷卻器和定子端部繞組系統(tǒng),由于只需要考慮其質(zhì)量的影響,而其形狀、尺寸對整體剛強度沒有影響,因此在相應位置加上一定質(zhì)量的實體單元加以代替。

(4)定子鐵芯。定子鐵芯采用塊體單元建模,由于鐵芯是由沖片靠螺栓預緊力固定的,等效彈性模量小于鋼的彈性模量,一般取值1.5×105MPa。

(5)機座筋板。機座板殼采用殼單元,模型如圖5所示。

2.2材料屬性定義定義材料屬性:

(1)鐵芯齒部材料如表1所示。

(2)鐵芯輒部材料如表2所示。

(3)其他部位材料如表3所示。

3有限元分析計算

建立模型后開始有限元分析計算,其中邊界條件如下:一是在自重作用下:二是在定子支撐板位置施加天地方向位置約束,施加的位移約束值按墊片厚度給出。

在邊界條件下,根據(jù)發(fā)電機定子聯(lián)合模型進行有限元分析計算,結果如下:

(1)在重力作用下,支撐立筋、定子天地方向應變分布如圖6、圖7所示。

(2)在重力作用下,定子機座在天地方向應力分布如圖8、圖9所示,最大拉應力104MPa,小于屈服極限的1/2,安全。

(3)在重力作用下,定子在天地方向變形分布如圖10、圖11所示。

4結語

本文通過建立發(fā)電機定子機座、定子鐵芯及端蓋的聯(lián)合模型,并定義不同部件材料屬性,根據(jù)現(xiàn)場設備制定邊界條件,利用有限元方法分析計算得出發(fā)電機定子機組、立筋應力分布及變形情況,從而提供理論上的數(shù)據(jù)支持,用于現(xiàn)場定子載荷調(diào)整試驗。