基于Pro/E和ANSYS的发电机转子横截面的应力分析

　　出口越南的某卧式水轮发电机组，其单机容量为额定功率6750kW，额定转速1000r/min。针对其单机容量、转速高等特点，在简要介绍转子部件结构特征的基础上，重点通过对机组额定与飞逸工况下，发电机转子横截面结构应力分析的实例，介绍了Pro/E模型的导入以及有限元分析方法，最后对计算结果进行分析总结。分析过程中实现了Pro/E建模和ANSYS的仿真相互集成，通过软件各自的优势完成了模型建立和有限元分析。分析结果表明，主轴及磁极的结构达到了设计要求，与传统计算方法相比，其精度更能满足工程要求，且效率高。

　　目前，在水电设备制造业中，大容量、高转速卧式水轮发电机组的成功研制、开发，在国内极为少见。越南水电站6750kW、1000r/min的水轮发电机组是我国出口的最大容量的卧式高速混流式水轮发电机组。为优化机组结构、提高效率，转子部分采用主轴、磁轭整体锻造，磁极采用鸽尾和斜键固定，以及两轴承布置方式(水轮机与发电机共用一根主轴)。文献研究表明了大容量、高转速意味着，在相同的功率情况下，机组结构紧凑，尺寸相对较小，机组成本低，经济效益显著，备受广大用户欢迎。在中高水头的水力资源开发中，高速卧式水轮发电机组是一种结构简单、性能优良、安装维护方便的机型。相对立式机组而言，它可降低厂房高度，减少电站开挖，降低电站投资;在安装、使用、维修、保养上比立式机组方便。

　　随着机组的大型化、高速化，卧式机组的主轴及磁极的结构设计[3]成为整个项目开发的关键技术之一。文献表明：发电机主轴及磁极受力非常复杂，以往大多数都是用公式进行计算。传统的经验设计和模仿方法已经不能满足机组的设计精度。本文利用Pro/E建模和ANSYS进行有限元分析计算，在保证轴系刚度、轴系的临界主速等满足要求的条件下，采用了两轴承布置方式，并模拟机组的受力特性，获得了转子横截面的应力分布规律。该方法可以推广到其它高速旋转零部件的精确计算。

1、水轮发电机组主轴及磁极模型的建立

　　本文涉及的卧式发电机组转子的主要外形尺寸如表1所示。

表1　转子主要外形尺寸

　　发电机的转子外缘在飞逸转速时的单位质量的离心力———离心力系数，它是衡量转子结构设计难易程度的一个指标。当离心力系数达到2000以上时，设计时对转子的结构应力必需特别加以关注。已知：

　　式中：Ck为飞逸转速时转子外缘的离心力系数;

　　Nr为发电机的飞逸转速，r/min;

　　Dr为发电机转子外径，cm。

　　该机组的飞逸转速达到1720r/min，其离心力系数达到约4062，由此可见转子的设计是机组的难点之一。通常转速大于750r/min的机组，转子采用主轴、磁轭和极身整锻加工，其加工量大，周期长，精度要求高。按照目前的技术和原材料水平，通过对几种方案的分析比较，最终确定主轴、磁轭整体锻造，磁极采用鸽尾和斜键固定的结构。三维实体模型如图1所示。主轴与磁轭采用锻钢35CrMo整体锻制，磁极冲片采用WDEL450，磁极压板采用锻钢40CrNiMo锻制。利用Pro/E建模软件建立主轴及磁极的横截面模型，并将不需要的细节尽量简化，比如分析中不需要的倒角或圆角等，以保证模型的精简，减少模型改变的可能性。横截面模型如图2所示。

图1　机组主轴及磁极三维实体模型

图2　机组转子横截面模型

4、结论

　　1)该两支点卧式水轮发电机组转子部分结构简单、性能优良。相对立式机组而言，它可降低厂房高度，安装、维护费用低，降低电站投资。

　　2)根据有限元计算的数据分析得出，额定及飞逸工况下，磁极应力安全系数分别为3.45和1.31;额定工况下主轴结构安全系数为2.41;磁极外径最大径向变形为0.626mm。飞逸工况可运行次数为63210次。该发电机组的主轴及磁极结构满足实际使用要求。

　　3)介绍了利用ANSYS进行有限元分析的方法，能够更好地利用已有的CAD图形资源。与传统计算方法相比节省了大量建模时间，且具有较好的计算精度。为相关产品的设计和研究提供了计算分析手段。