某630MW機(jī)組定子載荷有限元分析

引言

某發(fā)電公司機(jī)組汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn),機(jī)組型號(hào)為N630-26.7/538/538-1。機(jī)組投產(chǎn)后發(fā)電機(jī)振動(dòng)良好,第一次大修期間,調(diào)整發(fā)電機(jī)底部墊片后,發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)逐年上漲,影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

大部分氫冷發(fā)電機(jī)組采用端蓋式軸承,定子機(jī)座底角不壓緊,呈自然狀態(tài)坐落在臺(tái)板上,定子質(zhì)量主要由四角立筋承擔(dān),如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)安裝采用階梯墊片實(shí)現(xiàn)載荷分配,即機(jī)座4個(gè)角的負(fù)載為總載荷的60%~70%。如載荷分配不合理,一般采用電阻應(yīng)變法,對(duì)機(jī)座載荷的分布進(jìn)行實(shí)測(cè)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(jìn)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(shè)單元位移為:

節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)通過上式計(jì)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(yīng)力、位移、應(yīng)變關(guān)系得出:

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

求解單元?jiǎng)偠萚Kij]即通過節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移關(guān)聯(lián)可求出:

利用上述結(jié)果可計(jì)算得到系統(tǒng)剛度矩陣:

通過系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)載荷與位移關(guān)系得出節(jié)點(diǎn)處受力關(guān)系:

解上述方程可得出系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與位移。

1.2有限元靜力學(xué)求解過程

此過程一般可分為下述幾個(gè)步驟:

(1)離散結(jié)構(gòu)。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(shè)置節(jié)點(diǎn),且節(jié)點(diǎn)之間具備連續(xù)性,以此來(lái)代替原有系統(tǒng)。

(2)位移結(jié)構(gòu)。這里將位移結(jié)構(gòu)設(shè)為多項(xiàng)A,則位移矩陣為:

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

(3)分析單元的力學(xué)性能。由節(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)變?yōu)?

上述方程算出單元應(yīng)力為:

A式:[D]為與單元材料有關(guān)的彈性矩陣。

根據(jù)變分原理,得出系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)力與位移直接關(guān)系:

[K]e為單元?jiǎng)偠染仃?其形A為:

(4)通過每個(gè)單元的剛度矩陣,得出整個(gè)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(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力與位移。通過上述平衡方程A求解,得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移與應(yīng)力以及對(duì)應(yīng)的單元應(yīng)力與位移。

(6)整理并輸出單元應(yīng)變和應(yīng)力。

(7)一系列的處理與計(jì)算結(jié)果相結(jié)合,得出最終分析問題的結(jié)果。

2發(fā)電機(jī)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(jī)定子機(jī)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?jiǎn)卧?、質(zhì)量單元來(lái)模擬,在不影響分析計(jì)算精度的前提下,將幾何模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:對(duì)薄壁零件進(jìn)行式面抽取,使用殼單元進(jìn)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(guān)鍵部件模型建立介紹如下:

(1)端蓋。端蓋是一個(gè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu),且兩端蓋形狀、尺寸均一致。分別采用二維網(wǎng)格和三維實(shí)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(duì)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(duì)整體剛強(qiáng)度沒有影響,因此在相應(yīng)位置加上一定質(zhì)量的實(shí)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(yù)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(jī)座筋板。機(jī)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(jì)算

建立模型后開始有限元分析計(jì)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(jī)定子聯(lián)合模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算,結(jié)果如下:

(1)在重力作用下,支撐立筋、定子天地方向應(yīng)變分布如圖6、圖7所示。

(2)在重力作用下,定子機(jī)座在天地方向應(yīng)力分布如圖8、圖9所示,最大拉應(yīng)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(jié)語(yǔ)

本文通過建立發(fā)電機(jī)定子機(jī)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(chǎng)設(shè)備制定邊界條件,利用有限元方法分析計(jì)算得出發(fā)電機(jī)定子機(jī)組、立筋應(yīng)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(chǎng)定子載荷調(diào)整試驗(yàn)。