專利名稱：一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動數(shù)值計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動數(shù)值計算方法，可用于汽輪發(fā) 電機(jī)定子鐵心的振動性能研究，屬于發(fā)電機(jī)定子鐵心技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，定子鐵心內(nèi)有旋轉(zhuǎn)的磁場通過，就會產(chǎn)生交變的 電動力，導(dǎo)致鐵心松動和產(chǎn)生噪音，影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。更為嚴(yán)重的是由于 轉(zhuǎn)子磁極的旋轉(zhuǎn)變化產(chǎn)生的磁拉力，對發(fā)電機(jī)形成了雙倍頻率強(qiáng)迫振動，如果定 子鐵心的固有頻率接近倍頻，那么鐵心的振動將被很快地放大，鐵心就可能發(fā)生 共振，從而產(chǎn)生很大的振動及噪聲，影響機(jī)組的正常運(yùn)行，甚至發(fā)生事故，為此 需要對大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心進(jìn)行振動研究。
在以前的研究中采用的計算方法是將定子鐵心假定為一個圓筒，根據(jù)圓筒公 式進(jìn)行計算求得定子鐵心的振動幅值。采用這種方法求定子鐵心振動，沒有完全 考慮定子鐵心在交變電磁力作用下的穩(wěn)態(tài)受迫振動，在模型方面將定子鐵心假定 為圓筒，與實際模型相比，模型過于簡化；在載荷方面只考慮了最大電磁力的作 用，而沒有考慮電磁力的余弦函數(shù)關(guān)系；在求解時激振頻率只能設(shè)定一個具體值， 而不能設(shè)定一個范圍；在結(jié)果上只能求得某個頻率(如倍頻)下的徑向振動幅值， 而不能獲得整個鐵心在某一指定頻率下的徑向、切向及其代數(shù)位移響應(yīng)，也不能 得到某一頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)振動幅值曲線，不利于對鐵心振動進(jìn)行全面直觀 地分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動數(shù)值計算方法。 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振
動數(shù)值計算方法，其特征在于，建立大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心計算模型，求解后
進(jìn)行結(jié)果分析，其方法和步驟為
第一步.模型簡化按大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心圖紙采用CAD計算機(jī)輔助設(shè)計軟件Pro/E 建立簡化定子鐵心模型，包括定子軛部與齒部、夾緊環(huán)和彈簧板；忽略 定子線圈的剛度，將定子鐵心計算模型簡化為一個不含線圈、風(fēng)道的定 子鐵心，其三維模型即通過彈簧板固定的含有內(nèi)齒槽的鐵心；
第二步.模型導(dǎo)入
將CAD模型導(dǎo)入CAE計算機(jī)輔助分析軟件ANSYS，運(yùn)行于IBM服務(wù)器上；
第三步.材料模型
在CAE軟件中，建立鐵心、夾緊環(huán)及彈簧板的彈性模量、泊松比和密度；
第四步.邊界條件
在軸向?qū)ΨQ邊界上施加軸向固定約束，在每個彈簧板的軸向端面施加固 定約束；
第五步.載荷施加
鐵心受到電磁力的作用，電磁力在空間沿著鐵心內(nèi)表面圓周不同的位置 呈余弦分布，且隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度而旋轉(zhuǎn)，即隨時間變化，由于鐵心 的齒頂磁密不可用于計算電磁力，故需將氣隙處的具有次數(shù)為r的隨圓 角0 =紐變化的壓力載荷轉(zhuǎn)換到鐵心外表面和支持筋處，采用函數(shù)加載 方式，其計算過程如下-
氣隙中心線處壓力載荷P隨圓周角^ = ^分布的表達(dá)式為
式中，iV為極對數(shù)，P。為鐵心內(nèi)表面的應(yīng)力恒定分量，A為鐵心內(nèi)表面的應(yīng)力 基頻分量其中P。、 P2由發(fā)電機(jī)的有關(guān)參數(shù)所決定
<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，'6>。極中心線到大齒的弧度(距離<formula>formula see original document page 7</formula>轉(zhuǎn)子槽數(shù) g^P:槽分度數(shù) Smax:氣隙磁密
/^e:空氣磁導(dǎo)率<formula>formula see original document page 7</formula>實際上鐵心外表面處隨圓周角？分布的壓力載荷尸『(指向圓心)應(yīng)小于氣隙處
壓力載荷，可由下式求得
W A。 式中，
轉(zhuǎn)子外徑
Gs:定子與轉(zhuǎn)子間的單氣隙 鐵心外表面直徑
支持筋外表面處隨圓周角6分布的壓力載荷i^ (指向圓心)應(yīng)小于氣隙處壓力
載荷，可由下式求得
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中，
化。支持筋外表面直徑 第六步.網(wǎng)格劃分
根據(jù)鐵心及其零部件的結(jié)構(gòu)，定義單元類型和網(wǎng)格劃分原則，實施網(wǎng)格劃分 將定子鐵心模型離散為數(shù)值模型； 第七步.設(shè)定求解選項并求解
由于將電磁交變力假定為持續(xù)的周期載荷，那么在發(fā)電機(jī)鐵心中會產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)，采用諧響應(yīng)分析方法確定鐵心在承受隨時間按余弦規(guī)律變化的 載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)電網(wǎng)頻率及其倍頻設(shè)定激振載荷的頻率范圍和頻率 步，在ANSYS中設(shè)定求解選項后，進(jìn)行分析計算； 第八步.結(jié)果分析
計算完成后，通過結(jié)果處理獲取鐵心在多個頻率下的位移，得到位移響應(yīng)對 頻率的曲線，基于計算結(jié)果分析定子鐵心振動性能。
對于大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心磁拉力的計算，本發(fā)明能根據(jù)氣隙磁密分布來 求得氣隙中的磁拉力，而對于載荷施加位置的不同，只能根據(jù)半徑進(jìn)行相應(yīng)的合 理轉(zhuǎn)換。而對于定子鐵心磁拉力的加載方式，本發(fā)明采用函數(shù)加載將更加準(zhǔn)確快 捷。
通過動力學(xué)方法——諧響應(yīng)分析可直接求得定子鐵心在倍頻或其它頻率的徑 向、切向及其代數(shù)位移響應(yīng)，也可得到其徑向位移、切向位移及代數(shù)位移的頻響 曲線。與以前的計算方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點是通過諧響應(yīng)分析技術(shù)計算定子鐵 心的穩(wěn)態(tài)受迫振動，而不考慮發(fā)生在激勵開始時的瞬態(tài)振動，使設(shè)計人員能夠預(yù) 測大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心的持續(xù)動力特性，從而使設(shè)計人員能夠驗證其設(shè)計能 否成功地克服共振、疲勞，及其他受迫振動引起的有害效果。


圖1為某大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心的簡化CAD模型圖； 圖2為定子鐵心零部件材料模型的詳細(xì)物理參數(shù)圖3為某汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心節(jié)點23876在90。和0。電磁力作用下的徑向位 移及其位移之和的頻響曲線圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 實施例
如圖1所示，為某大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心的簡化CAD模型圖，使用某大
型汽輪發(fā)電機(jī)的定子鐵心作為本發(fā)明實施例的分析對象，其具體計算步驟為
第一步，模型簡化
按某大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心圖紙采用Pro/E軟件建立簡化定子鐵心模型。忽略定子線圈的剛度，定子鐵心的風(fēng)道及其它缺口只考慮為單純的質(zhì)量減小，將 除夾緊環(huán)籠外其余零件(包括定子鐵心150480kg、定子線圈12260kg、勵端壓圈 2508kg、汽端壓圈2508kg、鐵心壓裝2470kg和磁屏蔽2X680kg)的所有重量等 效為含有齒部的鐵心l，并將四個夾緊環(huán)2和一個支撐環(huán)3焊接到鐵心上，將十 個彈簧板4焊接到四個夾緊環(huán)2上，為了簡化計算，等效鐵心的重量為
Mal71586&，根據(jù)鐵心截面和長度由Pro/E確定鐵心的等效密度為
p = 7.2714xl03ytg/W3，將定子鐵心計算模型簡化為一個不含線圈、風(fēng)道的定子
鐵心，其三維模型即通過彈簧板固定的含有內(nèi)齒槽的鐵心； 第二步.模型導(dǎo)入
將CAD模型導(dǎo)入CAE軟件ANSYS，運(yùn)行于IBM服務(wù)器上； 第三步.材料模型
在ANSYS軟件中，建立鐵心及其零部件的材料模型，涉及材料的主要物
理特性包括彈性模量、泊松比和密度，詳細(xì)參數(shù)見圖2; 第四步.邊界條件
在ANSYS軟件中，在軸向?qū)ΨQ邊界上施加軸向固定約束，在每個彈簧板
的軸向端面施加固定約束； 第五步.載荷施加
將氣隙處的隨時間變化的壓力載荷(指向圓心)轉(zhuǎn)換到鐵心外表面和支
筋處，在ANSYS軟件中采用函數(shù)加載方式，載荷計算過程如下
求解某大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動的已知參數(shù)<formula>formula see original document page 9</formula>
求得下列中間參數(shù)<formula>formula see original document page 9</formula>尸0=一《,一叫^ = 2.631><105^/附2
尸2= 1萬隨(2cos26>0-Sm26>0) = —2.486xl05JV/m2 2/"0《 《
氣隙處隨圓周角《分布的壓力載荷P (指向圓心)為
<formula>formula see original document page 10</formula>由于彈簧板固定約束的周向非對稱性，須考慮函數(shù)加載方式的余弦特性。從 載荷方程可知，其周期為;r，為了得到最大的振動幅值須施加兩次相位角為;r/2 的載荷，即第一次加載的載荷在90。和270。最大(簡稱90。電磁力)，第二次加載 的載荷在0。和180。最大(簡稱0。電磁力)，根據(jù)函數(shù)加載方式，將鐵心外表面處 的壓力作為載荷施加到鐵心外表面，同時將支持筋外表面處的壓力作為載荷施加 到支持筋外表面； 第六步.網(wǎng)格劃分
根據(jù)鐵心及其零部件的結(jié)構(gòu)，在ANSYS軟件中采用8節(jié)點六面體S0LID45 單元劃分網(wǎng)格，將定子鐵心模型離散為節(jié)點總數(shù)為327957、單元總數(shù)為1531134 的數(shù)值模型；
第七步.設(shè)定求解選項并求解
由于將電磁交變力假定為持續(xù)的周期載荷，那么在發(fā)電機(jī)鐵心中會產(chǎn)生持續(xù) 的周期響應(yīng)(諧響應(yīng))，在ANSYS軟件中，采用諧響應(yīng)分析方法確定鐵心在承受 隨時間按余弦(簡諧)規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)電網(wǎng)頻率50Hz及其 倍頻100Hz，設(shè)定激振載荷的頻率范圍為0 300Hz和頻率步為50Hz。在ANSYS
10中設(shè)定求解選項后，進(jìn)行分析計算； ' 第八步.結(jié)果分析
計算完成后，在ANSYS軟件中獲取定子鐵心在兩個載荷(90°電磁力和0°電 磁力)作用下頻率為100Hz時的節(jié)點徑向位移，通過疊加相同節(jié)點的徑向位移進(jìn) 行結(jié)果后處理，可得定子鐵心雙幅振動最大位移(動態(tài)雙幅振動)為25.66/^n，
位于節(jié)點23876上，該節(jié)點在90。和0。電磁力作用下的位移及其位移疊加之和隨 頻率變化的曲線如圖3所示。該計算模型考慮了彈簧板，更加精確地描述了實際 結(jié)構(gòu)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10392-2002，其計算結(jié)果雙幅振動值未超過30，，符合
振動標(biāo)準(zhǔn)，從而驗證了定子鐵心和彈簧板結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和隔振的有效性。
權(quán)利要求
1. 一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動數(shù)值計算方法，其特征在于，建立大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心計算模型，求解后進(jìn)行結(jié)果分析，其方法和步驟為第一步.模型簡化按大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心圖紙采用CAD計算機(jī)輔助設(shè)計軟件Pro/E建立簡化定子鐵心模型，包括定子軛部與齒部、夾緊環(huán)和彈簧板；忽略定子線圈的剛度，將定子鐵心計算模型簡化為一個不含線圈、風(fēng)道的定子鐵心，其三維模型即通過彈簧板固定的含有內(nèi)齒槽的鐵心；第二步.模型導(dǎo)入將CAD模型導(dǎo)入CAE計算機(jī)輔助分析軟件ANSYS，運(yùn)行于IBM服務(wù)器上；第三步.材料模型在CAE軟件中，建立鐵心、夾緊環(huán)及彈簧板的彈性模量、泊松比和密度；第四步.邊界條件在軸向?qū)ΨQ邊界上施加軸向固定約束，在每個彈簧板的軸向端面施加固定約束；第五步.載荷施加鐵心受到電磁力的作用，電磁力在空間沿著鐵心內(nèi)表面圓周不同的位置呈余弦分布，且隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度而旋轉(zhuǎn)，即隨時間變化，由于鐵心的齒頂磁密不可用于計算電磁力，故需將氣隙處的具有次數(shù)為r的隨圓角θ＝ωt變化的壓力載荷轉(zhuǎn)換到鐵心外表面和支持筋處，采用函數(shù)加載方式，其計算過程如下氣隙中心線處壓力載荷P隨圓周角θ＝ωt分布的表達(dá)式為P＝P0+P2cos2Nθ式中，N為極對數(shù)，P0為鐵心內(nèi)表面的應(yīng)力恒定分量，P2為鐵心內(nèi)表面的應(yīng)力基頻分量其中P0、P2由發(fā)電機(jī)的有關(guān)參數(shù)所決定
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過計算機(jī)的數(shù)值模擬來分析大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動的計算方法，可用于汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心的振動性能研究，其特征在于，大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心的簡化模型，發(fā)電機(jī)定子鐵心磁拉力的計算與轉(zhuǎn)換，函數(shù)加載方式，諧響應(yīng)分析后的結(jié)果處理，可直接求得定子鐵心在倍頻或其它頻率的徑向、切向及其代數(shù)位移響應(yīng)，也可得到其徑向位移、切向位移及代數(shù)位移的頻響曲線。與以前的計算方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點是采用函數(shù)加載將更加準(zhǔn)確快捷；通過諧響應(yīng)分析技術(shù)計算定子鐵心的穩(wěn)態(tài)受迫振動，可預(yù)測大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心的持續(xù)動力特性，從而驗證其設(shè)計能否成功地克服共振、疲勞，及其他受迫振動引起的有害效果。
文檔編號G01M7/02GK101281086SQ20081003770
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者干保良, 燕 張, 徐鋼峰, 治 李, 磊 黃 申請人:上海電氣電站設(shè)備有限公司