85MW高转速水轮发电机转子设计

胡金秀 胡祥甫

【摘要】发电机转子是水轮发电机组中的关键部件，对于大容量、高转速转子结构设计更是行业内研究的重点和难点。本文重点介绍GD-3电站转子结构设计特点、关键部件应力分析及结构优化成果，为同类高转速水轮发电机转子结构设计提供参考、借鉴和经验交流。

【关键词】高转速转子；结构特点；应力分析

Design of 85MW High Speed Hydro Generator Rotors

HU Jin-xiuHU Xiang-fu

（DEC DongFeng Electric Machinery Co.，LTD. Leshan Sichuan，614000，China）

【Abstract】Generator rotor is the key component among the hydro generating unit. The structural design for the rotor with large capacity and high speed is the focus and difficulty of the research in industry. In this paper, the structural design characteristics of generator rotor and the stress analysis and structural optimization result of the key components for GD-3 Project in Ethiopia are presented for the purpose of reference and experience exchange for the structural design of high speed hydro generator rotors of similar kind.

【Key words】High Speed Rotor; Structural Characteristics; Stress Analysis

1电站概述

埃塞俄比亚GD-3水电站位于埃塞俄比亚首都亚的斯南部，装设3台单机容量85MW的立轴混流式水轮发电机组。发电机机型为SF85-14/5000，水轮机型号HLA892-LJ-245，最大水头273m，采用密闭自循环双路径向无风扇端部回风冷却系统。具有上、下两个导轴承，推力轴承与上导轴承合用一个油槽，布置在上机架推力油槽内。该电站单机容量大、转速高，飞逸工况下发电机转动部件的最大线速度高达168.37 m/s。发电机设计时，需确保各主要受力部件满足发电机在各种工况下运行的安全稳定性，同时还需考虑其工艺性和经济性。高转速、大容量水轮发电机的结构设计，特别是转子结构设计一直是行业内研究的重点和难点，它的性能好坏直接影响整个机组的安全稳定运行。

GD-3电站发电机主要技术参数:

额定容量100MVA

额定功率85MW

额定电压13800V

额定电流4183.7A

额定功率因数 0.85（滞后）

额定频率 50Hz

额定转速 428.6 r/min

飞逸转速 763.4 r/min

额定励磁电压 240V

额定励磁电流 970A

转动惯量(GD2) ≥1260 t.m2

2转子结构

转子是水轮发电机组核心部件之一，它的设计、制造和安装质量等直接影响机组的总装质量乃至机组的安全运行。

图1发电机转子结构

GD-3电站根据发电机通风冷却方式，转子采用旋转挡风板、无风扇结构。它主要由磁极、磁轭、转子支架、主轴等组成，具体结构见图1。

2.1磁极

磁极是水轮发电机产生磁场的主要部件，由磁极铁芯、磁极线圈及阻尼绕组等组成，通过T尾和磁极键固定在磁轭上。因此，它不但要具备良好的电磁性能，还必须有一般转动部件具有的机械性能。GD-3电站磁极结构设计时，为了降低加工工艺，经反复论证，并通过大量计算和有限元分析，设计一种当前加工能力可实现又能满足产品性能要求的结构，见图2。

图2磁极装配

2.2磁轭

转子磁轭是发电机磁路的重要组成部分，也是固定磁极的结构部件。GD-3电站磁轭采用叠片磁轭结构，轴向长2160mm（含上下磁轭压板），多边形至对边尺寸为3286mm。叠片磁轭装配由磁轭冲片、通风槽片、拉紧螺杆、磁轭压板、锁定板、卡键、磁轭键等组成。磁轭冲片的叠片方式对磁轭的重量、磁轭的应力和拉紧螺杆的剪应力有直接影响。发电机极数少（14极）、转速高、转动惯量要求高，合理选择磁轭叠片方式显得尤为重要。磁轭冲片设计时，设计人员将层间相错一个极距的基本叠法和层间相错1/2个极距的叠片方式作了详细的计算分析。

2.3转子支架

转子支架是水轮发电机的主要组成部分，也是将磁轭和主轴连接成一体的关键部件。GD-3电站转子支架采用圆盘式结构，由轮毂、上圆盘、下圆盘、立筋及筋板组成，其機械性能通过强度计算和有限元应力分析得以保证。轮毂用20SiMn锻造而成，上圆盘、下圆盘、立筋材料均采用高强度钢板。该结构具有重量轻，刚度大的优点，特别适合本机组的径向通风方式。

3主要部件有限元分析

通过CATIA三维软件对磁极、转子支架建立几何模型，并用MSC.Ptran有限元软件建立计算模型，利用 MSC.MARC有限元软件进行有限元计算分析。

3.1磁极强度有限元分析

1）计算模型取1/14模型，施加循环对称约束。采用4节点四边行单元建模，由磁极结构及受力状况采用平面应力计算模型进行计算。

2）磁极材料为：2WDER550；弹性模量：1500000MPa；泊松比：0.3；密度：5.75525×10-10t/mm3；屈服强度：550MPa。

磁极键材料为：锻45；弹性模量：206800MPa；泊松比：0.3；密度：7.85×10-9t/mm3；屈服强度：355MPa。

3）计算结果：额定工况下磁极的Von Mises应力分布图见图3。

图3额定工况下磁极的Von Mises应力分布

3.2转子支架有限元分析

1）由对称性取结构1/7建立计算模型，小三角筋板采用四边形壳单元，其余部件采用八节点六面体单元。

2）轮毂材料：锻20SiMn，弹性模量：206800MPa，泊松比：0.3，密度：7.85×10-9t/mm3，屈服强度：225MPa；拉伸强度：470MPa；延伸率：14%。支架其他部件材料：

Q390，弹性模量：206800MPa，泊松比：0.3，密度：7.85×10-9t/mm3，屈服强度：≤16mm，≥390MPa；≤16～35mm，≥370MPa；≤35～100mm，≥330MPa。拉伸强度：490～650MPa；延伸率：19%。

3）计算结果：额定工况下磁极的Von Mises应力分布图见图4。

图4额定工况下磁极的Von Mises应力分布

根据有限元分析计算结果，额定工况计算应力偏大，调整了转子支架上、下圆板及腹板材料，最终选用了性能更好的优质钢板，满足机械性能要求。

4结论

针对大容量高转速水轮发电机转子设计，在结构设计时合理应用新技术、新结构，并运用有限元分析手段，通过对发电机结构的合理调整，提高了机组的安全稳定性，为同类高转速水轮发电机转子结构设计提供参考、借鉴和经验交流。

【参考文献】

［1］白延年.主编.水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1982.

［2］陈锡芳.主编.水轮发电机结构运行监测与维修[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

［责任编辑：许丽］