大型水轮发电机定子铁心翘曲问题浅析

马永良



大型水轮发电机定子铁心翘曲问题浅析

马永良

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

本文主要针对大型水轮发电机定子铁心的翘曲问题进行分析与研究，着重研究和分析铁心翘曲问题产生的具体原因、预防措施和解决方案，同时为大型水轮发电机的结构设计积累经验。

水轮发电机；铁心翘曲；结构设计

0 前言

大型水轮发电机运行时，由于铁心中的交变磁场作用使铁心冲片产生铁耗，进而使铁心温度升高，定子铁心会发生热膨胀现象，当铁心热膨胀到一定程度时，外侧受到定子机座的约束限制，就会因为挤压作用而产生翘曲变形，从而使铁心波浪度变大，产生松动变形。一旦出现这种情况，会给机组带来很大的危害，严重时会产生铁心断齿、烧毁以及线棒破压等事故，造成巨大的经济损失。因此，正确地分析铁心翘曲产生的原因，在结构设计时采取有效措施避免铁心翘曲现象的发生，是工程技术人员需要面对并解决的实际问题。

1 铁心翘曲变形原因分析

在大型水轮发电机定子结构设计时，必须考虑定子铁心翘曲变形的问题。一般用翘曲安全系数来衡量定子铁心发生翘曲变形的可能性。所谓翘曲安全系数是指临界压应力与实际切向力的比值，根据工程实际经验，此数值低于4时，定子铁心很可能会发生翘曲现象。

以某水轮发电机实际参数为例，计算其翘曲安全系数过程如表1。

温度引起的铁心切向压应力：

磁拉力引起的定子铁心切向压应力：

表1 水轮发电机基本数据列表

总的铁心切向压应力：

叠压弹性基础刚度：

引起屈曲的临界力：

引起铁心屈曲的临界压应力：

引起屈曲的安全系数：

从上述理论计算可知，安全系数的数值大小主要与铁心和机座的温差、各自的弹性模量以及机座和铁心的结构参数等因素有关。机座的刚度设计选值过高、片间压力选择过低、温升计算值与实际情况不一致、造成机座与铁心热膨胀量不匹配、铁心弹性模量过小等原因都将使翘曲安全系数降低，可能引起定子铁心翘曲现象。

1.1 结构设计原因

从机组结构设计角度分析，如果铁心片间压力值选取较低，会导致铁心压紧后径向方向弹性模量太小，从而使铁心整体抗热变形能力低，运行时受同样的机座限制力情况下，铁心冲片易发生受力失稳，出现翘曲。另外，机座刚度过大，且未在鸽尾筋与托块间预留热膨胀间隙时，当机组运行温度升高后机座膨胀的尺寸较小，使机座限制铁心径向膨胀的力过大，也容易导致铁心发生翘曲。同时在选择铁心定位筋数量时，如果定位筋数量较少，会使叠片精度不易控制，铁心抗轴向变形能力低，产生较大的波浪状变形，这也是产生铁心翘曲现象的潜在原因之一。

1.2 安装质量原因

除了结构设计的因素以外，铁心的安装质量也会影响到机组运行后的安全稳定性。当铁心安装质量差，出现卡片或未达到设计要求时，会使装压后铁心的实际片间压力太低，使得铁心装压后径向方向的弹性模量太小，不能保证计算的铁心翘曲安全系数，从而也会导致铁心的翘曲变形。此外，如果采用机座在厂内焊接定位筋，分瓣运输到工地后组圆叠片，会因为机座运输过程中变形的原因，导致定位筋弦距不好，叠片时有定位筋卡片现象，使铁心装压后波浪度大，铁心难以压紧，造成运行一段时间后发生铁心松动，片间压力达不到设计值，留下铁心翘曲的隐患。

2 预防措施

要避免大型水轮发电机运行过程中发生铁心翘曲现象就必须充分考虑机组运行时定子铁心与机座的热膨胀变形问题。一方面要精确计算二者的热膨胀量，另一方面是优化结构，减小热膨胀带来的影响。

为了精确计算定子铁心在运行过程中的受力与变形情况，结构设计时会采用有限元三维模型进行分析，图1是利用Ansys有限元软件建立的大型水轮发电机定子三维模型。通过设置合理的边界条件，可以准确模拟机组运行时定子铁心等结构部件的应力与变形情况，为结构设计提供可靠的理论依据。

图1 定子有限元模型

从结构优化方面考虑，需要为机组选择合适的机座形式和刚度，例如巨型机组通常选择斜立筋形式的机座，可以适当降低机座的刚度，有利于避免铁心翘曲的发生；另外，可以采用浮动式的定位筋结构（如图2所示），即在定位筋与托块之间沿径向方向留有一定间隙，以减小铁心热膨胀时的影响，对防止发生铁心翘曲现象作用明显。

如果结构空间允许，采用穿心拉杆结构形式的铁心，对于控制叠片质量，保证铁心冲片之间的压紧力，提高铁心弹性模量和整体性有所帮助。定位筋数量过少不易保证铁心在热膨胀过程中圆周方向上的变形均匀度，易产生翘曲现象。

图2 浮动式双鸽尾类型定位筋结构

对于安装与维护方面，需要确保铁心的叠压安装质量符合相关规范和图纸要求，同时在机组投入运行后要定期对铁心进行检查，防止其产生松动变形问题，有隐患及早发现，避免产生严重的危害与损失。

3 结语

大型水轮发电机产生铁心翘曲现象的原因比较复杂，有时不只是单一方面的原因。全面、准确地了解和掌握其产生的原因对定子铁心结构设计至关重要，有利于工程技术人员采取有效措施加以预防，减小铁心翘曲带来的危害。本文仅从工程实践中总结了若干铁心翘曲现象产生的原因和预防措施，铁心翘曲问题的研究是水轮发电机设计领域的一项重要课题，有待进一步深入研究。

Analysis of Buckling Deformation for Large Hydro-generator Stator Core

MA Yongliang

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The article analyze and researches the problem of hydro-generator stator core buckling distortion, emphatically analyzing the reason, prevention measures and solution of it, at the same time, accumulating the experience for later structure design.

hydro-generator; stator core buckling distortion; structure design

TM312

A

1000-3983(2014)04-0025-02

2014-03-15

马永良（1981-），2004年毕业于哈尔滨工业大学电气工程系，现从事水轮发电机设计工作，工程师。

审稿人：刘平安