高压电力滑环汇流结构力学分析及优化设计

俞力峰,李甘霖

(中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引 言

单点系泊系统高压电力滑环应用于海上浮动式发电站、海上油气和海上风电等领域,用于解决浮动式发电或用电终端伴随海浪随机转动引发的电力传输问题。由于浮动式发电站和用电终端的输电功率及输电距离都远高于普通电滑环,因此对电滑环的电气和结构设计提出了全新的要求。根据相关技术要求,高压电力滑环的运行电压和传输功率为35 kV/25 MW,同时满足运输和海洋环境使用的各种要求[1-3]。

电力滑环应确保内部绝缘和输电结构可承受运输及使用过程中的各种振动。电力滑环内部的绝缘支承材料为改性环氧树脂,其结构强度和抗振性能可通过增加设计冗余和零件整体铸造工艺得到保证。滑环的环路电流引出结构由L型铜排和高压套管组成。其中L型铜排底部连接固定在环路上,高压套管则安装固定在滑环机壳上。高压套管为一由改性环氧树脂包封的导电结构,在滑环内部电力传输上的作用较为关键,其结构强度和抗振性能将直接影响电力滑环的耐高压可靠性。本文通过对高压套管和L型铜排进行强度、刚度分析和振动模态分析来研究该部件的结构强度和抗振性能并进行结构优化设计。

1 强度刚度分析

电力滑环汇流结构由汇流排和高压套管组成,其强度和刚度分析需要计算其在受到最大变形情况下的应力。强度分析通过Von Mises准则校核,变形产生应力不应对高压套管绝缘结构造成影响,即:

σvM=

(1)

式中:σvM为Mises应力;σ1、σ2、σ3为第一、第二、第三主应力;σc为临界应力值。

电流引出结构底部与环路联接固定,顶部固定在机壳部分,由于顶部机壳部分为可上下浮动式结构,最大浮动空间达到±2 mm,当其处于极限位置时,结构将承受最大的内部应力。考虑极限状态,滑环可能受到轻微的侧向冲击,在计算时添加5gn的侧向加速度[4]。

按照汇流结构实际的安装工况将汇流排底部完全固定,顶部高压套管部分则在水平方向限位,垂直方向保持上下移动自由度。在高压套管安装面施加一定载荷,使其位移量达到2 mm,同时在水平方向施加冲击加速度,模拟极限工况。铜排的材料密度为8.9 g/cm3,弹性模量为120 GPa;环氧材料的密度为2.4 g/cm3,弹性模量为29 GPa。采用ABAQUS计算,采用四面体划分网格,Miss应力及位移计算结果如图2、图3所示。

由图2、图3计算结果可知,汇流结构最大Mises应力为308 MPa,位于汇流排底部折弯处,接近材料抗拉强度极限。高压套管部分最大应力约100 MPa,位于安装面根部,小于改性环氧材料的抗弯曲强度130 MPa,可以满足结构强度要求,但也存在一定改进空间。

2 振动模态分析

电力滑环在运输过程中需要承受较大的振动冲击,在运行过程中也伴随着系泊浮船和海浪、潮汐等因素的冲击,其内部结构,尤其是绝缘结构需要具备一定的抗振性能,结构的固有振型应避开可能的频谱范围,防止出现共振现象。

动力学有限元法的控制平衡方程为[5]:

(2)

由于模态是系统的固有特性,与外部加载条件无关,因此系统的固有频率和振型可以通过求解系统的自由振动方程得到。系统自由振动时无外部激振力作用,即R(t)=0。考虑到阻尼对结构的固有频率和振型影响不大,从而略去阻尼项得到无阻尼自由振动方程为:

(3)

令U(t)=Φsin[ω(t-t0)],变换为特征值方程:

KΦ=ω2MΦ=λMΦ

(4)

式中:ω、Ф分别为系统的固有频率和振型。

参考图1汇流结构安装示意图,L型汇流排底部固接,由于高压套管安装在滑环顶部可浮动的转盘上,对高压套管在其安装面上设置水平方向位移约束,仅保留竖直方向的位移自由度,采用实体单元进行网格划分[6]。计算汇流结构前4阶固有频率如表1所示,对应模态振型如图4所示。

表1 汇流结构固有频率

图1 电力滑环及汇流结构示意图

图2 Mises应力云图

图3 位移云图

图4 汇流结构1～4阶固有振型

由表1及图4可知,汇流结构低阶振型伴随有汇流排部分的大变形,由于汇流排为一扁平长条结构,刚度较弱,为汇流结构的最薄弱部位,低阶振型主要集中在汇流排变形所引起的共振形式,其一阶固有频率为84.18 Hz,根据相关试验标准存在一定的风险,需进行结构优化。

3 结构优化及验证计算

由式(4)可知,在相同振型条件下,要提高结构的固有频率ω,可以降低结构的质量矩阵M和增加结构的刚度矩阵K。当前结构由于需要承载一定电流,改变材料或结构减重均较为困难,由此考虑改进结构,提高刚度。这里将L型铜排底部折弯处改为圆滑过渡,在铜排上加装带冲压凸台的3 mm厚度不锈钢薄钢板,并适当减小高压套管锥度以加强结构刚度,如图5所示。

图5 优化后的汇流结构

对优化后的汇流结构按相同工况进行振动模态分析,结果如图6所示。

图6 优化后的汇流结构1～4阶固有振型

如表2所示,经过优化,汇流结构的一阶固有频率提升至113.99 Hz,与原结构相比提高了35%,且有效避开了可能出现的振动频率范围,提升了结构抗振性能。由于对结构做了加强,结构强度也得到了一定程度的提高。

表2 汇流结构固有频率(优化后)

4 结束语

本文通过对电力滑环汇流结构进行力学分析和有限元仿真发现:原有结构低阶振动模态频率较小,在运输和使用过程中存在发生结构共振的风险。在保证结构电流载流性能的前提下,通过对高压套管增加结构几何尺寸,并在汇流排上加装带凸台的冲压不锈钢板的方法,在不影响原有载流性能的前提下将原有的84.18 Hz的一阶模态频率提升至113.99 Hz,有效规避了可能振动频率区间,降低了发生结构共振的风险;同时通过加强一定程度上也提高了其结构强度,使滑环的高压运行更加安全。