CAD/CAE在大型汽轮 发电机设计研发中的应用

 作者： 黄磊  咸哲龙  胡磊  李治  吴新亚  汪耕 

（上海汽轮发电机有限公司   上海  200240） 

摘要: CAD/CAE技术在大型汽轮发电机设计研发中的广泛应用，使得产品设计、结构优化有了科学的研究手段。本文通过介绍CAD/CAE技术在汽轮发电机领域中的几个应用实例，来阐述计算机辅助工程在发电机产品设计研发领域中日益重要的作用。

关键词: CAE  CAD  汽轮发电机  有限元

 

Application of CAD/CAE in Design and R&D of Turbine Generator

 

Wang Geng, Huang Lei, Xian Zhe-long, Hu Lei，Li Zhi, Wu Xi-Ya

 

(Shanghai Turbine Generator Co.Ltd, 200240 )

 

Abstract: As the wide application of CAD/CAE technology in the field of R&D on turbine generator, scientific means is feasible to the product design and structure optimization. This paper introduce some example used by CAD/CAE technology, so as to the expound the importance of CAE in the course of design and R&D on turbine generator.

Keyword: CAE  CAD  Turbine Generator  FEM

 

1 引言

由于计算机技术的飞速发展，尤其是CAD/CAE技术在企业中的广泛应用，使得大型汽轮发电机机械、通风、电磁等参数化分析取得了更加详细准确的结果，从而进一步优化了发电机结构设计，例如进一步降低发电机端部结构件损耗与温升、端部电场防晕设计、定子铁心强度计算分析、转子风扇强度设计改进等。

2 CAD技术在大型汽轮发电机产品设计的应用

我公司在产品结构设计从使用传统的二维绘图软件AutoCAD到三维设计软件PRO/E的历程，表明了CAD技术在发电机设计应用方面取得了较大的进步。依托PRO/E参数化设计功能以及其与其他科学计算软件的有机结合，使得在消化、吸收西屋西门子发电机技术方面有了可靠的手段、并以此进行了产品的创新研究，取得了一定的成果。图1、2分别是定子线圈和转子风扇采用计算机辅助设计。

图1  600MW水氢冷汽轮发电机定子线圈 

 

图2 400MW等级燃机转子离心式风扇

3 CAE技术在产品设计研发中的应用实例

3.1 空冷180MW发电机定子铁心强度计算

在我公司汽轮发电机空冷机组设计历史中，180MW的研发具有重要的意义。采用传统的西屋算法，定子铁心的平均应力可能会满足要求，但我们在进行三维建模以及有限元计算分析的过程中发现，定子铁心在运行工况中，应力沿轴向和周向并不是均匀地分布，局部可能存在着较大的应力状态，在支持筋和夹紧环笼的焊缝处尤为明显。考虑到焊缝局部的应力过大，将结构作了一些改进，以期望使焊缝应力明显降低，保证在正常工作时铁心能够满足机械性能的要求，并考虑短路力矩对焊缝强度的影响。

根据图纸尺寸建立的模型如图1所示，考虑到筋板与夹紧环笼对铁心支持筋的作用，同时为了研究焊缝，建立的PRO/E模型如下图3所示，将铁心和其他重量等价为中间圆环的重量。

图 3 等效力学模型的建立

在ANSYS中进行不同工况的有限元分析，如表1所示，具体应力比较见图4、5所示。

图4 角焊与倒角焊工况下铁心整体的节点应力比较

图5角焊与倒角焊工况下焊条的节点应力比较

表1  突然短路状态定子铁心装配等效应力

内容	焊缝角焊	焊缝倒角焊
装配体最大等效应力	249	195
铁心与定位筋应力	97.8	121
夹紧环笼应力	206(单环)  160(双环)	176(单环)  195(双环)
焊条应力	133	136
弹簧板应力	84.4	86

从上述结果分析来看，突然短路时，焊缝角焊工况下铁心装配体所受到的最大等效应力要比倒角焊工况下大一些，而焊条与弹簧板的最大等效应力差不多，且均能满足强度设计要求。

从倒角焊情况与角焊情况下的数据比较来看，倒角焊以后定子铁心的强度进一步增强，同时夹紧环的受力更加平均化，使得在遭受突然短路的情况下，系统也能够比较安全的工作，而不至于拉裂焊缝或者损坏夹紧环，值得一提的是，筋板起到了比较重要的作用，明显地降低了铁心的应力水平，使得受力更为平均，而且通过计算可以看出，加入筋板的数量不能太少，否则力的传递不能被平均化；也不能太多，冗余的筋板起不到多少作用，且浪费材料，增加发电机定子的运输重量。

3.2 发电机封闭母线软连接线结构损耗及温升的有限元分析

近年来，随着发电机单机容量的不断增加，定子线负荷大幅度提高。定子电流越大，发电机一些结构件的温升就越高。图6所示的发电机与封闭母线间连接结构中，导电结构将会影响电流分布及涡流损耗，还会影响导体的温升。因此设计软连接线结构时，必须考虑到损耗与温升所带来的问题。

图6 发电机与封闭母线连接线结构

发电机的出线结构中，每相圆周上分布有8个如图6所示的导电结构。每个导电结构由一个过渡铜排（整块导体）和4个软连接线构成。设计的软连接尺寸为58×40mm，软连接线由很多股线组成，实际的导电面积为480mm²。

过渡铜排模型是由Pro/E建立后导入到ANSYS，包括空气区域的1/8圆柱型，通过对称性以及设置磁场边界条件，有限元分析中考虑到了临近导电排的相互影响。

图7 导体部分剖分图 

   

图8 电流分布图

模型I：实际软连接线之间有间隔，为研究方便，取尺寸56×40mm。

模型II：软连接线宽度从56mm改为48mm（与软连接线两端导体宽度相同）。相比于模型I，这种情况下散热面积减小，属于保守情况。

模型III：软连接线尺寸设定为56×8.57 mm，每个软连接线看作整块导体，其导电面积为480mm²，此情况属于最保守情况。

图7为模型I的导体部分的剖分图，图8是模型I电流密度计算结果图。

从结果可以看出，受到集肤效应和临近效应的影响，电流主要分布在结构件两侧，其中过渡铜排拐点处的电流密度最大。把电磁场分析中的损耗密度作为热源，利用ANSYS软件进行了热分析，模型周围是空气，环境温度为40℃、属于空气自然对流情况。

表2给出了对3种模型的计算结果，表中的导电面积S与散热面积Sc分别为单个软连接线的数据，损耗为模型导体中的总损耗。

 

表2  两种模型计算结果比较

	导电面积S （mm2）	散热面积Sc（mm2）	损耗（W）	温升（K）
模型I	2240	1.92×105	125.26	26.64
模型II	1920	1.76×105	124.04	27.80
模型III	480	1.29×105	144.99	40.75

与模型I相比，虽然模型II中软连接线的导电面积变小，使得软连接线中的平均电流密度略有增加，但由于连接线之间的间隔增加，涡流效应得到减弱，总损耗基本不变。由于散热面积减小，温升略有提高。

虽然模型III中软连接线的导电面积远小于模型I，但是因为受到集肤效应和临近效应的影响，电流都集中分布在导电排的两侧，所以在定子电流相同的情况下，两种结构中的损耗相差不大，而模型I的表面散热面积比模型III大。

鉴于最保守保守模型III计算出的温升值40.75K离温升限值仍有较大裕量，可以判断设计的软连接结构不会造成过热现象。

利用ANSYS有限元软件对发电机与封闭母线之间软连接线导电结构进行了电磁-温度耦合场分析，计算得出了导电结构中的电流分布、损耗及温度分布，计算结果表明导体的温升属于限值范围，导体不会出线过热现象，从而验证了设计的软连接结构的合理性。

3.3 蜗壳外型对集电环冷却离心风扇性能的CFD研究

风扇蜗壳的作用是将离开叶轮流出的气体按一定方向导出，并将气流的部分动压转变为静压。为了制造方便，离心风扇的机壳普遍采用矩形截面。在离心风扇中，蜗壳宽度B一般是不变的，而且有可能为叶轮宽度的数倍。因此，气体流出叶轮后，由于流道截面突然增加，流速急剧改变，因此将产生损失；同时，由于气流方向与蜗壳的相互作用，在蜗壳内会产生冲击、二次流及漩涡等，由此也会产生相应损失。

本文中的集电环冷却离心风扇采用的是方型外罩，对风扇的性能影响是明显的。为此，作者采用了试验和数值模拟两种方式对其进行了研究。

根据试验测得的数据，将模型风扇分别采用蜗壳外罩和方型外罩时的全压流量特性曲线绘制如下图9所示：

 

图9 模型风扇全压流量特性曲线对比

由上图9可以看出：相同的试验条件下，风扇采用方型外罩和依据一元理论设计得到的蜗壳外罩，二者性能差别明显：采用蜗壳外罩时，风扇的最大流量可达0.63m³/s，此流量工况下对应的全压值为1637.8Pa；而采用方型外罩最大流量只能达到0.29 m³/s，此流量工况下对应的全压值为390.7Pa。采用方型外罩能达到的最大流量只有蜗壳外罩的46%,而在此最大流量工况下所能达到的全压值只有蜗壳外罩的23.9%。

再比较相近流量工况点的性能：如二者都在流量约为0.24 m³/s的工况点下运行，采用方型外罩全压升只能达到620Pa多一些，而采用蜗壳外罩则可以达到大约2150Pa,相差是非常明显的，前者只有后者的28.8%。

下面将借助用FLUENT软件进行数值模拟得到的采用方型外罩时一特定流量下的速度及压力图，直观的分析性能下降如此之多的原因：

第一：方型外罩在其四个边角处存在低能流动漩涡区

图10 方型外罩流量为0.24 m³/s时截面速度矢量图及局部放大速度矢量图

由上图10可以看到：在蜗壳的四个边角处各形成了大小不同的低能流动漩涡区域，从而造成了一定的能量损失，因此会导致风扇在采用方型外罩时会有比采用蜗壳外罩时增加部分损失；

第二：方型外罩底部静压过大，导致部分叶轮做功能力丧失

图11方型外罩流量为0.24 m³/s时截面静压云图及局部放大速度矢量图

由上图11可以看出：在方型外罩的四个边角处静压相对于风扇进口和出口区域是比较大的，尤其是蜗壳底部区域更为明显，这就会造成以下两个结果：

(1)：空气在风扇的进口区域就直接向出口区域偏移，造成了进口区域气流分布非常不均匀，这样势必会增加部分损失；

(2)：也是最重要的一点，使处在方型外罩左侧底部的这部分叶轮丧失了做功能力，叶轮相当于只是在空转。

由上图11中的局部放大速度矢量图可以很明显的看出：此部分叶轮出口区域，由于静压非常大，导致空气无法流出，甚至有小部分产生了回流，这样就使这部分叶轮丧失了做功能力。这是在旋绕动能损失的基础上，造成采用方型外罩比蜗壳外罩性能明显低下的另外一个原因。

综合以上分析的两个原因，所以导致了风扇在采用方型外罩时，风扇在相同流量的情况下，全压升平均来看只占采用蜗壳外罩时的1/3左右。

3.4 定子压圈强度分析

汽轮发电机定子铁心两端用非磁性齿压片及非磁性整体大压圈固紧。压圈带筋板以便放置铜屏蔽。通过定位筋上的螺纹杆，用螺母从两端将压圈、铁心固紧成一整体。压圈作为发电机定子结构中受力较大的一个零件，往往受到几十吨以至几百吨的装配压力，以及使用过程中由于电磁作用所引起振动力的作用。因此，在发电机设计过程中，压圈和齿压片的强度分析对于新产品的设计具有指导意义。本文采用数值方法对压圈和齿压片的受力进行了分析讨论。

采用Pro/E建立压圈、齿压片、垫片和部分硅钢片铁心的装配模型，如图12所示。将其CAD模型导入ANSYS软件，设定单元类型，设置各部件的材料参数，并划分网格，设置边界条件和载荷，其CAE模型如图13所示，共126794个单元和30823个节点。

图12  压圈和齿压片的装配模型

图13  压圈和齿压片的CAE模型

进行静力分析后，压圈、热轧反磁钢和硬铝板齿压片的等效应力云图分别如图14图15，其最大等效应力均小于对应材料的屈服强度，故压圈和齿压片设计均能满足发电机运行要求。

图14压圈等效应力云图 

 图15齿压片等效应力云图

3.5 400MW等级燃机离心式风扇强度计算分析

400MW等级燃机采用离心式风扇。这种整体铸造的离心式风扇，虽然效率较高，但由于采用三元流场设计，流道扭曲，风扇的叶片为不规则扭转曲面，结构形式较为复杂；且风扇和转子之间是过盈配合，必须先将风扇进行热膨胀，热套后让其自然冷却从而抱紧转子，该接触属于典型的高度非线性接触问题。因此，采用Ansys有限元分析软件对风扇的强度进行校核。

为了模拟风扇与转子之间的过盈接触，用Pro/E构造出转子模型的一段，并在转子与风扇的接触面上加入0.6mm的过盈量。对风扇与转子进行装配，详细装配件模型示意图如图16所示。

材料参数

风扇：  弹性模量 E=190GPa ；泊松比 γ=0.26 ；密度 ρ=7.3×10^-6kg/mm³。

转子：  弹性模量 E=210GPa ；泊松比 γ=0.28 ；密度 ρ=7.7×10^-6kg/mm³。

有限元模型

采用十节点四面体单元的网格类型对实体模型进行自由网格划分，单元的控制尺寸为30mm。为了提高有限元模型的精度，对模型的接触面和风扇叶片处的网格进行细化，采用10mm的单元控制尺寸。整个结构的有限元模型如图17。

约束及载荷

转子前后断面上施加轴向约束，前后圆柱面上施加cylinder support。对结构整体施加3600rmp的角速度。

图16扇与转子装配图 

            

图17扇与转子有限元模型

 

分析结果

分析得到的等效应力云图参见图18扇的最大等效应力为716.719MPa,位于风扇叶片的叶根部。风扇的结构形变如图19，其最大值为0.836mm。

 图18等效应力 

图19结构变形

从有限元计算分析来看，风扇的叶片根部存在局部应力集中，该处的等效应力为716.719MPa。而风扇铸件采用沙漠铸造，经性能热处理后，其屈服强度达到830MPa。因此计算验证了风扇的强度是足够的。

4 结论

利用CAD进行产品结构的建模与采用CAE对结构进行有限元分析是相辅相成的，通过将CAD建立的力学模型导入CAE进行分析研究，可以获得精确的数值解，这是传统的计算方法无法实现的；而通过对CAE得出的不同参数情况和工况的结果分析比较，为改进产品结构和设计提供了科学的指导方向，且反馈到CAD的产品模型中，为设计生产带来极大的便利，增加了产品的技术含量。

借助于CAE进行交叉学科相关课题研究具有重要的现实意义，例如电磁场与温度场的耦合分析、热力学与流体场耦合分析等对于大型汽轮发电机具有重要的应用价值。

 

参考文献:

[1] 大型汽轮发电机设计、制造与运行   汪耕、李希明等   上海科学技术出版社   2000.11

[2] CAE在大型汽轮发电机设计研究中的应用  汪耕、咸哲龙等

 

作者简介:

黄磊：2005年3月毕业于上海交通大学工程力学系，获硕士学位，2005年至今在上海汽轮发电机有限公司从事汽轮发电机机械设计研发工作，主要研究方向为CAD/CAE。

完成应用实例3.1“空冷180MW发电机定子铁心强度计算”部分。

来源： 数字仿真联盟