作者： 黃磊  咸哲龍  胡磊  李治  吳新亞  汪耕 

（上海汽輪發(fā)電機有限公司   上海  200240） 

摘要: CAD/CAE技術(shù)在大型汽輪發(fā)電機設(shè)計研發(fā)中的廣泛應(yīng)用，使得產(chǎn)品設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化有了科學(xué)的研究手段。本文通過介紹CAD/CAE技術(shù)在汽輪發(fā)電機領(lǐng)域中的幾個應(yīng)用實例，來闡述計算機輔助工程在發(fā)電機產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域中日益重要的作用。

關(guān)鍵詞: CAE  CAD  汽輪發(fā)電機  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

由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是CAD/CAE技術(shù)在企業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使得大型汽輪發(fā)電機機械、通風(fēng)、電磁等參數(shù)化分析取得了更加詳細準(zhǔn)確的結(jié)果，從而進一步優(yōu)化了發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如進一步降低發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)件損耗與溫升、端部電場防暈設(shè)計、定子鐵心強度計算分析、轉(zhuǎn)子風(fēng)扇強度設(shè)計改進等。

2 CAD技術(shù)在大型汽輪發(fā)電機產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用

我公司在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計從使用傳統(tǒng)的二維繪圖軟件AutoCAD到三維設(shè)計軟件PRO/E的歷程，表明了CAD技術(shù)在發(fā)電機設(shè)計應(yīng)用方面取得了較大的進步。依托PRO/E參數(shù)化設(shè)計功能以及其與其他科學(xué)計算軟件的有機結(jié)合，使得在消化、吸收西屋西門子發(fā)電機技術(shù)方面有了可靠的手段、并以此進行了產(chǎn)品的創(chuàng)新研究，取得了一定的成果。圖1、2分別是定子線圈和轉(zhuǎn)子風(fēng)扇采用計算機輔助設(shè)計。

圖1  600MW水氫冷汽輪發(fā)電機定子線圈 

 

圖2 400MW等級燃機轉(zhuǎn)子離心式風(fēng)扇

3 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)中的應(yīng)用實例

3.1 空冷180MW發(fā)電機定子鐵心強度計算

在我公司汽輪發(fā)電機空冷機組設(shè)計歷史中，180MW的研發(fā)具有重要的意義。采用傳統(tǒng)的西屋算法，定子鐵心的平均應(yīng)力可能會滿足要求，但我們在進行三維建模以及有限元計算分析的過程中發(fā)現(xiàn)，定子鐵心在運行工況中，應(yīng)力沿軸向和周向并不是均勻地分布，局部可能存在著較大的應(yīng)力狀態(tài)，在支持筋和夾緊環(huán)籠的焊縫處尤為明顯。考慮到焊縫局部的應(yīng)力過大，將結(jié)構(gòu)作了一些改進，以期望使焊縫應(yīng)力明顯降低，保證在正常工作時鐵心能夠滿足機械性能的要求，并考慮短路力矩對焊縫強度的影響。

根據(jù)圖紙尺寸建立的模型如圖1所示，考慮到筋板與夾緊環(huán)籠對鐵心支持筋的作用，同時為了研究焊縫，建立的PRO/E模型如下圖3所示，將鐵心和其他重量等價為中間圓環(huán)的重量。

圖 3 等效力學(xué)模型的建立

在ANSYS中進行不同工況的有限元分析，如表1所示，具體應(yīng)力比較見圖4、5所示。

圖4 角焊與倒角焊工況下鐵心整體的節(jié)點應(yīng)力比較

圖5角焊與倒角焊工況下焊條的節(jié)點應(yīng)力比較

表1  突然短路狀態(tài)定子鐵心裝配等效應(yīng)力

內(nèi)容	焊縫角焊	焊縫倒角焊
裝配體最大等效應(yīng)力	249	195
鐵心與定位筋應(yīng)力	97.8	121
夾緊環(huán)籠應(yīng)力	206(單環(huán))  160(雙環(huán))	176(單環(huán))  195(雙環(huán))
焊條應(yīng)力	133	136
彈簧板應(yīng)力	84.4	86

從上述結(jié)果分析來看，突然短路時，焊縫角焊工況下鐵心裝配體所受到的最大等效應(yīng)力要比倒角焊工況下大一些，而焊條與彈簧板的最大等效應(yīng)力差不多，且均能滿足強度設(shè)計要求。

從倒角焊情況與角焊情況下的數(shù)據(jù)比較來看，倒角焊以后定子鐵心的強度進一步增強，同時夾緊環(huán)的受力更加平均化，使得在遭受突然短路的情況下，系統(tǒng)也能夠比較安全的工作，而不至于拉裂焊縫或者損壞夾緊環(huán)，值得一提的是，筋板起到了比較重要的作用，明顯地降低了鐵心的應(yīng)力水平，使得受力更為平均，而且通過計算可以看出，加入筋板的數(shù)量不能太少，否則力的傳遞不能被平均化；也不能太多，冗余的筋板起不到多少作用，且浪費材料，增加發(fā)電機定子的運輸重量。

3.2 發(fā)電機封閉母線軟連接線結(jié)構(gòu)損耗及溫升的有限元分析

近年來，隨著發(fā)電機單機容量的不斷增加，定子線負(fù)荷大幅度提高。定子電流越大，發(fā)電機一些結(jié)構(gòu)件的溫升就越高。圖6所示的發(fā)電機與封閉母線間連接結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)將會影響電流分布及渦流損耗，還會影響導(dǎo)體的溫升。因此設(shè)計軟連接線結(jié)構(gòu)時，必須考慮到損耗與溫升所帶來的問題。

圖6 發(fā)電機與封閉母線連接線結(jié)構(gòu)

發(fā)電機的出線結(jié)構(gòu)中，每相圓周上分布有8個如圖6所示的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。每個導(dǎo)電結(jié)構(gòu)由一個過渡銅排（整塊導(dǎo)體）和4個軟連接線構(gòu)成。設(shè)計的軟連接尺寸為58×40mm，軟連接線由很多股線組成，實際的導(dǎo)電面積為480mm²。

過渡銅排模型是由Pro/E建立后導(dǎo)入到ANSYS，包括空氣區(qū)域的1/8圓柱型，通過對稱性以及設(shè)置磁場邊界條件，有限元分析中考慮到了臨近導(dǎo)電排的相互影響。

圖7 導(dǎo)體部分剖分圖 

   

圖8 電流分布圖

模型I：實際軟連接線之間有間隔，為研究方便，取尺寸56×40mm。

模型II：軟連接線寬度從56mm改為48mm（與軟連接線兩端導(dǎo)體寬度相同）。相比于模型I，這種情況下散熱面積減小，屬于保守情況。

模型III：軟連接線尺寸設(shè)定為56×8.57 mm，每個軟連接線看作整塊導(dǎo)體，其導(dǎo)電面積為480mm²，此情況屬于最保守情況。

圖7為模型I的導(dǎo)體部分的剖分圖，圖8是模型I電流密度計算結(jié)果圖。

從結(jié)果可以看出，受到集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)的影響，電流主要分布在結(jié)構(gòu)件兩側(cè)，其中過渡銅排拐點處的電流密度最大。把電磁場分析中的損耗密度作為熱源，利用ANSYS軟件進行了熱分析，模型周圍是空氣，環(huán)境溫度為40℃、屬于空氣自然對流情況。

表2給出了對3種模型的計算結(jié)果，表中的導(dǎo)電面積S與散熱面積Sc分別為單個軟連接線的數(shù)據(jù)，損耗為模型導(dǎo)體中的總損耗。

 

表2  兩種模型計算結(jié)果比較

	導(dǎo)電面積S （mm2）	散熱面積Sc（mm2）	損耗（W）	溫升（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

與模型I相比，雖然模型II中軟連接線的導(dǎo)電面積變小，使得軟連接線中的平均電流密度略有增加，但由于連接線之間的間隔增加，渦流效應(yīng)得到減弱，總損耗基本不變。由于散熱面積減小，溫升略有提高。

雖然模型III中軟連接線的導(dǎo)電面積遠小于模型I，但是因為受到集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)的影響，電流都集中分布在導(dǎo)電排的兩側(cè)，所以在定子電流相同的情況下，兩種結(jié)構(gòu)中的損耗相差不大，而模型I的表面散熱面積比模型III大。

鑒于最保守保守模型III計算出的溫升值40.75K離溫升限值仍有較大裕量，可以判斷設(shè)計的軟連接結(jié)構(gòu)不會造成過熱現(xiàn)象。

利用ANSYS有限元軟件對發(fā)電機與封閉母線之間軟連接線導(dǎo)電結(jié)構(gòu)進行了電磁-溫度耦合場分析，計算得出了導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的電流分布、損耗及溫度分布，計算結(jié)果表明導(dǎo)體的溫升屬于限值范圍，導(dǎo)體不會出線過熱現(xiàn)象，從而驗證了設(shè)計的軟連接結(jié)構(gòu)的合理性。

3.3 蝸殼外型對集電環(huán)冷卻離心風(fēng)扇性能的CFD研究

風(fēng)扇蝸殼的作用是將離開葉輪流出的氣體按一定方向?qū)С觯饬鞯牟糠謩訅恨D(zhuǎn)變?yōu)殪o壓。為了制造方便，離心風(fēng)扇的機殼普遍采用矩形截面。在離心風(fēng)扇中，蝸殼寬度B一般是不變的，而且有可能為葉輪寬度的數(shù)倍。因此，氣體流出葉輪后，由于流道截面突然增加，流速急劇改變，因此將產(chǎn)生損失；同時，由于氣流方向與蝸殼的相互作用，在蝸殼內(nèi)會產(chǎn)生沖擊、二次流及漩渦等，由此也會產(chǎn)生相應(yīng)損失。

本文中的集電環(huán)冷卻離心風(fēng)扇采用的是方型外罩，對風(fēng)扇的性能影響是明顯的。為此，作者采用了試驗和數(shù)值模擬兩種方式對其進行了研究。

根據(jù)試驗測得的數(shù)據(jù)，將模型風(fēng)扇分別采用蝸殼外罩和方型外罩時的全壓流量特性曲線繪制如下圖9所示：

 

圖9 模型風(fēng)扇全壓流量特性曲線對比

由上圖9可以看出：相同的試驗條件下，風(fēng)扇采用方型外罩和依據(jù)一元理論設(shè)計得到的蝸殼外罩，二者性能差別明顯：采用蝸殼外罩時，風(fēng)扇的最大流量可達0.63m³/s，此流量工況下對應(yīng)的全壓值為1637.8Pa；而采用方型外罩最大流量只能達到0.29 m³/s，此流量工況下對應(yīng)的全壓值為390.7Pa。采用方型外罩能達到的最大流量只有蝸殼外罩的46%,而在此最大流量工況下所能達到的全壓值只有蝸殼外罩的23.9%。

再比較相近流量工況點的性能：如二者都在流量約為0.24 m³/s的工況點下運行，采用方型外罩全壓升只能達到620Pa多一些，而采用蝸殼外罩則可以達到大約2150Pa,相差是非常明顯的，前者只有后者的28.8%。

下面將借助用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬得到的采用方型外罩時一特定流量下的速度及壓力圖，直觀的分析性能下降如此之多的原因：

第一：方型外罩在其四個邊角處存在低能流動漩渦區(qū)

圖10 方型外罩流量為0.24 m³/s時截面速度矢量圖及局部放大速度矢量圖

由上圖10可以看到：在蝸殼的四個邊角處各形成了大小不同的低能流動漩渦區(qū)域，從而造成了一定的能量損失，因此會導(dǎo)致風(fēng)扇在采用方型外罩時會有比采用蝸殼外罩時增加部分損失；

第二：方型外罩底部靜壓過大，導(dǎo)致部分葉輪做功能力喪失

圖11方型外罩流量為0.24 m³/s時截面靜壓云圖及局部放大速度矢量圖

由上圖11可以看出：在方型外罩的四個邊角處靜壓相對于風(fēng)扇進口和出口區(qū)域是比較大的，尤其是蝸殼底部區(qū)域更為明顯，這就會造成以下兩個結(jié)果：

(1)：空氣在風(fēng)扇的進口區(qū)域就直接向出口區(qū)域偏移，造成了進口區(qū)域氣流分布非常不均勻，這樣勢必會增加部分損失；

(2)：也是最重要的一點，使處在方型外罩左側(cè)底部的這部分葉輪喪失了做功能力，葉輪相當(dāng)于只是在空轉(zhuǎn)。

由上圖11中的局部放大速度矢量圖可以很明顯的看出：此部分葉輪出口區(qū)域，由于靜壓非常大，導(dǎo)致空氣無法流出，甚至有小部分產(chǎn)生了回流，這樣就使這部分葉輪喪失了做功能力。這是在旋繞動能損失的基礎(chǔ)上，造成采用方型外罩比蝸殼外罩性能明顯低下的另外一個原因。

綜合以上分析的兩個原因，所以導(dǎo)致了風(fēng)扇在采用方型外罩時，風(fēng)扇在相同流量的情況下，全壓升平均來看只占采用蝸殼外罩時的1/3左右。

3.4 定子壓圈強度分析

汽輪發(fā)電機定子鐵心兩端用非磁性齒壓片及非磁性整體大壓圈固緊。壓圈帶筋板以便放置銅屏蔽。通過定位筋上的螺紋桿，用螺母從兩端將壓圈、鐵心固緊成一整體。壓圈作為發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)中受力較大的一個零件，往往受到幾十噸以至幾百噸的裝配壓力，以及使用過程中由于電磁作用所引起振動力的作用。因此，在發(fā)電機設(shè)計過程中，壓圈和齒壓片的強度分析對于新產(chǎn)品的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。本文采用數(shù)值方法對壓圈和齒壓片的受力進行了分析討論。

采用Pro/E建立壓圈、齒壓片、墊片和部分硅鋼片鐵心的裝配模型，如圖12所示。將其CAD模型導(dǎo)入ANSYS軟件，設(shè)定單元類型，設(shè)置各部件的材料參數(shù)，并劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件和載荷，其CAE模型如圖13所示，共126794個單元和30823個節(jié)點。

圖12  壓圈和齒壓片的裝配模型

圖13  壓圈和齒壓片的CAE模型

進行靜力分析后，壓圈、熱軋反磁鋼和硬鋁板齒壓片的等效應(yīng)力云圖分別如圖14圖15，其最大等效應(yīng)力均小于對應(yīng)材料的屈服強度，故壓圈和齒壓片設(shè)計均能滿足發(fā)電機運行要求。

圖14壓圈等效應(yīng)力云圖 

 圖15齒壓片等效應(yīng)力云圖

3.5 400MW等級燃機離心式風(fēng)扇強度計算分析

400MW等級燃機采用離心式風(fēng)扇。這種整體鑄造的離心式風(fēng)扇，雖然效率較高，但由于采用三元流場設(shè)計，流道扭曲，風(fēng)扇的葉片為不規(guī)則扭轉(zhuǎn)曲面，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜；且風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子之間是過盈配合，必須先將風(fēng)扇進行熱膨脹，熱套后讓其自然冷卻從而抱緊轉(zhuǎn)子，該接觸屬于典型的高度非線性接觸問題。因此，采用Ansys有限元分析軟件對風(fēng)扇的強度進行校核。

為了模擬風(fēng)扇與轉(zhuǎn)子之間的過盈接觸，用Pro/E構(gòu)造出轉(zhuǎn)子模型的一段，并在轉(zhuǎn)子與風(fēng)扇的接觸面上加入0.6mm的過盈量。對風(fēng)扇與轉(zhuǎn)子進行裝配，詳細裝配件模型示意圖如圖16所示。

材料參數(shù)

風(fēng)扇：  彈性模量 E=190GPa ；泊松比 γ=0.26 ；密度 ρ=7.3×10^-6kg/mm³。

轉(zhuǎn)子：  彈性模量 E=210GPa ；泊松比 γ=0.28 ；密度 ρ=7.7×10^-6kg/mm³。

有限元模型

采用十節(jié)點四面體單元的網(wǎng)格類型對實體模型進行自由網(wǎng)格劃分，單元的控制尺寸為30mm。為了提高有限元模型的精度，對模型的接觸面和風(fēng)扇葉片處的網(wǎng)格進行細化，采用10mm的單元控制尺寸。整個結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖17。

約束及載荷

轉(zhuǎn)子前后斷面上施加軸向約束，前后圓柱面上施加cylinder support。對結(jié)構(gòu)整體施加3600rmp的角速度。

圖16扇與轉(zhuǎn)子裝配圖 

            

圖17扇與轉(zhuǎn)子有限元模型

 

分析結(jié)果

分析得到的等效應(yīng)力云圖參見圖18扇的最大等效應(yīng)力為716.719MPa,位于風(fēng)扇葉片的葉根部。風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)形變?nèi)鐖D19，其最大值為0.836mm。

 圖18等效應(yīng)力 

圖19結(jié)構(gòu)變形

從有限元計算分析來看，風(fēng)扇的葉片根部存在局部應(yīng)力集中，該處的等效應(yīng)力為716.719MPa。而風(fēng)扇鑄件采用沙漠鑄造，經(jīng)性能熱處理后，其屈服強度達到830MPa。因此計算驗證了風(fēng)扇的強度是足夠的。

4 結(jié)論

利用CAD進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的建模與采用CAE對結(jié)構(gòu)進行有限元分析是相輔相成的，通過將CAD建立的力學(xué)模型導(dǎo)入CAE進行分析研究，可以獲得精確的數(shù)值解，這是傳統(tǒng)的計算方法無法實現(xiàn)的；而通過對CAE得出的不同參數(shù)情況和工況的結(jié)果分析比較，為改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和設(shè)計提供了科學(xué)的指導(dǎo)方向，且反饋到CAD的產(chǎn)品模型中，為設(shè)計生產(chǎn)帶來極大的便利，增加了產(chǎn)品的技術(shù)含量。

借助于CAE進行交叉學(xué)科相關(guān)課題研究具有重要的現(xiàn)實意義，例如電磁場與溫度場的耦合分析、熱力學(xué)與流體場耦合分析等對于大型汽輪發(fā)電機具有重要的應(yīng)用價值。

 

參考文獻:

[1] 大型汽輪發(fā)電機設(shè)計、制造與運行   汪耕、李希明等   上海科學(xué)技術(shù)出版社   2000.11

[2] CAE在大型汽輪發(fā)電機設(shè)計研究中的應(yīng)用  汪耕、咸哲龍等

 

作者簡介:

黃磊：2005年3月畢業(yè)于上海交通大學(xué)工程力學(xué)系，獲碩士學(xué)位，2005年至今在上海汽輪發(fā)電機有限公司從事汽輪發(fā)電機機械設(shè)計研發(fā)工作，主要研究方向為CAD/CAE。

完成應(yīng)用實例3.1“空冷180MW發(fā)電機定子鐵心強度計算”部分。

來源： 數(shù)字仿真聯(lián)盟