Page 94 - 电力与能源2021年第五期

第 42 卷第 5 期
电力与能源
5 8 6 2021 年 10 月

DOI : 10.11973 / dl y n y 202105019
发电技术

混流式水轮发电机转轴结构应力分析方法

邓亚新 , 顾承庆 , 李 俊 , 段 鹏 , 蒋 鹏 2
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1
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1
( 1. 国网新源水电有限公司新安江水力发电厂, 浙江 建德 311608 ; 2. 上海明华电力科技有限公司, 上海 200090 )
摘 要: 结合理论计算、 现场应力测试和有限元数值模拟 3 种方法对某电站混流式水轮机发电机转轴的应力
状态进行分析, 实现对转轴各工况下应力状态的模拟计算和实时监测。转轴最大应力位置位于下部变截面
处, 其扭转切应力的应力集中系数约为 1.30 , 等效应力的应力集中系数约为 1.32 。
关键词: 转轴; 应力测试; 有限元; 水轮发电机
作者简介: 邓亚新( 1982 —), 男, 高级工程师, 主要从事水力发电设备技术管理工作。

中图分类号: V263.6 文献标志码: A 文章编号: 2095-1256 ( 2021 ) 05-0586-04
StructuralStressAnal y sisMethodforRotatin g ShaftofH y dro-turbineGenerator

1 1 , 2 2 , 2
DENG Yaxin , GUChen gq in g LIJun , DUANPen g JIANGPen g
( 1.StateGridXin y uanH y dro p owerXin'an j ian gH y dro p owerStation , Jiande311608 , Zhe j ian gProvince , China ;
2.Shan g haiMin g huaElectricPowerScience& Technolo gyCo. , Ltd. , Shan g hai200090 , China )

Abstract : Incombinationwiththeoreticalcalculation , stresstestandfiniteelementnumericalsimulation , this
p a p eranal y zesthestressstateoftherotatin gshaftofaturbineg enerator , andrealizesthesimulationcalcula-
tionandreal-timemonitorin g forthestressstateoftherotatin gshaftundervariousworkin gconditions.The
maximumstress p ositionisatthevariablecross-sectionofrotatin g shaft , thestressconcentrationcoefficientof
torsionalshearstressisabout1.30 , andthatofmisesstressisabout1.32.
Ke ywords : rotatin gshaft , stresstest , finiteelement , h y dro-turbineg enerator

在水轮发电系统中, 发电机转轴是转换能量 发电机转子及推力头组成。水流冲击水轮机, 带
和传递扭矩的主要部件, 其机械性能与安全状态 动水轮机转动, 通过法兰连接将扭矩传递给水轮
直接影响机组的安全运行和寿命, 转轴的安全状 机转轴, 带动水轮机转轴转动。发电机转轴结构
态又直接由其应力状态和材料性能决定, 因此分 如图 1 所示, 通过法兰连接水轮机转轴同时传递
析转轴的应力状态是十分必要的。目前, 对水轮 扭矩, 再通过转轴轮毂将扭矩传递给发电机转子,
发电机转轴安全状态分析主要集中在振动状态和 带动转子转动, 轮毂与发电机转轴通过热套连接。
动力特性方面 [ 1 ] , 而对转轴的应力状态分析则相 发电机转轴上端具有一卡槽, 通过卡槽连接推力
对较少。目前转轴应力分析的主要方法有传统理 头, 通过推力头将转轴及相关设备重量和水推力
论计算法、 数值模拟计算法和现场应力测试法, 并 传递到机架上。机组额定功率 95MW , 额定转速
且多数为转轴特定状态下的静态分析 [ 2-5 ] , 缺少对 155r / min , 发电机轴近法兰处内外径分别为 300
机组启动、 甩负荷、 变负荷、 停机等各个工况下转 mm 和 900mm , 发电机 轴 近 法 兰 处 下 部 质 量 为
轴的应力状态分析。本文结合理论计算、 应力测 40000k g 。
试和数值模拟 3 种方法, 实现对某电站水轮发电
2 转轴应力理论计算
机转轴全工况下的应力状态分析和实时监控。
不考虑转轴偏心带来的偏心弯矩, 发电机转
1 转轴结构参数及其受力分析
轴应力主要由扭矩产生的扭应力、 重力和水推力
该电站为混流式水轮发电机组, 其发电机转 产生的轴向应力组成。不考虑发电损耗, 转轴的
轴系统主要由水轮机、 水轮机转轴、 发电机转轴、 扭矩可通过式( 1 ) 和式( 2 ) 计算得出; 由扭矩产生