Page 95 - 电力与能源2021年第五期

邓亚新, 等: 混流式水轮发电机转轴结构应力分析方法 5 7
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用储存卡保存, 待停机后再传输至计算机。应力
测试工况包括机组启动、 空转、 加负荷、 甩负荷、 稳
态运行 和 停 机, 其 中 甩 负 荷 包 括 甩 25% 负 荷、
50% 负荷、 75% 负荷和 100% 负荷。
机组开机启动瞬间有冲击效应, 转轴应变值
与机组负荷成正相关, 甩负荷应变变化值要大于
相应负荷下的应变值; 转轴轴向应变非常小, 相对
于扭应变可忽略不计。考虑转轴受力状态为拉扭
图 1 发电机转轴结构简图
组合, 测得转轴应变值后, 由式( 6 ) 和式( 7 ) 可计算
的切应力可通过式( 3 ) 和式( 4 ) 计算得出; 由式( 5 )
得出转轴的轴向应力和扭转切应力, 由式( 8 ) 和式
可计算得出转轴的轴向应力。
( 9 ) 计算得出转轴轴向拉力和扭矩。
Tn
P =Fv =Tw = ( 1 ) σ=Eε 90° ( 6 )
2π
E ( ) ] ( 7 )
T ( Nm ) =2π P ≈9549 P ( 2 ) τ= 2 ( 1+ μ ) [ 2ε 45° - 1- μ ε 90°
n n
1
式中 T ———扭矩; P ———机组发电功率; n ———转 F = Aσ = πD ( 1- α ) Eε 90° ( 8 )
2
2
4
轴转速。 πD E ( 1- α )
4
3
) ] ( 9 )
(
T = [ 2ε 45° - 1- μ ε 90°
Tr 32 ( 1+ μ )
τ ( r ) = ( 3 )
I p ——— 45° 方向应变, 应
式中 ε 90° ———轴向应变; ε 45°
D 变值等 同 于 扭 应 变; E ———转 轴 材 料 弹 性 模 量;
T
TR 2 16T
τ max = = = 3 4 μ ———转轴材料泊松比; F ———轴向拉力; T ———扭
4
4
I p π ( D -d ) πD ( 1- α )
32 矩, 轴向拉力减去测点以下部件的重力即为轴向
( 4 ) 水推力。
———转 轴 极 惯 性 矩; 由测试结 果 计 算 可 得, 在 额 定 功 率 95 MW
式 中 τ ———切 应 力; I P
D ———转轴 外 径; d ———转 轴 内 径; α ———内 外 径 时, 转轴近法兰处外壁切应力为 42.0 MPa , 与理
之比。 论计算结果基本一致。
G+F
σ= ( 5 ) 4 有限元数值模拟
A
式中 σ ———轴向应力; G ———计算部位以下的轴 根据转轴设计结构图, 采用 Solidworks建立
及相关设备的重力; F ———水推力; A ———计算部 转轴的三维几何模型, 如图 2 所示。采用 ICEM
位轴横截面积。 划分网格, 导入 ANSYS 进行有限元模拟计算, 转
法兰与轮毂热套接触面之间的转轴, 承受了 轴计算网格模型如图 3 所示。
全部的扭矩, 由式( 2 ) 和式( 4 ) 可计算得额定功率 根据对转轴的受力分析, 其转轴模拟分析边
下外壁切应力为 41.4 MPa ; 当水推力为 0 时, 由 界条件施加如下: ① 法兰端面施加轴向约束和轴
式( 5 ) 可计算其轴向应力为 0.69MPa 。 向拉力; ② 推力头卡槽上端面施加轴向约束; ③ 轮
毂热套接触面施加均布扭矩; ④ 转轴整体施加轴
3 转轴应力测试
向重力加速度。边界条件中施加的转轴扭矩和轴
采用电测法, 沿轴向( 90° 方向) 和 45° 方向贴 向拉力均由现场应力测试结果计算得出。
电阻应变片, 测试转轴的扭应变和轴应变, 贴片部 模拟计算所得额定功率下转轴应力分布图如
位在法兰与轮毂热套接触面之间, 如图 1 所示。 图 4 所示。转轴应力最大处位于转轴下部变截面
在测试过程中转轴是转动的, 此应力测试装置不 处, 此 处 存 在 应 力 集 中, 最 大 切 应 力 为 58.84
同于常规的测试装置, 装置需固定在转轴上随轴 MPa , 最大等效应力为96.45MPa 。由图4 可知,
转动, 因此装置需小型化且避免外接引线。本测 转轴轮毂接触面以上部位应力值非常小, 接近于
试装置采用可充电锂电池进行供电, 数据采集采 0 ; 这是因为转轴此处位置的扭矩为 0 , 转轴此处