基于Pro/E和ANSYS的发电机转子横截面的应力分析

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Section Based on Pro/E-ANSYSZHOU La-wuH，XU Chao ，HU Xue-ting ，Su Qing-jie。，HOU Shao-hu ，TANG Hui(1.Colege of Electrical and Information Engineering。Hunan Univ-ChangshatHunan 410082，China；2.Hunan Lingling Hengyuan Generating Equipment Co..Ltd.。Yongzhou-Hunan 425000-China)Abstract：The unit single capactity of the horizonta1 hydraulic turbine-generator unit exported to Viet-Dam has the rated power of 6 750 kW and rated speed of 1 000 r/min，which has the characteristic of largeunit single capacity and high rotation speed，etc.After briefly introducing the structure characteristics ofthe rotor part，the methods of establishing Pro/E model and analyzing finite element were presentedthrough the example of stress analysis of generator rotor cross section under condition of rated and runa-way speed，and the computed results were analyzed and summarized.In the analysis process，the Pro/Emodeling integrated with ANSYS simulation was realized，model establishment and finite element analysiswere finished by the software.The results show that the structures of main shaft and magnetic poles reachthe design requirements.Compared with the traditional calculation method，its precision can better satisfythe engineering demand，and the efficiency is highed。

Key words：hydraulic turbine-generator unit(HTG)；spindle poles；stress analysis；Pro/EANSYS收稿日期：2012-07-I1基金项目：国家国际科技合作专项项 目(2011DFA62890)作者简介：周腊吾(1965-)，男，湖南浏阳人，湖南大学教授，博士生导师十通讯联系人，E-mail：346038405###qq.corn62 湖南大学学报(自然科学版)目前，在水电设备制造业中，大容量、高转速卧式水轮发电机组的成功研制、开发，在国内极为少见.越南水电站 6 750 kW、1 000 r/rain的水轮发电机组是我国出口的最大容量的卧式高速混流式水轮发电机组L].为优化机组结构、提高效率，转子部分采用主轴、磁轭整体锻造 ，磁极 采用鸽尾和斜键 固定 ，以及两轴承布置方式 (水轮机与发电机共用-根主轴).文献E2-1研究表明了大容量、高转速意味着，在相同的功率情况 下，机组结构 紧凑 ，尺寸相对较小，机组成本低，经济效益显著，备受广大用户欢迎。

在中高水头的水力资源开发中，高速卧式水轮发电机组是-种结构简单、性能优良、安装维护方便的机型.相对立式机组而言，它可降低厂房高度，减少电站开挖，降低电站投资；在安装、使用、维修、保养上比立式机组方便。

随着机组的大型化、高速化 ，卧式机组的主轴及磁极的结构设计[3 成为整个项目开发的关键技术之-. 文献[-4-]表明：发电机主轴及磁极受力非常复杂，以往大多数都是用公式进行计算.传统的经验设计和模仿方法已经不能满足机组的设计精度.本文利用 Pro/E建模 和 ANSYS进行有限元6 分析计算，在保证轴系刚度、轴系的临界主速等满足要求的条件下，采用了两轴承布置方式L7]，并模拟机组的受力特性，获得了转子横截面的应力分布规律.该方法可以推广到其它高速旋转零部件的精确计算。

1 水轮发电机组主轴及磁极模型的建立本文涉及的卧式发电机组转子的主要外形尺寸如表 1所示。

表 1 转子主要外形尺寸Tab.1 The main dimensions of the rotor mm发电机的转子外缘在飞逸转速时的单位质量的离心力--离心力系数，它是衡量转子结构设计难易程度的-个指标.当离心力系数达到2 000以上时，设计时对转子的结构应力必需特别加以关注.已知：r 2ck 11.2 )D r， (1)式中：C 为飞逸转速时转子外缘的离心力系数；N 为发电机的飞逸转速 ，r/min；D 为发电机转子外径 ，cm。

该机组的飞逸转速达到 1 720 r/min，其离心力系数达到约 4 062，由此可见转子的设计是机组的难点之-。

通常转速大于 750 r/rain的机组，转子采用主轴、磁轭和极身整锻加工，其加工量大，周期长，精度要求高.按照目前的技术和原材料水平，通过对几种方案的分析 比较 ，最终确定主轴、磁轭整体锻造，磁极采用鸽尾和斜键固定的结构.三维实体模型如图1所示.主轴与磁轭采用锻钢 35CrMo整体锻制，磁极 冲 片 采 用 WDEL450，磁 极 压 板 采 用 锻 钢40CrNiMo锻制。

利用 Pro/E建模软件建立主轴及磁极的横截面模型，并将不需要的细节尽量简化，比如分析中不需要的倒角或圆角等，以保证模型的精简，减少模型改变的可能性.横截面模型如图2所示。

图 1 机组 主轴及磁极三 维实体模型Fig.1 Three-dimensional model of the rotor and poles图 2 机组转子横截 面模型Fig.2 Cross section model of the rotor2 Pro/E模型导入 ANSYS及前处理2.1 Pro/E模型导入 ANSYSIO.0中在默认状态下 ANSYS不能直接对 Pro/E中的Prt(或 asm)文件进行直接转换.但是 ANSYS软件安装选项 中包含与 Pro/E软件的接 口拈Connection for Pro/Engineer”.此拈不仅能将Pro/E模型数据直接转换给 ANSYS，同时也提供了以执行部件为基础的参数优化设计功能.该功能允许从建立 以部件为基础 的参数化 Pro/E模 型开第 4期 周腊吾等：基于 Pro/E和 ANSYS的发电机转子横截面的应力分析 63始，用 ANsYs程序对其进行优化，并以-个优化的模型结束，而且仍是以部件为基础的参数化模型。

2.2 分析前处理转换成功后，在 ANSYS中对模型进行单元属性定义、划分网格、施加载荷与边界条件，然后求解计算 ，有限元分析过程8 如图 3所示。

中利用GUI操作方式在结构 1/6边界施加对耦约束，主轴两端为刚性支承.根据离心力 F计算公式F - mo。r， (2)式中：m 为磁极 以及磁极线圈的重量 ，kg；r为转子外径-磁极高度/2，m；∞为飞逸转速，r/rain；计算出单个磁极等效离心力 F4.13×10 kN。

分别在 6个磁极极靴处施加磁极线圈等效离心压力.建立的最终计算模型如图4所示。

图 4 转子横截面有限元计算模型Fig.4 Finite element calculation modelof the rotor cross section图3 ANsYs有限元分析基本步骤 3 额定与飞逸工况下的应力分析Fig.3 Basic steps of the ANSYS finite element analysis水轮发电机组转子部分基本性能参数要求如表2所示。

表 2 转子基本 性能参数要求Tab.2 The basic performance parameters of the rotor名称 参数值 名称 参数值额定转速 1 000 r/min 磁极冲片材质飞逸转速 1 720 r/min磁极冲片材质屈服极限每个磁极重量 1 040 kg 主轴材质每个磁极线圈质量 231 kg 主轴材质屈服极限钢板WDEL450450 MPa锻钢 35CrMo390 MPa有限元计算模 型采用 PLANE 182单元 模拟 ，单元行为设定为平面应变.定义发电机转子材料属性：杨氏弹性模量 E-2.06×10 MPa，泊松系数-0.3，密度 p-7 850 kg/m。。

ANSYS提供了使用方便、高质量的模型网格划分的功能.常用的模型网格是 自由网格(free rues-hing)和映射 网格 (mapped meshing)2种不 同的方法，映射网格包含的单元必须满足特定的要求，网格形状规则，排列整齐，计算精度较高，但要求平面形状规则.和映射网格相比，自由网格对包含的单元无限制，计算精度较低.本文采用平面切分对象后映射网格划分模型。

根据结构周期对称性及受力特 ，在 ANSYS在 ANSYS的求解器中设定求解选项，进行求解.分别计算额定与飞逸工况下主轴及磁极的应力分布和径向变形分布.结构应力分布如图 5所示，结构径 向变形分布如图 6所示。

图 5 转子横截 面结构应 力分布Fig.5 Stress distribution of the rotor cross section霉图 6 转予横截 面结构径 向变形分布Fig.6 Deformation distribution of the rotor cross section根据以上应力分布和结构分布图，及选取应力区的节点观察结果，汇总计算数据如表 3所示。

64 湖南大学学报(自然科学版) 2013钲表 3 计算结果汇总表Tab.3 Table of calculation resuits从表 3可以看出，飞逸工况下转子结构最大应力为 424.547 MPa，已经超 过 材质 屈服 极 限 390MPa，现在利 用 ALSTOM 经典 POLEDES计算公式中的低周疲劳计算公式计算机组起停机次数。

- 390 MPa， (3)- -O'u， (4)盯s0- 0.54a 0.46ao(当 > 1时 )， (5)e - 警10[-0]， (6)E - 2.06e5 M Pa， (7)NA- e。·31 31n ·951n 。-/10. (8)式中： 。为主轴材质屈服极限 ，MPa；为考虑应力集 中后结构最大综合应力 ，MPa；E为弹性模量 ，MPa；NA为允许起停机次数。

j l I lj l I l l l I lI f f I l、 l l l l、 l f I I、 l l I ll I l l l I l II l e/图 7 机组起停机次数计算曲线Fig.7 Calculated curve of the HTG numberof starting and shutdowns由图7曲线可以看 出，飞逸工况可运行次数NA(e)为63 210次，结构满足实际使用要求。

4 结 论1)该两支点卧式水轮发电机组转子部分结构简单、性能优良.相对立式机组而言，它可降低厂房高度，安装、维护费用低，降低电站投资。

2)根据有限元计算的数据分析得出，额定及飞逸工况下，磁极应力安全系数分别为 3.45和 1.31；额定工况下主轴结构安全系数为 2.41；磁极外径最大径 向变形为 0.626 nlm.飞逸 工况可运行次数 为63 210次.该发电机组 的主轴及磁极结构满足实际使用要求。

3)介绍 了利用 ANSYS进 行有 限元 分析 的方法，能够更好地利用已有的 CAD图形资源.与传统计算方法相比节省 了大量建模时间，且具有较好的计算精度.为相关产品的设计和研究提供了计算分析手段。