一种大型汽轮发电机定子铁心振动数值计算方法

摘要

本发明涉及一种通过计算机的数值模拟来分析大型汽轮发电机定子铁心振动的计算方法，可用于汽轮发电机定子铁心的振动性能研究，其特征在于，大型汽轮发电机定子铁心的简化模型，发电机定子铁心磁拉力的计算与转换，函数加载方式，谐响应分析后的结果处理，可直接求得定子铁心在倍频或其它频率的径向、切向及其代数位移响应，也可得到其径向位移、切向位移及代数位移的频响曲线。与以前的计算方法相比，本发明的优点是采用函数加载将更加准确快捷；通过谐响应分析技术计算定子铁心的稳态受迫振动，可预测大型汽轮发电机定子铁心的持续动力特性，从而验证其设计能否成功地克服共振、疲劳，及其他受迫振动引起的有害效果。

主权项

1.一种大型汽轮发电机定子铁心振动数值计算方法，其特征在于，建立大型汽轮发电机定子铁心计算模型，求解后进行结果分析，其方法和步骤为：第一步.模型简化按大型汽轮发电机定子铁心图纸采用CAD计算机辅助设计软件Pro/E建立简化定子铁心模型，包括定子轭部与齿部、夹紧环和弹簧板；忽略定子线圈的刚度，将定子铁心计算模型简化为一个不含线圈、风道的定子铁心，其三维模型即通过弹簧板固定的含有内齿槽的铁心；第二步.模型导入将CAD模型导入CAE计算机辅助分析软件ANSYS，运行于IBM服务器上；第三步.材料模型在CAE软件中，建立铁心、夹紧环及弹簧板的弹性模量、泊松比和密度；第四步.边界条件在轴向对称边界上施加轴向固定约束，在每个弹簧板的轴向端面施加固定约束；第五步.载荷施加铁心受到电磁力的作用，电磁力在空间沿着铁心内表面圆周不同的位置呈余弦分布，且随着转子旋转角速度而旋转，即随时间变化，由于铁心的齿顶磁密不可用于计算电磁力，故需将气隙处的具有次数为r的随圆角θ＝ωt变化的压力载荷转换到铁心外表面和支持筋处，采用函数加载方式，其计算过程如下：气隙中心线处压力载荷P随圆周角θ＝ωt分布的表达式为：P＝P0+P2cos2Nθ式中，N为极对数，P0为铁心内表面的应力恒定分量，P2为铁心内表面的应力基频分量其中P0、P2由发电机的有关参数所决定：$P_0=\frac{1}{3\pi }{B}_{\max }^2(3\pi -4{\theta }_0)\frac{1}{{2\mu }_0}$ P_2=\frac{1}{2{\mu }_0}\frac{B_{\max }^2}{{\mathrm{\pi \theta }}_0}(2\cos 2{\theta }_0-\frac{{\sin 2\theta }_0}{{\theta }_0})式中，\theta 0：极中心线到大齿的弧度(距离)，$ {\theta }_0=\frac{\mathrm{QR}}{4\mathrm{QRP}}·2\pi QR：转子槽数QRP：槽分度数Bmax：气隙磁密\mu 0：空气磁导率，\mu 0＝4\pi \times 10-7\; 实际上铁心外表面处随圆周角\theta 分布的压力载荷PW(指向圆心)应小于气隙处压力载荷，可由下式求得：$ P_w=P\times \frac{D_{\mathrm{ro}}+G_s}{D_{\mathrm{so}}}式中，Dro：转子外径Gs：定子与转子间的单气隙Dso：铁心外表面直径支持筋外表面处随圆周角\theta 分布的压力载荷PW1(指向圆心)应小于气隙处压力载荷，可由下式求得：$ P_{w1}=P\times \frac{D_{\mathrm{ro}}+G_s}{D_{\mathrm{jo}}}式中，Djo：支持筋外表面直径第六步.网格划分根据铁心及其零部件的结构，定义单元类型和网格划分原则，实施网格划分将定子铁心模型离散为数值模型；第七步.设定求解选项并求解由于将电磁交变力假定为持续的周期载荷，那么在发电机铁心中会产生持续的周期响应，采用谐响应分析方法确定铁心在承受随时间按余弦规律变化的载荷时的稳态响应，根据电网频率及其倍频设定激振载荷的频率范围和频率步，在ANSYS中设定求解选项后，进行分析计算；第八步.结果分析计算完成后，通过结果处理获取铁心在多个频率下的位移，得到位移响应对频率的曲线，基于计算结果分析定子铁心振动性能。$$$$$