CAE在大型汽轮发电机设计研究中的应用

1、CAE在大型汽轮发电机设计研究中的应用汪耕，咸哲龙，陈珠夸，黄磊，钟后鸿，刘明慧（上海汽轮发电机有限公司）摘要：随着汽轮发电机单机容量的不断增大，发电机的局部过热、振动、疲劳等诸多问题越来越受到重视。本文通过CAE技术在上海汽轮发电机有限公司（上海电机厂）的典型应用实例，介绍了CAE技术在大型汽轮发电机设计领域中的应用现状。关键词：CAE，汽轮发电机，百万千瓦级，有限元一、引言国民经济的发展，人民生活的提高，都离不开电能。到目前为止中国和全世界的发电量中约80是由汽轮发电机提供的。到2005年底，中国大陆发电设备总装机容量达到5.0841亿千瓦1，居世界第二，其中约75是国产的。火电（亚临界）

2、650MW以下容量机组，国内各大制造厂均能批量生产，并能掌握自主知识产权，但是现在发展1000MW级火电和核电机组要依赖进口。近23年来，我国汽轮发电机组制造转变为以300MW、600MW容量为主。据电力规划设计总院分析2，电站建设每千瓦投资采用600MW机组要比300MW机组降低23.78（同是亚临界机组），到2006年6月底为止，上海已接到1000MW级汽轮发电机订单12台。我国新一代核电机组正在向全世界招标过程中，其单机容量为1100MWe1800MWe。发电机单机容量增大，发电机的体积、重量、长度都不可能按比例增大，发电机的输出电压提高，发电机的电磁负荷也大幅度提高，发电机内相关部位的

3、电场强度、电磁场分布及温度场分布、机械应力都必须有更精确、有效的分析方法和采取相应的有效措施，才能避免发电机内部产生电晕、温度过高或局部过热、振动、疲劳等诸多问题。20世纪70年代，我国科技人员就在汽轮发电机设计研究中开始应用计算机辅助计算与分析，80年代我国引进了美国西屋公司300MW、600MW汽轮发电机制造技术时也相应引进了其相关的计算机程序，并进行了消化吸收。20世纪90年代，我们将引进300MW、600MW汽轮发电机优化设计中变更或需验证的项目20余项列入机电部国产化科研攻关和上海市14项科技结合生产重点攻关，与大学或科研机关结合，其中有不少我国自己开发出来的计算机软件、程序，后来得

4、到实际应用。近年来，上海电机厂、上海汽轮发电机有限公司又购买了美国ANSYS有限元通用计算软件、ANSOFT电磁场有限元计算软件和PRO/E三维建模软件，还与大学合作应用Fluent等CAE软件。现简介上海汽轮发电机有限公司（上海电机厂）CAE技术在大型汽轮发电机设计研究中应用的几个例子。二、CAE技术在大型汽轮发电机设计研究中的应用实例2.1 发电机空载、满载励磁电流的计算额定励磁电流是发电机的主要运行参数之一。过去，一般通过电势磁势图来确定励磁电流，对于小型发电机，磁路饱和程度不高，通过此方法所得的结果能满足工程精度要求。但对于大容量发电机，负载时磁路呈现高饱和，由于气隙磁势、转子漏磁的计

5、算偏差和直、交轴之间出现磁耦合，此方法便会产生明显的误差3。另外，一些发电机采用单边偏槽，磁势对于转子极心不对称，这种特殊磁路所带来的影响等问题还需要具体分析。用于核电的半速与全速隐极式发电机在转子磁路上有较大差别，手算方法进行相当程度的简化处理以获得解析公式，导致误差的增大，因此需要更有效的分析手段。如果采用CAE技术，不仅模型更符合实际情况，而且可以保证工程精度。上海汽轮发电机有限公司利用ANSYS有限元软件计算百万级四极发电机空载、满载励磁电流是一个典型实例。 图1 空载磁场分析结果 图2 额定负载磁场分析结果 图1、图2分别给出了利用ANSYS软件计算得出的一台百万千瓦级核电四极发电机

6、的空载、额定负载时的磁场分布图。根据气隙磁密波形，计算得出空载及满载工况下的励磁电流值。表1为有限元方法计算结果、西屋公司设计值、引进程序计算结果的比较。实例表明，借助于CAE软件对发电机空载、负载等工况下的电磁场进行计算，可获得足够精确的励磁电流设计值，而且还能获得气隙、转子、铁心内具体位置上的磁密分布，这对发电机的优化设计提供重要的科学依据。表1 计算结果比较ANSYS西屋设计值引进程序计算结果Ifo (A)2915无2909IfN (A)9180906090802.2 发电机端部结构件损耗及温升研究近年来，随着大容量汽轮发电机定子线负荷的不断提高，发电机端部区域磁密剧增，造成局部过热，影

7、响电机运行的可靠性。因此，分析研究端部磁场和结构件损耗已成为大型汽轮发电机设计及运行的重要问题之一。近30年来，国内外研究人员围绕这一专题做了大量的研究工作。但是，由于端部结构件十分复杂，致使端部磁场的计算变得十分困难。因此，至今这一专题仍然归属电机工程学术和工程界共同关注的研究难点与热点。 图3 短路工况下端部磁场分布 图4 短路工况下压圈温度分布 上海汽轮发电机有限公司（STGC）与浙江大学合作，应用CAE技术对百万千瓦级发电机端部磁场与结构件温升进行了研究，项目属于上海市科教兴市项目，其成果已通过鉴定。本研究在自行编制相应的Fortran计算程序的基础上，结合ANSYS商用软件强大的前、

8、后处理应用技术，对根据西门子引进技术研制的1000MW两极汽轮发电机空载、额定、短路和进相工况下端部三维耦合场进行了系统、深入的计算机仿真研究。其结果符合工程问题分析所需的计算精度。图3、图4分别为短路工况下的端部磁场分布图和压圈温度分布图。课题结果表明，其数学模型与分析计算方法的有效正确性，可为大型汽轮发电机的设计提供相应的工程判断与依据。 这项课题研究中，同时也发现通用的CAE软件在解决问题时存在的一些局限性。例如，目前大多数通用软件无法直接解决轴对称行波场问题，而如果采用全三维模型，其复杂程度又过大，计算精度往往得不到保证。这说明，在解决专业领域问题时，利用通用CAE软件的同时，需要结合

9、实际情况、基于专业理论开发出适合于专业问题分析的、具有自主知识产权的研究方法或软件。2.3 发电机内定子端部电场的计算随着近年来单机容量的快速增加，汽轮发电机额定电压也迅速提高到了27kV等级。线圈和铁心之间的空间内,存在分布极为复杂的高场强电场。当电场强度超过空气介质的起晕电压，就会出现电晕。电晕对发电机线圈和绝缘的破坏作用是显著的。一些国外先进大电机制造商率先采用线电压2627 kV的高压，对大型汽轮发电机的防晕拥有更多的分析成果和运行经验。但是，由于这部分的技术含量很高，当国内引进技术时，对方往往不会提供其核心技术。因此，我们必须在消化吸收国外先进技术的同时，自主创新，掌握和提高产品相关

10、核心技术能力。防止电晕产生是一个复杂的问题。传统理论虽提供了发电机端部等效电路模型，可以计算出特定部位（如线圈端部出槽口处）的电场强度的大小，却不能得出整个空间的电场分布，而且计算误差也比较大。1998年，上海汽轮发电机有限公司就和上海交通大学合作，对汽轮发电机端部电晕问题进行了研究，自主开发大电机电场防晕数值计算软件。借助于自行编制的软件，可以定量获得发电机端部电场，便于设计人员分析复杂的端部线圈电晕问题。同时研究了内屏蔽结构对端部电场防晕效果的影响。图5给出了一台1000MW级两极发电机端部电场的数值计算结果。在原有成果的基础上，2006年6月公司再次和上海交大合作，开展对汽轮发电机端部电

11、晕问题采用全三维模型进行有限元计算的课题。这是计算机辅助工程（CAE）在这一问题上的最新尝试。 图5 端部电场数值计算结果2.4 发电机定子铁心振动研究汽轮发电机中交变的电动力以及转子磁极旋转变化产生的磁拉力，都可能造成铁心振动，铁心振幅过大，将可能造成铁心局部松动，局部受热不均匀及绝缘破坏等后果。因此，开展定子铁心模态分析和振动研究十分必要。上海汽轮发电机有限公司已采用CAE软件对发电机机械性能进行了相关研究，并以此来改进发电机的结构和工艺。图6是采用PRO/E建立的定子铁心与夹紧环笼的装配图，把PRO/E中建立的模型导入ANSYS软件作为计算模型。有限元网格如图7所示，共55653个单元。

12、 图6 定子铁心与夹紧环笼的装配图 图7 1000MW级定子铁心ANSYS网格划分图8为1000MW两极发电机定子铁心固有频率的计算结果图。图9为电磁力作用下铁心的静力学分析图。根据求得的铁心椭圆型固有频率，经计算可获得铁心最大振动双幅值。表2分别给出了西屋程序、手算公式、有限元软件及实测结果。 图8 固有频率计算结果 图9 电磁力作用下铁心的静力学分析表2 1000MW级发电机计算值与实测值的比较计算内容西屋程序手算公式有限元实测值固有频率 (Hz)178.6229.2222.5203.4双幅振动 (m)4230.842.337.7 (平均值) 从以上结果可知，CAE技术在研究复杂结构的大型

13、发电机机械问题时具有较大优势。建立的三维有限元计算模型，更接近定子铁心的实际结构，从而更为准确地模拟了定子铁心的受力情况。本研究中采用了三维PRO/E建模与ANSYS结构分析计算软件相结合的研发手段，为设计、计算分析提供了极大方便，使得设计和工艺有了可靠的技术支持。2.5 发电机转子负序电流承载能力研究电力系统发生不对称故障时，发电机定子绕组中出现的负序电流会直接关系到汽轮发电机组的运行性能和安全稳定性。因此，大型汽轮发电机转子负序发热问题成为设计、制造部门共同关注的技术难点问题之一。由于发电机转子存在横向月牙槽，负序涡流场和温度场问题属三维问题。而且，汽轮发电机转子中多介质、非线性等因素，特

14、别是在研究瞬态负序时温度随时间变化的过程较长，这些都给分析增加了难度。近年来，随着电磁场数值计算理论和计算方法的不断发展和日益完善，应用电磁场数值计算方法研究大型汽轮发电机中的三维负序温度涡流耦合场已成为可能。2005年上海汽轮发电机有限公司和浙江大学合作，进行百瓦千瓦级两极发电机负序能力研究。对百万千瓦级汽轮发电机负序涡流场数值计算的数学模型建模，应用ANSYS软件计算汽轮发电机负序涡流场和温度场命令流开发，计算三维涡流温度耦合场的分析和计算。图10、图11分别给出了百万千瓦级汽轮发电机转子负序稳态温度场分布和暂态（I2t=6，I2/IN=12% ，t416 s）转子内的温度分布图。本次研究

15、课题在考虑了定子铁心和绕组的存在对汽轮发电机中实际温度场分布的影响，以及定子绕组的负序电流在周向是离散分布的特点，借助于CAE软件对不同瞬态负序电流工况下百万千瓦级汽轮发电机的瞬态负序运行能力进行了系统分析和大量的数值计算，得出了在工程中可供借鉴、判断的结论。图10 转子负序温度场计算结果稳态温度分布 图11 I2t=6（I2/IN=12%、t416s）转子温度分布2.6大机组与大电网相互作用动态仿真研究在国外，曾发生电网大扰动导致发电机组轴系严重损坏的事故。在国内，随着大容量机组的不断投运，此类故障也有发生。所以大机组大电网“机网相互作用”问题也引起国内业界的极大关注。我公司在90年代初，列

16、出“大机组与大电网相互作用动态仿真”课题进行研究，与上海交通大学合作自主开发了“机网相互作用动态仿真通用程序” （简称“机-网程序” ）和“轴系扭转疲劳损耗计算程序”（简称“疲劳损耗程序” ）。经过不断的完善和更新，此CAE软件已成为我公司计算发电机组在电网大扰动下，机-网相互作用轴系扭矩动态响应以及轴系疲劳寿命损耗的一种有效工具。“机-网程序”具有以下仿真计算功能：电力系统（交流）潮流；各种短路及开关误操作的动态过程；汽轮发电机组轴系动态力矩；冲击负荷引起的动态过程；五种励磁调节系统及PSS的作用；调速系统及气门快关的作用；输电线路的电磁暂态过程；发电机转子摇摆过程等。“疲劳损耗程序”是利用

17、“网-机程序”得到的机组轴系各断面扭矩时间曲线、轴系各断面的几何参数和材料参数，计算在某一故障或操作过程中，轴系扭转疲劳的积累和寿命的减少。“大机组与大电网相互作用动态仿真”成果，经过与IEEE的相关算例校核，结果完全相符，是我国在大电机、大电网相互作用研究领域的一个重要成果，既为实际生产服务，也为今后的进一步研究打下了坚实的基础。该课题成果已在多个工程中获得应用。三、结束语1CAE技术在大型汽轮发电机研发中发挥着越来越重要的作用。CAE技术应用于发电机的电磁、机械、热分析、流体等领域的研究，可以获得满足工程精度的计算值，对发电机的设计、故障分析提供科学理论依据，从而保证发电机的安全可靠运行。2对于国内外相关领域的CAE软件及方法，还要进一步消化吸收。目前，既有通用的CAE软件也有针对性很强的专业CAE软件，它们大多有各自的优缺点。在这些软件的功能、使用方法的掌握等方面，还需投入更多的人力和物力。3在消化吸收相关软件的基础上，争取更进一步产学研结合，针对大型发电机行业专题的需要，掌握CAE技术在具体问题中的应用思路和方法，努力开发出结合专业专题的自主创新软件