CAE在大型汽轮发电机预设研讨中的应用

1、 ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,1,CAE在大型汽轮发电机预设研讨中的应用, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,2,一、引言国民经济的进展，每人民的生计活的增长，都离不开电能。到到现在为止截止中国和全球的发电量中约80是由汽轮发电机供给的。到2005年根，中国大陆发电设施总装机容积达到5.0841亿功率单位1，居世界第二，那里面约75是国产的。火电（亚临界）650MW以下容积机组，国内各大制作厂均能批量出产，并能掌握自主知识产权，不过如今进展1000MW级火电和核能发电机组要倚赖进口。近23年来，我国汽轮发

2、电机组制作转变为以300MW、600MW容积为主。据电力计划预设总院剖析2，电站建设每功率单位投资认为合适而使用600MW机组要比300MW机组减低23.78（同是亚临界机组），到2006年六月终截止，上海已接到1000MW级汽轮发电机订单12台。我国新一代核能发电机组正在向全球招标过程中，其单机容积为1, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,3,100MWe1800MWe。发电机单机容积增大，发电机的大小、重量、长度都没可能按比例增大，发电机的输出电压增长，发电机的电磁载荷也大幅度增长，发电机内有关部位的电场强度、电磁力场散布及温度场散布、机械应力都务

3、必有更非常准确、管用的剖析办法和采取相应的管用处理办法，能力防止发电机内里萌生电晕、温度过高或部分过热、振荡、疲乏等好些个问题。20百年70时代，我国科学技术担任职务的人就在汽轮发电机预设研讨中着手应用计算机匡助计算与剖析，80时代我国引进了美国西屋企业300MW、600MW汽轮发电机制作技术时也相应引进了其有关的计算机手续，并施行了克化借鉴。20百年90时代，我们将引进300MW、600MW汽轮发电机优化预设中改变或需证验的项目20余项列入机电部国产化科学研究攻关和上海市14项科学技术接合出产重点攻关，与大学或科学研, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划

4、书,4,究扳机接合，那里面有不少我国自个儿研发出来的计算机软件、手续，后来获得实际应用。近年来，上海电机厂、上海汽轮发电机有限企业又购买了美国ANSYS有限元通用计算软件、ANSOFT电磁力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企业（上海电机厂）CAE技术在大型汽轮发电机预设研讨中应用的几个例子。二、CAE技术在大型汽轮发电机预设研讨中的应用实际的例子2.1 发电机空载、满载励磁电流的计算定额励磁电流是发电机的主要运行参变量之一。以往，普通通电流通过势磁势图来确认励磁电流，对于小规模发电机，磁路达到最高限度程度不高，经过此办

5、法所得的最后结果能满意工程精密度要求。但对于大容积发电机，负载时磁路闪现高达到最高限度，因为气隙磁势、转子漏磁的计算偏差和直、交轴之间显露出, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,5,来磁耦合，此办法就会萌生表面化的误差3。额外，一点发电机认为合适而使用单边偏槽，磁势对于转子极心错误称，这种特别磁路所带来的影响等问题还需求具体剖析。用于核能发电的半速与全速隐极式发电机在转子磁路上有较大区别，手算办法施行相当程度的简化处置以取得解析公式，造成误差的增大，因为这个需求更管用的剖析手眼。假如认为合适而使用CAE技术，不止板型更合乎实际事情状况，并且可以保障工程

6、精密度。上海汽轮发电机有限企业利用ANSYS有限元软件计算一百万级四极发电机空载、满载励磁电流是一个典型实际的例子。 图1、图2作别给出了利用ANSYS软件计算做出的一台一百万功率单位级核能发电四极发电机的空载、定额负载时的磁力场散布图。依据气隙磁密波形，计算做出空载及满载工况下的励磁电流值。表1为有限元办法计算最后结果、西屋企业预设值、引进程项序计算最, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,6,后结果的比较。实际的例子表明，借助于CAE软件对发电机空载、负载等工况下的电磁力场施行计算，可取得足够非常准确的励磁电流预设值，并且还能取得气隙、转子、铁心内具

7、体位置上的磁密散布，这对发电机的优化预设供给关紧的科学根据。表1 计算最后结果比较 ANSYS 西屋预设值 引进程项序计算最后结果 Ifo (A), ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,7,2915 无 2909 IfN (A) 9180 9060 9080 2.2 发电机端部结构件伤耗及温升研讨近年来，随着大容积汽轮发电机定子线载荷的不断增长，发电机端部地区范围磁密剧增，导致部分过热，影响电, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,8,机运行的靠得住性。因为这个，剖析研讨端部磁力场和结构件伤耗已变成大型汽轮发电机预

8、设及运行的关紧问题之一。近30年来，国里外研讨担任职务的人环绕这一专题做了数量多的研讨办公。不过，因为端部结构件非常复杂，以致端部磁力场的计算变得非常艰难。因为这个，直到现在这一专题还是属于电机工程学术和工程界并肩关心注视的研讨不容易解决的地方与热点。 上海汽轮发电机有限企业（STGC）与浙江大学合作，应用CAE技术对一百万功率单位级发电机端部磁力场与结构件温升施行了研讨，项目归属上海市科学教育兴市项目，其成果已经过鉴定。本研讨在自行编织相应的Fortran计算手续的基础上，接合ANSYS商用软件坚强雄厚的前、后处照理应该用技术，对依据西门子引进技术研究制造的1000MW两极汽轮发电机空载、定

9、额、短路和进相工况下端部三维耦合场施行了系统、深化的计算, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,9,机仿真研讨。其最后结果合乎工程问题剖析所需的计算精密度。图3、图4作别为短路工况下的端部磁力场散布图和压圈温度散布图。课题最后结果表明，其算术板型与剖析计算办法的管用准确性，可为大型汽轮发电机的预设供给相应的工程判断与根据。 这项课题研讨中，同时也发觉通用的CAE软件在解决问题时存在的一点限制性。例如，到现在为止大部分数通用软件没有办法直接解决轴对称行波场问题，而假如认为合适而使用全三维板型，其复杂程度又过大，计算精密度往往得不到保障。这解释明白，在解决专

10、业领域问题时，利用通用CAE软件的同时，需求接合实际事情状况、基于专业理论研发出适应于专业问题剖析的、具备自主知识产权的研讨办法或软件。2.3 发电机内部决定子端部电场的计算随着近年来单机容积的迅速增加，汽轮发电机定额电压也迅疾增长到达27kV等级。线圈和铁心之间的空间, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,10,内,存在散布极为复杂的高场强电场。当电场强度超过空气媒介的起晕电压，便会显露出来电晕。电晕对发电机线圈和绝缘的毁伤效用是显著的。一点海外先进大电机制作商率先认为合适而使用线间电压2627 kV的高压，对大型汽轮发电机的防晕领有更多的剖析成果和运

11、行程中经过验。不过，因为这局部的技术含量颀长，当国内引进技术时，对方往往不会供给其中心技术。因为这个，我们务必在克化借鉴海外先进技术的同时，自主创新，掌握和增长产品有关中心技术有经验。避免电晕萌生是一个复杂的问题。传统理论虽供给了发电机端部等效电路板型，可以计算出特别指定部位（如线圈端部出槽口处）的电场强度的体积，却不可以得出整个儿空间的电场散布，并且计算误差也比较大。1998年，上海汽轮发电机有限企业就和上海交通大学合作，对汽轮发电机端部电晕问题施行了研讨，自主研发大电机电场防晕数字, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,11,计算软件。借助于自行编织

12、的软件，可以定量取得发电机端部电场，易于预设担任职务的人剖析复杂的端部线圈电晕问题。同时研讨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字计算最后结果。在原有结果果的基础上，2006年六月企业再次和上海交大合作，开展对汽轮发电机端部电晕问题认为合适而使用全三维板型施行有限元计算的课题。这是计算机匡助工程（CAE）在这一问题上的最新试验。 2.4 发电机定子铁心振荡研讨汽轮发电机中交变的电动力以及转子磁极旋转变动萌生的磁张力，都有可能导致铁心振荡，铁心波幅过大，将有可能导致铁心部分松驰，部分受热翘棱均及绝缘毁伤等后果。因为这个，开展定子铁心模态剖析和振

13、荡研讨非常不可缺少。上海汽轮发电机有限企业已认为合适而使用CAE软件对发电机机械性能施行了有关研讨，并以资来改出, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,12,发前进电机的结构和工艺。图6是认为合适而使用PRO/E树立的定子铁心与夹紧环笼的装配图，把PRO/E中树立的板型导入ANSYS软件作为计算板型。有限元网格如图7所示，共个单元。 图8为1000MW两极发电机定子铁心本来就有频率的计算最后结果图。图9为电磁能效用下铁心的静力学剖析图。依据求得的铁心鸭子蛋圆型本来就有频率，经计算可取得铁心最大振荡双幅值。表2作别给出了西屋手续、手算公式、有限元软件及实测

14、最后结果。 表2 1000MW级发电机计算值与实测值的比较 计算内部实质意义 西屋手续 手算公式, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,13,有限元 实测值 本来就有频率 (Hz) 178.6 229.2 222.5 203.4 双幅振荡 (m), ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,14,42 30.8 42.3 37.7 (均匀值) 从以上最后结果可知，CAE技术在研讨复杂结构的大型发电机机械问题时具备较大优势。树立的三维有限元计算板型，更近定子铁心的实际结构，因此更为正确地摹拟了定子铁心的受力事情状况。本研讨

15、中认为合适而使用了三维PRO/E建模与ANSYS结构剖析计算软件相接合的开发手眼，为预设、计算剖析供给了莫大便捷，要得预设和工艺有了靠得住的技术支持。2.5 发电机转, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,15,子负序电流承载有经验研讨电力系统发生错误称故障时，发电机定子绕组中显露出来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牢稳性。因为这个，大型汽轮发电机转子负序发热问题变成预设、制作部门并肩关心注视的技术不容易解决的地方问题之一。因为发电机转子存在横向月芽槽，负序涡电流场和温度场问题属三维问题。并且，汽轮发电机转子中多媒介、非线性等因素，尤其

16、是在研讨瞬态负序时温度任何时间间变动的过程较长，这些个都给剖析增加了困难程度。近年来，随着电磁力场数字计算理论和计算办法的不断进展和一天比一天完备，应用电磁力场数字计算办法研讨大型汽轮发电机中的三维负序温度涡电流耦合场已变成有可能。2005年上海汽轮发电机有限企业和浙江大学合作，施行百瓦功率单位级两极发电机负序有经验研讨。对一百万功率单位级汽轮发电机负序涡电流场数字计算的算术板型建模, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,16,，应用ANSYS软件计算汽轮发电机负序涡电流场和温度场指示流研发，计算三维涡电流温度耦合场的剖析和计算。图10、图11作别给出了

17、一百万功率单位级汽轮发电机转子负序稳态温度场散布和暂态（I2t=6，I2/IN=12百分之百 ，t416 s）转子内的温度散布图。本次研讨课题在思索问题了定子铁心和绕组的存在对汽轮发电机中实际温度场散布的影响，以及定子绕组的负序电流在周向是失散散布的独特的地方，借助于CAE软件对不一样瞬态负序电流工况下一百万功率单位级汽轮发电机的瞬态负序运行有经验施行了系统剖析和数量多的数字计算，得出了在工程中可供吸收、判断的论断。 2.6大机组与大电网互动动态仿真研讨在海外，曾发生电网大动荡起伏造成发电机组轴系严重毁坏的意外。在国内，随着大容积机组的不断投运，此类故障也有发生。所以大机组大电网“机网互动”问

18、, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,17,题也引动国内业界的莫大关心注视。我企业在90时代初，列出“大机组与大电网互动动态仿真”课题施行研讨，与上海交通大学合作自主研发了“机网互动动态仿真通用手续”（略称“机-网手续”）和“轴系掉转疲乏伤耗计算手续”（略称“疲乏伤耗手续”）。通过不断的完备和更新，此CAE软件已变成我企业计算发电机组在电网大动荡起伏下，机-网互动轴系扭矩动态响应以及轴系疲乏生存的年限伤耗的一种管用工具。“机-网手续”具备以下仿真计算功能：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；冲击载荷引动的动态过程；五种励磁调节系统及PSS的效用；调速系统及气门快关的效用；送电线路的电磁暂态过程；发电机转子摇动过程等。“疲乏伤耗手续”是利用“网-机手续”获得的机组轴系各断面扭矩时间曲线、轴系各断面的几何参变量和材料参变量，计算在, ABAQUS 相关阅读 冻 干 方 便 馄 饨 项 目 商 业 计 划 书,18,某一故障或操