出口越南的某臥式水輪發(fā)電機組，其單機容量為額定功率6750kW，額定轉速1000r/min。針對其單機容量、轉速高等特點，在簡要介紹轉子部件結構特征的基礎上，重點通過對機組額定與飛逸工況下，發(fā)電機轉子橫截面結構應力分析的實例，介紹了Pro/E模型的導入以及有限元分析方法，最后對計算結果進行分析總結。分析過程中實現了Pro/E建模和ANSYS的仿真相互集成，通過軟件各自的優(yōu)勢完成了模型建立和有限元分析。分析結果表明，主軸及磁極的結構達到了設計要求，與傳統(tǒng)計算方法相比，其精度更能滿足工程要求，且效率高。

　　目前，在水電設備制造業(yè)中，大容量、高轉速臥式水輪發(fā)電機組的成功研制、開發(fā)，在國內極為少見。越南水電站6750kW、1000r/min的水輪發(fā)電機組是我國出口的最大容量的臥式高速混流式水輪發(fā)電機組。為優(yōu)化機組結構、提高效率，轉子部分采用主軸、磁軛整體鍛造，磁極采用鴿尾和斜鍵固定，以及兩軸承布置方式(水輪機與發(fā)電機共用一根主軸)。文獻研究表明了大容量、高轉速意味著，在相同的功率情況下，機組結構緊湊，尺寸相對較小，機組成本低，經濟效益顯著，備受廣大用戶歡迎。在中高水頭的水力資源開發(fā)中，高速臥式水輪發(fā)電機組是一種結構簡單、性能優(yōu)良、安裝維護方便的機型。相對立式機組而言，它可降低廠房高度，減少電站開挖，降低電站投資;在安裝、使用、維修、保養(yǎng)上比立式機組方便。

　　隨著機組的大型化、高速化，臥式機組的主軸及磁極的結構設計[3]成為整個項目開發(fā)的關鍵技術之一。文獻表明：發(fā)電機主軸及磁極受力非常復雜，以往大多數都是用公式進行計算。傳統(tǒng)的經驗設計和模仿方法已經不能滿足機組的設計精度。本文利用Pro/E建模和ANSYS進行有限元分析計算，在保證軸系剛度、軸系的臨界主速等滿足要求的條件下，采用了兩軸承布置方式，并模擬機組的受力特性，獲得了轉子橫截面的應力分布規(guī)律。該方法可以推廣到其它高速旋轉零部件的精確計算。

1、水輪發(fā)電機組主軸及磁極模型的建立

　　本文涉及的臥式發(fā)電機組轉子的主要外形尺寸如表1所示。

表1　轉子主要外形尺寸

　　發(fā)電機的轉子外緣在飛逸轉速時的單位質量的離心力———離心力系數，它是衡量轉子結構設計難易程度的一個指標。當離心力系數達到2000以上時，設計時對轉子的結構應力必需特別加以關注。已知：

　　式中：Ck為飛逸轉速時轉子外緣的離心力系數;

　　Nr為發(fā)電機的飛逸轉速，r/min;

　　Dr為發(fā)電機轉子外徑，cm。

　　該機組的飛逸轉速達到1720r/min，其離心力系數達到約4062，由此可見轉子的設計是機組的難點之一。通常轉速大于750r/min的機組，轉子采用主軸、磁軛和極身整鍛加工，其加工量大，周期長，精度要求高。按照目前的技術和原材料水平，通過對幾種方案的分析比較，最終確定主軸、磁軛整體鍛造，磁極采用鴿尾和斜鍵固定的結構。三維實體模型如圖1所示。主軸與磁軛采用鍛鋼35CrMo整體鍛制，磁極沖片采用WDEL450，磁極壓板采用鍛鋼40CrNiMo鍛制。利用Pro/E建模軟件建立主軸及磁極的橫截面模型，并將不需要的細節(jié)盡量簡化，比如分析中不需要的倒角或圓角等，以保證模型的精簡，減少模型改變的可能性。橫截面模型如圖2所示。

圖1　機組主軸及磁極三維實體模型

圖2　機組轉子橫截面模型

4、結論

　　1)該兩支點臥式水輪發(fā)電機組轉子部分結構簡單、性能優(yōu)良。相對立式機組而言，它可降低廠房高度，安裝、維護費用低，降低電站投資。

　　2)根據有限元計算的數據分析得出，額定及飛逸工況下，磁極應力安全系數分別為3.45和1.31;額定工況下主軸結構安全系數為2.41;磁極外徑最大徑向變形為0.626mm。飛逸工況可運行次數為63210次。該發(fā)電機組的主軸及磁極結構滿足實際使用要求。

　　3)介紹了利用ANSYS進行有限元分析的方法，能夠更好地利用已有的CAD圖形資源。與傳統(tǒng)計算方法相比節(jié)省了大量建模時間，且具有較好的計算精度。為相關產品的設計和研究提供了計算分析手段。