试论水轮发电机转子寿命预测

　　摘要：本文对水利发电机转子寿命预测的分析主要由全寿命分析理论来进行。全寿命分析理论是一个系统工程，其是一个科学的理论。全寿命分析理论贯穿于水利发电机转子寿命预测的全过程，并且在每个环节都有密切联系。水轮发电机主要由定子、转子、推力轴承、机架、冷却系统和励磁系统等组成。本文主要对水轮发电机转子寿命预测进行分析，分别从水轮发电机转子中心体的应力计算、水轮发电机转子中心提寿命计算两个方面详细阐述。
　　关键词：水轮发电机；转子；寿命；预测
　　1. 水轮发电机转子中心体的应力计算
　　贯流机组转动部分三维模型的构建根据其设计图来进行，从发电机轴承处将主轴截断，其主要包括发电机轴承以下主轴、磁轭、磁轭键、转子中心体、转子中心体合缝面螺栓以及联轴螺栓。用接触单元将主轴法兰面和中心体法兰面连接、将转子中心体合缝面连接、将径向销与两个法兰面连接将磁轭键和中心体及磁轭连接。转子中心体的集合模型和边界条件如图1所示，在额定工况和飞逸工况下，转子中心体应力分布结果如图2所示。
　　
　　图1转子中心体模型及边界条件
　　
　　图2转子中心体应力分布结果
　　危险点位置的确定由静态计算，然后该点应力谱再由等效计算来得到，所得时域图如图3所示。
　　
　　图3飞逸工况危险点应力谱时域图
　　2. 水轮发电机转子中心提寿命计算
　　钢Q235为转子中心体材料，对转子中心体材料在应力比R=0.047的条件下来进行疲劳测试，如图4所示，常数和对数S-N曲线，其中，应力循环最大值在纵坐标上。数据现行度为0.995，由此可见数据具有较高的可信度。
　　根据热像法测定实验，转子中心体材料在R=-1的荷载特征条件下，161Mpa为疲劳极限，154Mpa为R=0的荷载特征条件下的疲劳极限。平均应力修正分别用Goodman方法和Gerber方法来进行。经验证表明，对于转子中心体材料钢Q235在R=0条件下，162.5MPa为对应的标准疲劳极限，可见其具有较高的精确度。
　　
　　图4Q235S-N曲线
　　在两工况下正常运行，疲劳分析计算结果不受应力修正方法种类的影响，其都没有破坏点。换句话说，只要应力在启动过程中单调递增，应力在停机过程中单调递减，机组所能承受的启停次数是一样的。因此，启停机过程中的应力时域谱可用归一化后的半周期标准正弦曲线来对其进行模拟。
　　计算结果表明，转子中心体疲劳寿命不会受在额定工况下的启停机过程影响。而在飞逸工况下，疲劳破坏发生在启停机271次后。疲劳破坏发生的位置和寿命分布如图5所示。
　　
　　图5Goodman平均应力修正计算结果
　　一般情况下，将疲劳安全系数设置在机件在原始结构设计中，从而使得在额定工况下的启停机和运行过程确保对机件不会造成疲劳损伤。在R=-1的条件下，转子中心体最大等效应力的计算通过Goodman修正平均应力方法，其多得到的值为76.48MPa，其疲劳极限要比161MPa小的多，因此，疲劳破坏不会发生在转子中心体中，其验证了结果的准确度。
　　3. 结语
　　本文主要对国际疲劳试验进行模拟，在模拟过程中主要采用全寿命分析理论和数值方法来进行，所得结果与标准值产生的最大误差为6.58%，从而使得数值方法的可信度和精确度被验证出来。本文水利发电机转子中心体采用的钢Q235，根据其合金钢疲劳试验数据把S-N曲线绘制出来，然后在根据S-N曲线计算转子中心体疲劳寿命。因此，对启停机频率进行降低，尽量使机组运行在额定工况附近，从而使飞逸工况的出现得以避免，这种方法同时也是对转子中心体发生疲劳损坏进行避免的最有效方法。如果机组必须由停机启动至飞逸工况附近，应及时检修机组。可以参考图5确定重点检测部位来进行转子中心体的检修工作。
　　参考文献：
　　[1]]胡金荣.水轮发电机转子改造的若干技术问题[J].水电站机电技术,1992,(04).