CN104200057A - 抽水蓄能发电电动机转子t尾部剩余使用寿命的预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，该方法包括以下步骤：1）电磁场计算：通过电磁场计算得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力；2）结构场计算；3）绘制修正后的S-N曲线；4）通过步骤3）得到的修正后的S-N曲线和步骤1）及2）的计算结果对抽水蓄能发电电动机转子T尾部进行疲劳寿命预测，即完成抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测。本发明提供的一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，将电机学领域未曾考虑多工况对疲劳失效的累积作用以及对S-N曲线进行修正并用于抽水蓄能发电电动机转子T尾部疲劳寿命评估，实现了对疲劳寿命做出准确预测。
Description
技术领域
本发明涉及发电电动机转子使用寿命预测领域，尤其是一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法。
背景技术
抽水蓄能电站作为调峰调频、事故备用电源在电力系统中得到了广泛应用。其发电电动机转子运行工况复杂，存在双向旋转、启停频繁等情况，飞逸时的转速达到了725rpm，使连接转子磁极（示意图如图1所示）和磁轭的T尾部（示意图如图2所示）产生了应力集中，在交变应力的作用下可能发生疲劳失效，给发电电动机的安全稳定运行带来了极大挑战。
转子T尾部剩余使用寿命评估的难点在于如何根据电机的实际运行情况绘制出T尾部的应力载荷谱（应力随时间变化的关系）并结合疲劳强度理论对T尾部进行剩余使用寿命评估。传统上基于简化模型的解析法和仅考虑部件静强度评估的研究方法已无法提供更为精确的定量分析和设计准则，以往的研究方法和缺陷如下：
（1） 根据实际运行经验和试验提出的剩余寿命预测方法
1954年，C. J. Herman利用加速疲劳试验对电动机的绝缘寿命进行了研究，通过试验得出温升、电压和湿度是影响绝缘疲劳寿命最重要的三个因素。文章的分析方法是通过试验得到的，能够对某一具体分析对象的疲劳寿命做出较准确的预测。但是试验法只能针对特定的对象进行，不具有普适性，所需时间和花费较大，通常也只能考虑电动机这种工况比较单一的电机，对于具有转子双向旋转、启停频繁、负荷变化大的发电电动机来说，很难对其服役环境做出正确模拟。
（2） 考虑对疲劳寿命存在影响因素的解析法分析
1991年，曾在美国通用电气、阿尔斯通公司以及斯坦福大学任职的I. D. Lomax对感应电机的鼠笼疲劳寿命进行了研究，考虑了交变热应力和机械离心力的影响并进行了解析法计算。文中采用的分析方法无法考虑电机的动态过渡过程，也无法给出较为精确的计算结果，不能准确地反映疲劳现象。
（3） 基于多物理场耦合分析单一工况下的疲劳寿命预测
2014年，意大利的Mssimo Barcaro等人利用电磁-结构耦合场计算对内置永磁电机的启动过程进行了分析。考虑了电机的启停疲劳载荷，通过对关键部件的疲劳特性进行试验，对电机疲劳寿命进行了评估。文章考虑了电磁和机械两方面因素对应力的贡献，在电机工况运行方面只考虑启动过程对部件疲劳寿命的影响，没有考虑其他工况的影响，与电机实际运行情况不够贴切，不能满足发电电动机T尾部的疲劳分析需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，将电机学领域未曾考虑多工况对疲劳失效的累积作用以及对S-N曲线进行修正并用于抽水蓄能发电电动机转子T尾部疲劳寿命评估，克服了现有技术的缺陷，实现了对疲劳寿命做出准确预测。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，该方法包括以下步骤：
1）电磁场计算：通过电磁场计算得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力；
2）结构场计算：在考虑步骤1）计算出的电磁力以及转子旋转产生的离心力两方面因素的情况下，求得电磁力和离心力两个因素共同作用下产生的综合应力/应变分布；
3）绘制修正后的S-N曲线：通过对抽水蓄能发电电动机转子T尾部材料进行疲劳寿命试验得到部件承受的交变应力/应变与断裂循环周次之间的关系，即基本S-N曲线，在此基础上，考虑实际加工做的工艺处理，对基本S-N曲线进行修正，得到修正后的S-N曲线；
4）通过步骤3）得到的修正后的S-N曲线和步骤1）及2）的计算结果对抽水蓄能发电电动机转子T尾部进行疲劳寿命预测，即完成抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测。
步骤1）的计算方法为：
1-1）建立适合分析发电电动机电磁-结构-疲劳分析的模型；
1-2）建立外电路，其中B、C相电压分别超前和滞后A相电压120°，求解器为瞬态场求解；
1-3）对模型进行网格剖分；
1-4）场路耦合时步有限元求解，得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力。
步骤3）中，根据抽水蓄能发电电动机转子T尾部工艺处理情况得出影响T尾部的影响因子，结合影响因子对基本S-N曲线进行修正，得到修正后的S-N曲线。
本发明各步骤的主要内容如下：
1、基于场-路耦合时步有限元法的发电电动机瞬态场分析
这里的“场”指的是电磁场，“路”指的是电路，示意图如图3所示。通过场计算来对发电电动机内部的电磁场进行计算，而电机的电压输入激励则由外电路控制，这样可以使电机随时间变化工作在任意指定的工作状态下。将电机模型在空间上离散，同时在时间上将电机运行状态离散，在每一个时刻同时求解有限元方程和电路状态方程，考虑了转速、转子位置、负荷随时间变化而在空间上引起的场量变化，结合转子运动方程计算出电机在某一时刻的电磁场分布、电压电流与电磁转矩。通过场-路耦合时步有限元计算，可以准确地计算出电机在每一时刻下的电磁力参量，为下一步的结构场计算提供激励源输入。
2、考虑电磁力和离心力两方面影响的综合结构场计算
抽水蓄能发电电动机T尾部运行过程中，所受的力载荷主要分2种：一种是通电绕组在磁场中受到电磁力而产生磁拉力；另一种是转子旋转导致的离心力。基于电磁—结构耦合模型，分析电磁力对T尾部应力/应变状态的影响；基于动力学分析，研究不同转速下由离心力产生的应力/应变。结构场的准确计算是正确绘制转子T尾部载荷谱的基础，图4是转子T尾部所受应力随时间变化的载荷谱示意图。
3、基于多物理场耦合分析的转子T尾部剩余寿命预测
疲劳强度评估是建立在试验基础上的一门科学，只有模拟真实的载荷及服役环境，对研究部件进行实物试验，才能正确地认识它们的疲劳特性、验证疲劳设计的预期效果。材料的疲劳特性通常用应力/应变-寿命关系（S-N曲线）表示，描述了最大应力σmax或应力振幅σα与其相应的断裂循环周次N之间的关系曲线，如图5所示。得到S-N曲线后，往往还要结合材料的工艺处理情况，如表面粗糙度、涂层、喷丸工艺、初始缺口等因素对基本S-N曲线进行修正。得到T尾部的载荷谱后，结合T尾部材料的疲劳特性，就可以利用疲劳强度评估理论对T尾部的疲劳强度进行分析和剩余寿命预测。
本发明提供的一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，针对抽水蓄能发电电动机转子T尾部服役中存在应力集中易发生疲劳失效的现象，提出了一套完整的剩余寿命评估方法。多物理场耦合分析有限元数值分析可以得到在线监测手段难以得到的发电电动机内部各处在不同时刻、不同工况下的电磁场和应力应变等情况。在此基础上，结合转子T尾部材料的疲劳特性，对疲劳寿命做出准确预测，能够阐明T尾部的疲劳破坏机理，实现发电电动机安全稳定运行并制定检修策略，为发电电动机的国产化制造提供理论支撑。定量分析疲劳强度由来已久，但在电机学领域尚未出现考虑多工况对疲劳失效的累积作用以及对S-N曲线进行修正并用于疲劳寿命评估；本方法还适用于其它工作情况类似的部件上, 例如磁极连接板、转子主轴、阻尼绕组、磁极引线等，这些部件都可能因受到交变的应力影响而出现疲劳破坏。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明现有技术转子磁极示意图；
图2为本发明现有技术磁轭的T尾部示意图；
图3为本发明发明内容中场路耦合时步有限元分析示意图；
图4为本发明发明内容中转子T尾部所受应力随时间变化的载荷谱示意图；
图5为本发明发明内容中转子T尾部S-N曲线示意图；
图6为本发明实施例的流程图；
图7为本发明实施例步骤1）的磁密矢量图；
图8为本发明实施例步骤1）的气隙磁密波形图；
图9为本发明实施例步骤2）的T尾部与磁轭接触对设置示意图；
图10为本发明实施例步骤2）的T尾部区域网格剖分示意图；
图11为本发明实施例步骤2）的由电磁力映射至结构场的应力示意图；
图12为本发明实施例步骤2）的转子整体应力场分布示意图；
图13为本发明实施例步骤2）的T尾部的应力场分布示意图；
图14为本发明实施例步骤3）的转子T尾部载荷历史及S-N曲线；
图15为本发明实施例步骤4）得到的为转子整体寿命分布云图。
具体实施方式
实施例
以广州抽水蓄能电站某300MW发电电动机为研究对象，该发电电动机有12个磁极，每极每相槽数为6，每槽分为上下两层绕组，绕组以波绕组形式连接，第一节距为16，第二节距为20，并联支路数为4，额定电流为10713A，额定转速为500rpm，运行时磁极T尾部与磁轭T尾槽间会出现应力集中现象，在交变应力的作用可能出现疲劳破坏，严重时会导致T尾部发生开裂（如1994年英国迪诺维克电站发生了转子T尾部开裂事故）。本发明提供一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，分析流程如图6所示:
一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，该方法包括以下步骤：
1）电磁场计算：通过电磁场计算得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力；
步骤1）的计算方法为：
1-1）建立适合分析发电电动机电磁-结构-疲劳分析的模型；
1-2）建立外电路，其中B、C相电压分别超前和滞后A相电压120°，求解器为瞬态场求解；
1-3）对模型进行网格剖分；
1-4）场路耦合时步有限元求解，磁密矢量图和气隙磁密波形分别如图7、图8所示，得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力。
电磁场的正确求解是结构场准确分析的重要保证，求解的电磁力密度通过映射的方式加载到结构场中进行应力/应变求解，电磁场和结构场的网格可以根据各自的求解需要而做不同划分，提高了计算机的资源利用率。
2）结构场计算：在考虑步骤1）计算出的电磁力以及转子旋转产生的离心力两方面因素的情况下，求得电磁力和离心力两个因素共同作用下产生的综合应力/应变分布；
电机在运行时转子通过磁轭与磁极T尾部传递力矩，使整个转子绕转轴做旋转运动，T尾部与磁轭的接触部位并不是重合的，如图9所示。本算例考虑了转子在额定转速（500rpm）下的应力分布，问题属于接触非线性静力学分析。转子T尾部与磁轭间的接触部分需要设置接触对，以表征可能产生的接触或分离的现象，并且需要对网格密剖使计算收敛和精确（如图10所示）。
电磁场计算得到的电磁力密度通过映射的方式传递到了结构场分析中，定子绕组与励磁绕组间的力属于相互拉扯的性质，而磁极又被磁轭固定住，因此转子T尾部作为连接磁极和磁轭的地方成为了重点关注区域。由电磁力映射至结构场的应力如图11所示（结构场分析时，可利用转子的对称性将求解域减小一半）。
考虑电磁力和离心力共同作用下的转子整体、T尾部的应力场分布分别如图12、13所示。
电磁力单独作用时的应力最大值不到2MPa；电磁力和离心力共同作用下产生的最大应力值为507.73Mpa，可见电磁力对整体应力的贡献很小。转子T尾部所受应力主要取决于电机的转速，尤其是在飞逸转速下应力集中区域的应力幅可能超过了材料屈服强度极限（590Mpa），发生塑性形变，这对电机的安全稳定运行是不利的。
3）绘制修正后的S-N曲线：通过对抽水蓄能发电电动机转子T尾部材料进行疲劳寿命试验得到部件承受的交变应力/应变与断裂循环周次之间的关系，即基本S-N曲线，在此基础上，考虑实际加工做的工艺处理，对基本S-N曲线进行修正，得到修正后的S-N曲线；
英国迪诺维克发电电动机设计是基于每年启停5000次循环，按40年设计的。也就是说，电机的寿命为5000×40=2e6次。结构场计算得出的转子T尾部最大应力507.73MPa，与其屈服强度590MPa非常接近，在电机的反复启停下，很容易发生疲劳破坏。在电机发生飞逸时，最大应力更达到了507.73×（725/500）2=1076.5MPa。因此，结合材料的疲劳特性，研究转子T尾部的疲劳剩余寿命具有重要的现实意义。根据第1、2部分计算以及疲劳试验得 到的转子T尾部载荷谱及S-N曲线（工艺处理增加了疲劳寿命）如图14所示。
4）通过步骤3）得到的修正后的S-N曲线和步骤1）及2）的计算结果对抽水蓄能发电电动机转子T尾部进行疲劳寿命预测，即完成抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测，得到转子整体寿命分布云图（图15），可以看到，转子的大部分区域为灰色，疲劳寿命已经超过40年，只有T尾部附近磁极与磁轭接触的地方寿命较低，最低值为2042次，预测使用寿命约为5个月，不能满足机组的正常稳定运行要求。该电机投入运行半年（启停次数按每年5000次算，则半年的使用寿命应为2500次）后出现了无法正常运行情况，从检修结果来看，磁极T尾部与磁轭T尾槽处发现了小区域损伤情况，已不能保证继续安全稳定运行，证明该预测方法正确可行。
Claims (3)
1.一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）电磁场计算：通过电磁场计算得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力；
2）结构场计算：在考虑步骤1）计算出的电磁力以及转子旋转产生的离心力两方面因素的情况下，求得电磁力和离心力两个因素共同作用下产生的综合应力/应变分布；
3）绘制修正后的S-N曲线：通过对抽水蓄能发电电动机转子T尾部材料进行疲劳寿命试验得到部件承受的交变应力/应变与断裂循环周次之间的关系，即基本S-N曲线，在此基础上，考虑实际加工做的工艺处理，对基本S-N曲线进行修正，得到修正后的S-N曲线；
4）通过步骤3）得到的修正后的S-N曲线和步骤1）及2）的计算结果对抽水蓄能发电电动机转子T尾部进行疲劳寿命预测，即完成抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测。
2.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，其特征在于步骤1）的计算方法为：
1-1）建立适合分析发电电动机电磁-结构-疲劳分析的模型；
1-2）建立外电路，其中B、C相电压分别超前和滞后A相电压120°，求解器为瞬态场求解；
1-3）对模型进行网格剖分；
1-4）场路耦合时步有限元求解，得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力。
3.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，其特征在于步骤3）中，根据抽水蓄能发电电动机转子T尾部工艺处理情况得出影响T尾部的影响因子，结合影响因子对基本S-N曲线进行修正，得到修正后的S-N曲线。
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