CN109342224A - 极间连接线疲劳实验模拟方法 - Google Patents

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周佳亮
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王岩禄
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Abstract

本发明公开了一种极间连接线疲劳实验模拟方法，可以利用低周疲劳试验机在极间连接线的实际装配件上施加周期性载荷，模拟水轮发电机在额定运行状态及飞逸状态运行时，两个磁极之间环向的相对位移所产生的交变载荷，同时可以对极间连接线进行加温来模拟机组运行中的实际升温，通过不同载荷下对应的极间连接线的疲劳循环次数，从而获得水轮发电机极间连接线在额定运行或飞逸状态下的启停机次数预测，对极间连接线的结构优化进行指导，为包括抽水蓄能机组在内的大型水轮发电机可靠启停机次数寿命预测提供数据支持。

Description

极间连接线疲劳实验模拟方法
技术领域
本发明涉及一种极间连接线疲劳实验模拟方法。
背景技术
极间连接线是水轮发电机的关键部件，其作用是将转子磁极线圈 进行连接，形成转子绕组。对水轮发电机尤其是抽水蓄能水轮发电机 而言，由于调峰的需要面临着周期性启停机运行的问题。发电和抽水 工况的转换不但会对极间连接线结构产生很大的机械载荷，同时极间 连接线的温升不断变化也会对其疲劳寿命产生影响。在机组启停机运 行阶段，相邻磁极的环向变形差引起的交变机械载荷，可能会造成极 间连接线材料发生疲劳破坏，影响机组运行的安全性。因此，如果在 实验室环境下进行疲劳实验，利用零到最大机械载荷并配合热影响共 同作用于极间连接线装配件，测定出在给定周期性下最大拉伸力作用 下极间连接线装配件的疲劳周次，则可以反映出水轮发电机极间连接 线在真实运行条件下的安全运行周次。对极间连接线在该类周期性载 荷下的疲劳行为进行准确可靠的评估预测，对于开展水轮发电机可靠 运行寿命的预测以及极间连接线结构的优化具有十分重要的意义。
发明内容
本发明提出了一种极间连接线疲劳实验模拟方法，可以通过利用 低周疲劳试验机在试验条件下，模拟水轮发电机在额定运行状态及飞 逸状态运行产生的拉伸力，同时通过对极间连接线进行加温来模拟机 组运行中的实际升温,通过长时间在热环境下施加交换机械载荷来评 估该极间连接线的寿命安全。
本发明的技术方案是：
一种极间连接线疲劳实验模拟方法，该方法包括如下步骤：
(a)极间连接线的连接装配：将极间连接线用夹套套好，用双头螺柱、 螺母及垫片进行把合固定，对双头螺柱施加预紧力F0，F0＝0.5AσS,σS： 双头螺柱材料屈服极限，A：双头螺柱应力截面积；
(b)极间连接线的热疲劳试验：根据水轮发电机稳定运行时的 环境温度和自身发热情况，对极间连接线采取缠绕电阻丝方式进行加 热，来准确地模拟其运行的温度状态，同时用红外测温仪观察极间连 接线的温度情况；
(c)极间连接线装配件的加载试验：在试验台上固定好极间连接线一 端的夹套，在另一端的夹套施加从0到F随时间t作周期性变化的交变载 荷，记录在交变载荷作用下极间连接线发生疲劳破坏的时间ta，极间连接 线发生破坏时的加载周次N,N＝taf,其中：ta为极间连接线发生破坏的时 间，f为疲劳试验机加载频率；
(d)根据需要，改变给定交变载荷中最大力F的数值，重复步 骤(c)进行试验，获得多组F和N数据组，绘制F-N曲线，纵坐标 表示交变载荷力F，横坐标表示极间连接线循环周次N。根据绘制得 到曲线，给出极间连接线在对应转速下的最大力F1下的加载周次N1， 即为水轮发电机组极间连接线在对应转速下能承受的启停机次数， F1＝2T/D,其中：T为发电机对应转速下的扭矩，D为磁轭的外直径。
技术效果
本发明可以在实验室环境下进行极间连接线疲劳性能的模拟实 验，根据水轮发电机磁极极间连接线的结构形式和装配方式，设计用 于疲劳实验的极间连接线实际结构和夹套，利用双头螺柱、螺母、垫 圈组合装配极间连接线及其夹套，将整个装配件安装在疲劳试验机上 并施加载荷，载荷为最小力不为零的等幅值周期性载荷，检查并记录 相应幅值载荷下极间连接线在不发生破坏前提下能够承受的试验周 次。根据记录得到的最大载荷及对应的极间连接线试验周次数据，绘 制最大载荷-试验周次曲线。利用得到的最大载荷-试验周次曲线，给 出极间连接线对应给定最大力下的加载周次，即为水轮发电机组转子 磁极的极间连接线在对应离心力下能承受的启停机次数。
极间连接线作为磁极之间的连接纽带，是转子电路中的一个关键 部件，保持有效导通对电机的运转至关重要。电机工作时，由于离心 力和热应力作用，使线圈胀大，引起极间连接线的径向和轴向位移。 停机后随着离心力的消失和温度的下降，转子线圈又收缩。因此，机 组的起停，引起相邻磁极的环向变形差，使极间连接线受到一定的交 变载荷，从而导致极间连接线的低周疲劳损伤。目前，首先通过有限 元方法或公式计算出极间连接线的应力，再通过经典公式计算分析估 算出极间连接线的低周疲劳次数。
该模拟实验方法相比真机试验成本更低也更安全，比计算方法估 算的疲劳次数更精确，且利用疲劳试验机可实现周期性载荷的精确可 控调整，可以在实验室条件下获得极间连接线在真实情况下承受周期 性载荷试验周次的能力，对极间连接线在该类周期性载荷的运行周次 进行准确可靠的评估预测和水轮发电机可靠运行寿命的预测，以及极 间连接线结构的优化具有十分重要的意义。
附图说明
图1是极间连接线装配正视图。
图2是极间连接线装配所受力示意图。
图3是极间连接线装配最大力-试验周次曲线示意图。
具体实施方式
一种极间连接线疲劳实验模拟方法，该方法包括如下步骤：
(a)极间连接线3的连接装配：将极间连接线3用夹套1套好，用双 头螺柱5、螺母2及垫片4进行把合固定，对双头螺柱5施加预紧力F0， F0＝0.5AσS,σS：双头螺柱材料屈服极限，A：双头螺柱应力截面积；
(b)极间连接线3的热疲劳试验：根据水轮发电机稳定运行时 的环境温度和自身发热情况，对极间连接线3采取缠绕电阻丝方式进 行加热，来准确地模拟其真实的运行状态所受的热应力，同时用红外 测温仪观察极间连接线3的温度情况；
(c)极间连接线3装配件的加载试验：在试验台上固定好极间连接线 3一端的夹套1，在另一端的夹套1施加从0到F随时间t作周期性变化 的交变载荷，记录在交变载荷作用下极间连接线3发生疲劳破坏的时间ta， 极间连接线3发生破坏时的加载周次N,N＝taf,其中：ta为极间连接线3发 生破坏的时间，f为疲劳试验机加载频率；
(d)根据需要，改变给定交变载荷中最大力F的数值，重复步 骤(c)进行试验，获得多组F和N数据组，绘制F-N曲线，纵坐标 表示交变载荷力F，横坐标表示极间连接线3循环周次N。根据绘制 得到曲线，给出极间连接线3在对应转速下的最大力F1下的加载周 次N1，即为水轮发电机组极间连接线3在对应转速下能承受的启停 机次数，F1为磁极线圈的离心力。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述
极间连接线疲劳实验模拟方法，该方法包括如下步骤：
(1)极间连接线的连接装配：将夹套1套在极间连接线3之外，将两 者之间的孔对齐；按照螺栓孔位置，安装螺母2，双头螺杆5和垫片4；同 时对双头螺柱施加预紧力F0，F0＝0.5AσS，旋紧螺母，使装配安装牢固， 如图1所示。
(2)极间连接线装配件的加载试验：在极间连接线一端的夹套 施加从0到F随时间t作周期性变化的交变载荷，如图2所示，记 录给定最大力F作用下极间连接线发生破坏的时间ta，将时间ta与疲 劳试验机加载频率f相乘得到极间连接线发生破坏时的加载周次N；
(3)改变给定交变载荷中最大力F的数值，重复步骤(c)进行 试验，获得多组F和N数据组，绘制F-N曲线，纵坐标表示交变载荷 力F，横坐标表示极间连接线循环周次N,如图3所示。根据绘制得到 曲线，给出极间连接线3在对应转速下的最大力F1下的加载周次N1，即为水轮发电机组极间连接线3在对应转速下能承受的启停机次数， F1＝2T/D,其中：T为发电机对应转速下的扭矩，D为磁轭的外直径。

Claims (1)

1.一种极间连接线疲劳实验模拟方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
(a)极间连接线(3)的连接装配：将极间连接线(3)用夹套(1)套好，用双头螺柱(5)、螺母(2)及垫片(4)进行把合固定，对双头螺柱(5)施加预紧力，F0＝0.5AσS,σS：双头螺柱材料屈服极限，A：双头螺柱应力截面积；
(b)极间连接线(3)的热疲劳试验：根据水轮发电机稳定运行时的环境温度和自身发热情况，对极间连接线(3)采取缠绕电阻丝方式进行加热，来准确地模拟其真实的运行状态所受的热应力，同时用红外测温仪观察极间连接线(3)的温度情况；
(c)极间连接线(3)装配件的加载试验：在试验台上固定好极间连接线(3)一端的夹套(1)，在另一端的夹套(1)施加从0到F随时间t作周期性变化的交变载荷，记录在交变载荷作用下极间连接线(3)发生疲劳破坏的时间ta，极间连接线(3)发生破坏时的加载周次N,N＝taf,其中：ta为极间连接线(3)发生破坏的时间，f为疲劳试验机加载频率；
(d)根据需要，改变给定交变载荷中最大力F的数值，重复步骤(c)进行试验，获得多组F和N数据组，绘制F-N曲线，纵坐标表示交变载荷力F，横坐标表示极间连接线(3)循环周次N。根据绘制得到曲线，给出极间连接线(3)在对应转速下的最大力F1下的加载周次N1，即为水轮发电机组极间连接线(3)在对应转速下能承受的启停机次数，F1为磁极线圈的离心力。
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