水轮发电机机架设计与有限元分析

河北工程大学本科生毕业论文（设计）论文题目：水轮发电机的机架结构设计及有限元分析姓名：罗成学号：080282139班级：1班年级：08级专业：热能与动力工程（水动方向）学院：科信学院指导教师：张海军完成时间：2012年5月摘要机架是发电机安置轴承的主要支撑部件。

常规卧式发电机的轴承一般采用座式支架支撑。

在立式电机中机架用来支撑推力轴承、导轴承及制动器等部件。

所以机架是水轮发电机的重要结构部件。

本文将重点叙述立式发电机的机架结构、型式、选型及其计算。

本文还将针对性的对SF150-60/12800水轮发电机，负荷下机架承受水推力。

等高载荷的特点，运用CATIA进行模拟设计和有限元分析，针对校验结果从而检验设计是否达到标准。

关键词：水轮发电机机架强度有限元分析AbstractThe rack is generator placement bearing the main support member.The conventional horizontal generator bearing the general use of seat type support.The vertical motor frame used to support thrust bearing, guide bearing and brake components.So the frame is important structural components of turbine generator.This article will focus on the vertical generator frame structure, type, type selection and calculation.This article will also targeted for SF150-60 / 12800 turbine generator, load bearing thrust frame.High load characteristics, use CATIA to simulate the design and finite element analysis for checking results, to test whether the design standards.Key word：Hydraulic turbine generator Rack Strength Finite element analysis目录绪论 (6)第一章水轮发电机的选型 (7)1.1概述 (7)1.2水轮发电机的分类 (7)1.2.1 按照水轮发电机组的布置方式不同分 (7)1.2.2 按照推力轴承位置不同分 (8)1.2.3 按照冷却方式不同分 (8)1.2.4按照水轮发电机按轴线位置可分 (8)1.2.5水轮发电机结构 (9)1.2.6水轮发电机参数 (9)1.2.7水轮发电机特点 (10)1.2.8水轮发电机参数 (10)第二章水轮发电机的选型计算 (11)2.1 原始资料 (11)2.2 发电机结构型式的选择 (11)第三章机架结构设计 (15)3.1机架的结构及选型 (15)3.1.1 机架的结构型式与分类 (15)3.1.2 机架的主要结构部件 (16)3.1.3 机架的适应变形结构 (16)3.1.4 对机架的制造工艺要求 (17)3.2 负荷机架的计算 (17)第四章水轮发电机负荷下机架强度有限元分析 (25)4.1CATIA介绍 (25)4.1.1CATIA先进的混合建模技术 (25)4.1.2CATIA所有模块具有全相关性 (26)4.1.3并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短 (26)4.1.4 CATIA覆盖了产品开发的整个过程 (26)4.1.5 CATIA V5 (26)4.2有限元分析 (27)4.2.1有限元分析介绍 (27)4.2.2有限元分析特点 (27)4.2.3有限元发展趋势 (28)4.2.4有限元分析步骤 (29)4.3机架材料强度要求 (30)4.4机架主要部件展示 (31)4.5机架模型设计极其装配 (34)4.5.1机架模型设计三维图 (34)4.5.2机架材料的添加 (35)4.6机架装配图有限元分析 (36)毕业设计总结 (43)谢辞 (44)参考文献 (45)附录 (46)附录1SF150—60/1280水轮发电机机架主要零部件尺寸 (46)附录2SF150—60/1280水轮发电机机架主要技术数据 (47)绪论水力资源是既清洁又可再生的能源，是用于发电的优质能源。

水力发电是利用江河源远流长的流量和落差形成的水的势能发电，是一次性能源直接转换成电力的物理过程，它不消化1m3水，也不污染1m3水，不排放1m3有害气体，也不丢弃1kg固体废物，是清洁的能源。

水力资源的另一个特点是地球上水循环不中止，水资源是永恒的，可再生的能源。

水力发电获得的电量也不消耗总的资源量。

本文旨在讨论和研究水轮发电机机架结构的设计和强度分析，综述有关的基本原理和作用。

本文共分4章。

第一章共2节，主要论述了水轮发电机的基本原理，分类及其选型,以及发电机的各种参数；第二章共2节，针对水轮发电机结构的特点和设计作了论述；第三章共2节，针对水轮发电机结构的特点和设计作了论述；第四章，共6节对CATIA软件进行介绍，并主要对建立模型设计和分析模型设计是否满足要求。

第一章水轮发电机的选型1.1概述人类社会离不开能源，电能是现代能源中应用最广泛的二次能源。

它的生产和变换经济，传输和分配容易，使用和控制方便。

而电能的生产、变换、传输、分配、使用和控制离不开电机，同时电机又是工业、农业、交通运输、国防以及人们日常生活中必不可少的设备。

电机按其功能大致分为四大类：（1）发电机——把机械能转化成电能。

（2）电动机——把电能转化成机械能。

（3）变压器、变流机、变频机、移相器——分别用于改变电压、电流、频率和相位。

（4）控制电机——作为控制系统中的元件。

水电厂中的发电机均为同步发电机，它把水轮机的机械能转换成电能，通过变压器、开关、输电线路等设备送往用户。

当导线切割磁力线时可产生感应电动势，将导线练成闭合回路，就有电流留过，同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。

1.2水轮发电机的分类1.2.1 按照水轮发电机组的布置方式不同分水轮发电机分为立式、卧式两种。

立式布置的水轮发电机，主轴为垂直方向。

卧式布置的水轮发电机，主轴为水平方向。

卧式大多用于小型水轮发电机组以及部分大中型水斗式水轮发电机和贯流式机组。

而中、低速大、中型水轮发电机绝大多数采用立式（竖轴）布置。

立式水轮发电机特点：（1）可以制成大容量的机组。

（2）由于转子直径大，飞轮力矩也较大。

（3）推力轴承为立式，运行稳定性较好。

（4）安装及检修方便。

1.2.2 按照推力轴承位置不同分立式装置的水轮发电机，按其推力轴承的装设位置不同，分为悬式和伞式两大类。

推力轴承位于转子上方的水轮发电机称为悬式水轮发电机；推力轴承位于转子下方的水轮发电机称为伞式水轮发电机，既有上导又有下导的称为普通伞式，有上导无下导的称为半伞式，有下导而无上导的称为全伞式。

1.2.3 按照冷却方式不同分水轮发电机可分为空冷式、水冷式和蒸发冷却等方式。

1.2.4按照水轮发电机按轴线位置可分可分为立式与卧式两类。

大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于小型机组和贯流式机组。

立式水轮发电机按导轴承支持方式又分为悬式和伞式两种。

伞式水轮发电机按导轴承位于上下机架的不同位置又分为普通伞式、半伞式和全伞式。

悬式水轮发电机的稳定性比伞式好，推力轴承小，损耗小，安装维护方便，但钢材耗量多。

伞式机组总高度低，可降低水电站厂房高度。

卧式水轮发电机一般用于转速大于375r/min的情况，以及一些小容量电站。

水轮发电机对于水轮发电机的容量和转速等级划分,目前世界各国尚无统一的标准。

根据我国的情况,大致上可以按下表划分其容量和转速等级：分类额定功率Pn(kW) 额定转速Nn(r/min)低速中速高速微型水轮发电机 <100 750-1500小型水轮发电机 100-500 <375 375-600 750-1500中型水轮发电机 500-10000 <375 375-600 750-1500大型水轮发电机 >10000 <100 100-375 >3751.2.5水轮发电机结构水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成（见图）。

定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。

定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构。

水轮发电机冷却方式一般采用密闭循环空气冷却。

特大容量机组倾向于以水作为冷却介质，直接冷却定子。

如同时冷却定子和转子则为双水内冷水轮发电机组。

水轮发电机的安装结构形式通常由水轮机的型式确定。

主要有以下几种型式:1)卧式结构卧式结构的水轮发电机通常有冲击式水轮机驱动。

卧式水轮机组通常采用两个或三个轴承。

两个轴承的结构其轴向长度短，结构紧凑，安装调整方便。

但当其轴系临界转速不能满足要求或轴承负荷较大时，这需要采用三轴承结构。

国产卧室水轮机发电机组大部分属于中小型机组。

而容量为12.5MW的大型卧式机组也有生产，国外生产的卧式水轮发电机组，容量在60--70MW的并不罕见，而用抽水蓄能电站的卧式水轮发电机组，单机容量可达300MW。

2)立式结构国产水轮发电机组广泛采用立式结构。

立式水轮发电机组通常由混流式或轴流式水轮机驱动。

立式结构又可分为悬式和伞式。

发电机推力轴承位于转子上部的统称为悬式,位于转子下部的统称为伞式。

3)贯流式结构贯流式水轮发电机组由贯流式水轮机驱动。

贯流式水轮机是一种带有固定或可调转轮叶片的轴流式水轮机的特殊型式。

它的主要特征是转轮轴线采取水平或倾斜布置,并与水轮机进水管和出水管水流方向一致。

贯流式水轮发电机具有结构紧凑,重量轻的优点,广泛用于低水头的电站中。

1.2.6水轮发电机参数①额定效率：用以表示水轮发电机的容量，以千瓦计。

额定功率除以效率不应大于水轮机的最大轴出力。

②额定电压：水轮发电机的额定电压需经技术经济比较会同制造厂决定，当前水轮发电机的电压从6.3kV到 18.0kV。

容量越大则额定电压越高。

③额定功率因数:发电机的额定有功功率与额定视在功率之比,用cosφn表示,远离负荷中心的水电站常采用较高的功率因数，功率因数增大则电机的造价可略降低。

1.2.7水轮发电机特点①蓄能电站在电网中主要起调峰填谷作用，机组起动停止很频繁。

发电电动机的结构必须充分考虑其反复出现的离心力，对结构材料造成疲劳和定子、转子绕组上的热变化和热膨胀，定子常采用热弹性绝缘；②可逆式发电电动机用常规水轮发电机转子上的风扇不能满足散热降温的要求,对大容量高转速的机组一般采用外设风扇;③推力轴承和导轴承在正反旋转时，油膜都不能破坏；④结构与起动方式有密切关系，用起动电动机则在同轴上装有专用电动机，如需改变发电电动机转速时，除改变电源相位外，还需将定子绕组改接和将转子换极。