专利名称：发电机转子及转子护环的寿命评估方法
技术领域：
本发明涉及火力发电厂发电机设备的寿命评估方法，特别涉及一种火力发电厂 发电机转子及转子护环的寿命评估方法。
背景技术：
火力发电厂汽轮发电机组寿命评估是确保机组安全可靠运行的一项重要技术措 施。近年来，对汽轮机转子及锅炉汽包等关键部件的寿命评估已相对成熟，它对指导机 组的安全运行、确定合理的启停方式、机组参与调峰的安全性评定等方面都起到了重要 作用。特别是将寿命评定技术用于机组改造和状态检修等领域，使得该项技术的完整性 就显得很重要。但是目前，对汽轮发电机组而言，仅对汽轮机的高、中压转子以及阀壳、汽 缸，锅炉的汽包和集箱等部件建立了较成熟的应力分析和寿命评价技术，但对发电机的 转子和相关的一些重要转动部件如护环等，均未建立合适的寿命评价方法。而发电机由 于参与调峰等因素后，因绝缘不良以及冷却不当等所造成的过热等对转子造成的影响程 度，不会亚于汽轮机转子由于冷热态启停对转子寿命造成的影响。护环是汽轮发电机受力最大的部件，其在静止状态承受由过盈配合产生的应 力，运行时承受自身离心力、端部线圈离心力和剩余过盈产生的应力。而发电机由于参 与调峰等因素或由于本身电气方面的原因导致故障，对护环所产生的影响在整个汽轮发 电机寿命中也是不可忽略的。特别是在机组改造和状态检修实施过程中，对护环状态的 评估应该是不可或略的。建立一套适用于火力发电厂氢冷机空冷发电机转子及护环的寿 命评估方法，可以更好地指导生产。
发明内容
鉴于上述现有技术，本发明的任务是提供一种火力发电厂发电机转子及转子护 环的寿命评估方法，它克服了现有技术的缺陷，以达到有效评估发电机转子装置使用寿 命的目的。本发明的技术解决方案如下—种发电机转子及转子护环的寿命评估方法，它包括下列步骤A、确定转子及转子护环的数种状态并进行热影响分析；B、对转子及转子护环的温度场和应力场建立系统模型；C、对温度场和应力场的系统模型进行有限元计算分析；D、进行寿命损伤分析。所述步骤A中转子及转子护环的状态有静止状态、稳定运行状态、冷态启动、 热态启动以及停机过程。 本发明的第一个研究关键是如何定量确定转子在运转过程中，包括启停阶段、 运转阶段、承受异常故障阶段，由于风、水、电等参数变化所造成的转子温度应力分布，其中还包括了如何确定转子、绕组和冷却介质之间的热交换类型和过程，定量确定 热交换系数，转子等部件的计算模型的建立，受力状态的分析。本发明的第二个研究关 键是寿命损伤机理的研究和寿命评价方法的建立。通过对上述两项关键技术的研究，可 以建立一套发电机转子等部件的寿命评定技术，进而完善整个汽轮发电机组的寿命评定 技术。
附图是本发明的一种发电机转子及转子护环的寿命评估方法的流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和较佳实施例来进一步说明本发明的发电机转子及转子护环的寿 命评估方法。按本发明的一种火力发电厂发电机转子及转子护环的寿命评估方法，其建立过 程是通过对发电机转子和转子护环的结构和工作原理的分析，确定部件在不同运行 阶段的热交换机理，从而确定发电机转子和转子护环工作的边界条件；通过对上述构件 的受力分析，确定其力学模型和计算模型；采用有限元方法进行温度场和应力场计算分 析；根据计算结果进行损伤机理的分析，从而建立寿命评估方法。所述寿命评估方法包括下列步骤1、确定转子及转子护环的各种状态并进行热影响分析。转子及转子护环的状态 有静止状态、稳定运行状态、冷态启动、热态启动以及停机过程。2、对转子及转子护环的温度场和应力场建立系统模型。3、对温度场和应力场的系统模型进行有限元计算分析。4、进行寿命损伤分析。在实际工作中，发电机参与调峰运行(频繁的负荷升降)和两班制运行(频繁 启停)时，会发生绝缘不良和冷却不当等现象，造成转子过热从而对发电机转子的寿命 产生影响。护环是汽轮发电机受力最大的部件，其在静止状态承受由过盈配合产生的应 力，运行时承受自身离心力、端部线圈离心力和剩余过盈产生的应力，发电机由于参与 调峰等因素或由于本身电气方面的原因导致故障，也会影响护环的使用寿命。寿命评估方法就是首先了解评估对象的工作环境，确定环境对寿命的影响因 素，然后分别定量计算这些因素与寿命的关系，最后根据评估对象未来的工作状态预测 其剩余寿命。 在发电机转子及转子护环的工作过程中，各个部位的温度不同，我们将其物质 系统内各个点上温度的集合称为温度场。它是时间和空间坐标的函数。温度T这个数量 通常是空间坐标(X，y，ζ)和时间变量的函数，即T=(x，y，ζ)。这是三维非稳态温 度场(瞬态温度场)，在此温度场中发生的导热为三维非稳态(瞬态)导热。不随时间而 变的温度场称为稳态温度场，即T=(x，y，ζ),此时为三维稳态导热。对于一维和二 维温度场，稳态时可分别表示为T = f(x)和T = f(x, y)，非稳态时则分别表示为T = f(x，t)和 T = f(x，y，t)。
在对温度场的计算中我们需要引入有限元分析的概念。有限元分析(FEA， Finite Element Analysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解 域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单 的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的 解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多 数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能够适应各种复杂形状， 因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的 周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法， 应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究 的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有 限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富 多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。本实施例中，有限元求解问题的基本步骤为第一步问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散 域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好， 计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心 技术之一。第三步确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式 表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的 单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成 单元矩阵(结构力学中称刚度阵或柔度阵)。为了保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言， 重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时 不仅精度低，而且有缺陷的危险，将导致无法求解。第五步总装求解。将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组)，反映对近似求解域的离散 域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行， 状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处。第六步联立方程组求解和结果解释。有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机 法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，本实施例中的有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户 能简便提取信息，了解计算结果。当然也可以使用大型通用有限元商业软件，如NASTRAN，ASKA, SAP, ANSYS，MARC, ABAQUS，JIFEX 等。综上可知，本发明提供的一种发电机转子及转子护环的寿命评估方法，克服了 现有技术的缺陷，达到了有效评估发电机转子及转子护环使用寿命的效果。当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本 发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的 变换、变型都将落在本发明权利要求的范围内。
权利要求
1.一种发电机转子及转子护环的寿命评估方法，其特征在于，它包括下列步骤A、确定转子及转子护环的数种状态并进行热影响分析；B、对转子及转子护环的温度场和应力场建立系统模型；C、对温度场和应力场的系统模型进行有限元计算分析；D、进行寿命损伤分析。
2.根据权利要求1所述的发电机转子及转子护环的寿命评估方法，其特征在于，所述 步骤A中转子及转子护环的状态有静止状态、稳定运行状态、冷态启动、热态启动以及 停机过程。
全文摘要
本发明涉及一种发电机转子及转子护环的寿命评估方法，它包括下列步骤A、确定转子及转子护环的数种状态并进行热影响分析；B、对转子及转子护环的温度场和应力场建立系统模型；C、对温度场和应力场的系统模型进行有限元计算分析；D、进行寿命损伤分析。按本发明的寿命评估方法，能够达到有效评估发电机转子及转子护环使用寿命的效果，进而完善整个汽轮发电机组的寿命评定技术。
文档编号G06F17/50GK102024070SQ20091019588
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者李颖, 祝瑞金 申请人:华东电力试验研究院有限公司