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基于NX的水轮发电机定子线棒参数化建模方法研究

2018/2/11    来源:互联网    作者:汪小芳      
关键字:水轮发电机  定子线棒  渐开线  参数化建模  NX  
对水轮发电机定子线棒端部倾斜段采用渐开线方式进行设计,在保证接线端径向尺寸和轴向尺寸的前提下,给出了渐开线所在圆锥面的半锥角所满足的数学方程,并运用Excel VBA编程手段对半锥角进行了精确求解。在此基础上,运用三维建模软件NX对定子线棒完成了参数化的设计,为线棒的模具设计提供了更精确的参考依据。

0 前言

    水轮发电机定子线棒的端部形状复杂,主要由铁心出口直线段、倾斜段、接线端直线段以及各段之间的圆弧过渡段构成。倾斜段部分既有径向的抬高又有轴向的爬升,还伴随着周向的扭转。传统设计中,采用近似作图法将线棒沿圆周方向展开,以二维平面内的几何关系对相关尺寸进行计算(下层线棒上端部的主要参数如图1所示)。在这种方法中,倾斜段部分并没有按渐开线方式进行设计,而仅是作为铁心直线段与接线端直线段的直线连接。

    制造过程中,对于倾斜段部分的处理很难确定。相对于汽轮发电机,水轮发电机定子线棒的端部扭转角(图1中a)较小,大多数情况下,倾斜段采用简单的直线过渡也是可行的。但是高转速机组极数少而扭转角较大,直线过渡方式将不再适用,此时必须使倾斜段绕着某个圆锥面慢慢爬升,直至与接线端自然过渡。圆锥面选取的好坏,将严重影响线棒端部的成型质量以及相邻线棒间距的均匀性。

    如果对定子线棒端部倾斜部分采用渐开线方式进行设计,则倾斜段的轨迹就是一个锥面上的一条空间曲线。当将该锥面展开时,则该曲线为一个圆的一条渐开线。这种设计保证了线棒端部的互不干涉及彼此间隙的均匀性,并保证电流强度相等及均匀可靠的通风冷却条件。

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    图1 下层线棒上端部示意图

    近几年,国内有很多学者针对汽轮发电机定子线棒渐开线的3D建模做过一些研究。建模方案均是在给定的扭转角a和圆锥角β的前提下,从确定的起始端向接线端“自由”延展。这种方式对于接线端的位置并没有严格限制,适用于线棒槽数较少的情况。

    本文对水轮发电机定子线棒的传统设计方案进行了优化,在保持接线端给定位置的条件下,对线棒端部倾斜段进行了渐开线方式的设计,推导了渐开线所在圆锥面的半锥角所满足的数学方程,并利用Excel VBA编程手段对半锥角进行了精确求解。在此基础上,应用三维设计软件NX完成了水轮发电机定子线棒的参数化建模。

1 线棒端部渐开线结构模型

    以胶化线棒(对地绝缘包扎前)内径侧宽度方向的中心线作为描述线棒的轨迹线,采用渐开线方式进行倾斜段设计的端部结构模型如图2所示(右侧为局部详图)。

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    图2 线棒端部渐开线结构模型

    从铁心出口直线段到接线端直线段之间的曲线主要由5段彼此相切的圆弧构成。CD段就是渐开线,BC段对应于图1中的R1圆弧段,DE段对应于图1中的R2圆弧段,这三段弧线均落在半锥角为β的圆锥面上。弧A’B是锥面入口直线段AB与铁心出口直线段A’A的过渡圆弧。弧EF'是锥面出口直线段EF与接线端直线段FF的过渡圆弧。

    在渐开线结构设计中,需要保证传统设计的关键位置尺寸,如铁心出口直线段的高度(即A点位置)以及接线端的径向位置(即图1中的R1L值)和轴向位置(即图1中的H值)。这就要求,在满足给定线棒间距的条件下,选择合适的半锥角β,使得从A点出发的锥面曲线经过固定的周向扭转角a,其终点的径向位置恰好为及R1L

    为了达到设计要求,首先需要对定子线棒端部的曲线方程进行理论推导,得到满足条件的数学方程式。

2 线棒端部曲线方程的理论推导

    已知参数:起点A至锥面轴线的距离心;终点F至锥面轴线的距离R1L;倾斜段相邻线棒中心线间距δ;定子线棒槽数ns;线棒端部周向扭转角a;圆弧BC的半径r1;圆弧DE的半径r2;端部线棒的高度Ne;线棒高度方向折弯半径(图2所示)Rh。

    代求参数:渐开线所在圆锥面的半锥角β。

    下面将通过几何角度关系推导关于β的数学方程式。

    将图2中锥面上从起点A到终点F的曲线更清晰地表示为图3的样子。然后将圆锥锥面展开,得到如图4所示的定子线棒端部曲线平面展开图。

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    图3 线棒端部曲线三维示意图

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    图4 定子线棒端部曲线平面展开图

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    在平面展开图4中,由渐开线上C点、D点做基圆的切线,切点分别为M、N。点P、Q分别为过渡圆弧BC和圆弧DE的圆心。根据渐开线的性质(渐开线上任意一点的法线必切于基圆)可知:P点在线段MC上,Q点在线段ND的延长线上。

责任编辑:张纯子
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