出口越南的某臥式水輪發電機組，其單機容量為額定功率6750kW，額定轉速1000r/min。針對其單機容量、轉速高等特點，在簡要介紹轉子部件結構特征的基礎上，重點通過對機組額定與飛逸工況下，發電機轉子橫截面結構應力分析的實例，介紹了Pro/E模型的導入以及有限元分析方法，最后對計算結果進行分析總結。分析過程中實現了Pro/E建模和ANSYS的仿真相互集成，通過軟件各自的優勢完成了模型建立和有限元分析。分析結果表明，主軸及磁極的結構達到了設計要求，與傳統計算方法相比，其精度更能滿足工程要求，且效率高。

　　目前，在水電設備制造業中，大容量、高轉速臥式水輪發電機組的成功研制、開發，在國內極為少見。越南水電站6750kW、1000r/min的水輪發電機組是我國出口的最大容量的臥式高速混流式水輪發電機組。為優化機組結構、提高效率，轉子部分采用主軸、磁軛整體鍛造，磁極采用鴿尾和斜鍵固定，以及兩軸承布置方式(水輪機與發電機共用一根主軸)。文獻研究表明了大容量、高轉速意味著，在相同的功率情況下，機組結構緊湊，尺寸相對較小，機組成本低，經濟效益顯著，備受廣大用戶歡迎。在中高水頭的水力資源開發中，高速臥式水輪發電機組是一種結構簡單、性能優良、安裝維護方便的機型。相對立式機組而言，它可降低廠房高度，減少電站開挖，降低電站投資;在安裝、使用、維修、保養上比立式機組方便。

　　隨著機組的大型化、高速化，臥式機組的主軸及磁極的結構設計[3]成為整個項目開發的關鍵技術之一。文獻表明：發電機主軸及磁極受力非常復雜，以往大多數都是用公式進行計算。傳統的經驗設計和模仿方法已經不能滿足機組的設計精度。本文利用Pro/E建模和ANSYS進行有限元分析計算，在保證軸系剛度、軸系的臨界主速等滿足要求的條件下，采用了兩軸承布置方式，并模擬機組的受力特性，獲得了轉子橫截面的應力分布規律。該方法可以推廣到其它高速旋轉零部件的精確計算。

1、水輪發電機組主軸及磁極模型的建立

　　本文涉及的臥式發電機組轉子的主要外形尺寸如表1所示。

表1　轉子主要外形尺寸

　　發電機的轉子外緣在飛逸轉速時的單位質量的離心力———離心力系數，它是衡量轉子結構設計難易程度的一個指標。當離心力系數達到2000以上時，設計時對轉子的結構應力必需特別加以關注。已知：

　　式中：Ck為飛逸轉速時轉子外緣的離心力系數;

　　Nr為發電機的飛逸轉速，r/min;

　　Dr為發電機轉子外徑，cm。

　　該機組的飛逸轉速達到1720r/min，其離心力系數達到約4062，由此可見轉子的設計是機組的難點之一。通常轉速大于750r/min的機組，轉子采用主軸、磁軛和極身整鍛加工，其加工量大，周期長，精度要求高。按照目前的技術和原材料水平，通過對幾種方案的分析比較，最終確定主軸、磁軛整體鍛造，磁極采用鴿尾和斜鍵固定的結構。三維實體模型如圖1所示。主軸與磁軛采用鍛鋼35CrMo整體鍛制，磁極沖片采用WDEL450，磁極壓板采用鍛鋼40CrNiMo鍛制。利用Pro/E建模軟件建立主軸及磁極的橫截面模型，并將不需要的細節盡量簡化，比如分析中不需要的倒角或圓角等，以保證模型的精簡，減少模型改變的可能性。橫截面模型如圖2所示。

圖1　機組主軸及磁極三維實體模型

圖2　機組轉子橫截面模型

4、結論

　　1)該兩支點臥式水輪發電機組轉子部分結構簡單、性能優良。相對立式機組而言，它可降低廠房高度，安裝、維護費用低，降低電站投資。

　　2)根據有限元計算的數據分析得出，額定及飛逸工況下，磁極應力安全系數分別為3.45和1.31;額定工況下主軸結構安全系數為2.41;磁極外徑最大徑向變形為0.626mm。飛逸工況可運行次數為63210次。該發電機組的主軸及磁極結構滿足實際使用要求。

　　3)介紹了利用ANSYS進行有限元分析的方法，能夠更好地利用已有的CAD圖形資源。與傳統計算方法相比節省了大量建模時間，且具有較好的計算精度。為相關產品的設計和研究提供了計算分析手段。