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摘要：将CAE技术应用于大型汽轮发电机设计中，能极大地缩短产品的研发周期，同时极大地降低了产品的开发成本，所以其作用是不可代替的。本文分析了CAE在某大型汽轮发电机设计研究中的应用。
关键词：CAE；汽轮发电机；应用
CAE技术在大型汽轮发电机研发中发挥着越来越重要的作用。CAE技术应用于发电机的电磁、机械热分析、流体等领域的研究，可获得满足工程精度的计算值，对发电机的设计、故障分析提供科学理论依据，从而保证发电机的安全可靠运行。
一、CAE简介
CAE指工程设计中的计算机辅助工程，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等，把生产的各个环节有机地组织起来，其关键是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程的整个生命周期。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构、流体、电磁等。
CAE作用包括：①增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；②缩短设计和分析的循环周期；③CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；④采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本；⑤在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；⑥模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；⑦进行机械事故分析，查找事故原因。
二、CAE技术在大型汽轮发电机设计研究中的应用实例
1、发电机空载、满载励磁电流的计算。额定励磁电流是发电机的主要运行参数之一。过去，一般通过电势-磁势图来确定励磁电流，对小型发电机，磁路饱和程度不高，通过此方法所得的结果能满足工程精度要求。但对大容量发电机，负载时磁路呈现高饱和，由于气隙磁势、转子漏磁的计算偏差和直、交轴之间出现磁耦合，此方法便会产生明显的误差。若采用CAE技术，不仅模型更符合实际情况，而且可保证工程精度。
2、发电机端部结构件损耗及温升研究。近年来，随着大容量汽轮发电机定子线负荷的不断提高，发电机端部区域磁密剧增，造成局部过热，影响电机运行的可靠性。因此，分析研究端部磁场和结构件损耗已成为大型汽轮发电机设计及运行的重要问题之一。然而，由于端部结构件十分复杂，致使端部磁场的计算变得十分困难。
某汽轮发电机公司应用CAE技术，对百万千瓦级发电机端部磁场与结构件温升进行了研究。研究在自行编制相应的Fortran计算程序的基础上，结合ANSYS商用软件强大的前、后处理应用技术，对1000MW两极汽轮发电机空载、额定、短路和进相工况下端部三维耦合场进行了系统、深入的计算机仿真研究，其结果符合工程问题分析所需的计算精度。这项课题研究中，同时也发现通用的CAE软件在解决问题时存在的一些局限性。例如，目前大多数通用软件无法直接解决轴对称行波场问题，而若采用全三维模型，其复杂程度又过大，计算精度往往得不到保证。这说明，在解决专业领域问题时，利用通用CAE软件的同时，需要结合实际情况、基于专业理论开发出适合于专业问题分析的、具有自主知识产权的研究方法或软件。
3、发电机内定子端部电场的计算。随着近年来单机容量的快速增加，汽轮发电机额定电压等级也迅速提高。线圈和铁心之间的空间内，存在分布极为复杂的高场强电场。当电场强度超过空气介质的起晕电压，就会出现电晕。电晕对发电机线圈和绝缘的破坏作用较为显著。
一些国外先进大电机制造商率先采用线电压26～27kV的高压，对大型汽轮发电机的防晕拥有更多的分析成果和运行经验。但由于这部分的技术含量较高，当国内引进技术时，对方往往不会提供其核心技术。因此，必须在消化吸收国外先进技术的同时，自主创新，掌握和提高产品相关核心技术能力。
防止电晕产生是一个复杂的问题。传统理论虽提供了发电机端部等效电路模型，可计算出特定部位电场强度的大小，却不能得出整个空间的电场分布，而且计算误差也较大。
4、发电机定子铁心振动研究。汽轮发电机中交变的电动力及转子磁极旋转变化产生的磁拉力，都可能造成铁心振动，铁心振幅过大，将可能造成铁心局部松动，局部受热不均匀及绝缘破坏等后果。因此，开展定子铁心模态分析和振动研究十分必要。
图1是采用PRO/E建立的定子铁心与夹紧环笼的装配图，把PRO/E中建立的模型导入ANSYS软件作为计算模型。并根据求得的铁心椭圆型固有频率，经计算可获得铁心最大振动双幅值。从以上分析可知，CAE技术在研究复杂结构的大型发电机机械问题时具有较大优势。建立的三维有限元计算模型，更接近定子铁心的实际结构，从而更为准确地模拟了定子铁心的受力情况。本研究中采用了三维PRO/E建模与ANSYS结构分析计算软件相结合的研发手段，为设计、计算分析提供了极大方便，使设计和工艺有了可靠的技术支持。
图1
5、发电机转子负序电流承载能力研究。电力系统发生不对称故障时，发电机定子绕组中出现的负序电流会直接关系到汽轮发电机组的运行性能和安全稳定性。因此，大型汽轮发电机转子负序发热问题成为设计、制造部门关注的技术难点问题之一。由于发电机转子存在横向月牙槽，负序涡流场和温度场问题属三维问题。近年来，随着电磁场数值计算理论和计算方法的不断发展和日益完善，应用电磁场数值计算方法研究大型汽轮发电机中的三维负序温度-涡流耦合场已成为可能。
该汽轮发电机公司进行了百万千瓦级两极发电机负序能力研究。对百万千瓦级汽轮发电机负序涡流场数值计算的数学模型建模，应用ANSYS软件计算汽轮发电机负序涡流场和温度场命令流开发，计算三维涡流-温度耦合场的分析和计算。
图2、图3分别给出了百万千瓦级汽轮发电机转子负序稳态温度场分布和转子内的暂态温度分布图。研究在考虑了定子铁心和绕组的存在对汽轮发电机中实际温度场分布的影响，借助于CAE软件对不同瞬态负序电流工况下百万千瓦级汽轮发电机的瞬态负序运行能力进行了系统分析和大量的数值计算，得出了在工程中可供借鉴、判断的结论。
图2
图3
6、大机组与大电网相互作用动态仿真研究。在国内外，都曾发生过电网大扰动导致发电机组轴系严重损坏的事故。所以大机组-大电网“机网相互作用”问题也引起国内业界的极大关注。
该汽轮发电机公司开发了“机网相互作用动态仿真通用程序”（简称“机-网程序”）和“轴系扭转疲劳损耗计算程序”（简称“疲劳损耗程序”）。经过不断的完善和更新，此CAE软件已成为计算发电机组在电网大扰动下，机-网相互作用轴系扭矩动态响应及轴系疲劳寿命损耗的一种有效工具。
“机-网程序”具有以下仿真计算功能：电力系统潮流；各种短路及开关误操作的动态过程；汽轮发电机组轴系动态力矩；冲击负荷引起的动态过程；五种励磁调节系统及PSS的作用；调速系统及气门快关的作用；输电线路的电磁暂态过程；发电机转子摇摆过程等。“疲劳损耗程序”是利用“网-机程序”得到的机组轴系各断面扭矩时间曲线、轴系各断面的几何参数和材料参数，计算在某一故障或操作过程中，轴系扭转疲劳的积累和寿命的减少。
“大机组与大电网相互作用动态仿真”成果，经过与IEEE的相关算例校核，结果完全相符，是我国在大电机、大电网相互作用研究领域的一个重要成果，既为实际生产服务，也为今后的进一步研究打下了坚实的基础。该课题成果已在多个工程中获得应用。
三、结语
发电机单机容量增大，发电机的体积、重量、长度都不可能按比例增大，发电机的输出电压提高，发电机的电磁负荷也大幅度提高，发电机内相关部位的电场强度、电磁场分布及温度场分布、机械应力都必须有更精确、有效的分析方法和采取相应的有效措施才能避免发电机内部产生电晕、温度过高或局部过热振动、疲劳等诸多问题。
参考文献：
[1]王野平.谈我国电力工业四个深层次矛盾[N].核工业报，2015．
[2]汤蕴璆.电机内的电磁场[M].科学出版社，2014．
[3]咸哲龙.CAE在大型汽轮发电机设计研究中的应用[J].大电机技术，2014.