大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極間支撐結(jié)構(gòu)可靠性分析

王艷武,王建剛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱　150040)

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大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極間支撐結(jié)構(gòu)可靠性分析

王艷武,王建剛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱150040)

摘要：介紹了小灣水電站1號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極間支架支撐結(jié)構(gòu)的故障情況。對拆下的部分螺桿進(jìn)行了材料化學(xué)分析及材料力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明均符合要求。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的應(yīng)力計(jì)算，表明在正常工況及飛逸工況下均有足夠的安全系數(shù)，即設(shè)計(jì)是合理的。這意味著1號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)故障很可能是多種因素綜合產(chǎn)生的偶然事件。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；極間支撐

0引言

小灣水電站單機(jī)容量為700 MW水輪發(fā)電機(jī)組。經(jīng)過幾年的安全穩(wěn)定運(yùn)行后，一些問題也暴露出來。2012年11月20日，小灣1號發(fā)電機(jī)檢修拆卸下?lián)躏L(fēng)板時(shí)發(fā)現(xiàn)下?lián)躏L(fēng)板上有若干金屬塊，初步懷疑轉(zhuǎn)子上有零件甩出。經(jīng)對轉(zhuǎn)子上零件的全面排查，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)極間撐塊位置在兩極之間的2個(gè)短拉桿的其中一個(gè)的端部消失，所以判定擋風(fēng)板上的若干金屬塊為該螺桿的斷裂物。此次事故造成部分定子線棒端部被斷裂甩出物破壞，定子鐵心局部損壞，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。小灣極間支撐結(jié)構(gòu)(見圖1)由支撐塊、短拉桿和長拉桿組成。從照片看，短拉桿外露部分已經(jīng)完全斷裂(見圖2)。

1. 支撐塊; 2. 短拉桿; 3. 長拉桿圖1　小灣極間支撐結(jié)構(gòu)圖

圖2　小灣極間支撐短拉桿斷裂照片圖

1極間撐塊拉桿斷裂問題初步分析

經(jīng)初步分析，拉桿斷裂的原因可能為以下幾個(gè)方面：

1) 螺桿材質(zhì)本身不合格，導(dǎo)致螺桿在力的作用下強(qiáng)度不夠，最終斷裂；

2) 加工過程中螺桿的螺紋可能有加工缺陷，導(dǎo)致缺陷處斷裂；

3) 安裝過程中對該螺桿的螺母把緊力過大，導(dǎo)致安裝時(shí)該螺紋斷面已存在缺陷，在運(yùn)行過程中在各種力的綜合作用下最終導(dǎo)致斷裂；

4) 安裝順序不合理導(dǎo)致?lián)螇K安裝時(shí)位置與螺桿產(chǎn)生偏斜力的作用，在運(yùn)行過程中，在各種力的綜合作用下最終導(dǎo)致斷裂；

5) 撐塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

針對以上的可能性，我們先將拆下的部分螺桿進(jìn)行了材料化學(xué)成分分析和材料力學(xué)性能試驗(yàn)，證實(shí)材料化學(xué)成分和材料力學(xué)性能均滿足要求。另外，如斷裂面圖顯示，斷裂處為短拉桿與固定塊的連接根部，但加工缺陷正好在此位置的可能性不大，但也不排除加工缺陷在此位置的偶然性的存在。安裝問題對該撐塊結(jié)構(gòu)的影響是存在的，但無法確定。最后，我們對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的應(yīng)力計(jì)算分析。

2極間撐塊拉桿斷裂問題應(yīng)力計(jì)算分析

從撐塊部件所受的離心力、偏心力以及溫度對結(jié)構(gòu)的影響等多個(gè)方面對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的計(jì)算分析，并得出了最終的結(jié)論。

2.1螺桿承受離心力分析

考慮撐塊離心力、墊塊離心力和螺桿自身離心力的作用，對螺桿產(chǎn)生的應(yīng)力還包括額定工況和飛逸工況的離心力。

2.2磁極線圈溫升膨脹引起的應(yīng)力

磁極線圈溫升會產(chǎn)生線圈的徑向和切向變形。徑向變形會導(dǎo)致出現(xiàn)附加徑向力。磁極上、下兩側(cè)直線段熱膨脹引起的附加切向力。

2.3磁極線圈與極間撐塊單側(cè)存在間隙

假設(shè)磁極撐塊與磁極銅線在額定運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)間隙，一側(cè)磁極線圈熱膨脹后使拉桿受到側(cè)向推力，強(qiáng)制產(chǎn)生位移向另外一側(cè)彎曲。惡劣工況下磁極撐塊拉桿孔和拉桿在磁極銅線擠壓側(cè)貼住，拉桿將會承受另一側(cè)向推力。

2.4磁極線圈離心力產(chǎn)生的側(cè)向力

小灣發(fā)電機(jī)磁極線圈結(jié)構(gòu)不是向心結(jié)構(gòu)，在額定轉(zhuǎn)速和飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)磁極線圈的離心力大部分由磁極極靴承擔(dān)，但仍會產(chǎn)生一部分側(cè)向力，撐塊將承擔(dān)這些側(cè)向力。

2.5計(jì)算結(jié)果

各種可能引起拉桿受力變化的情況及計(jì)算結(jié)果見表1:

表1　螺桿應(yīng)力結(jié)果匯總　MPa

最危險(xiǎn)工況組合：

額定工況：Fr+Fp1+Fp2+Fjx+Fced=61+15+4.4+61.7+40=182.1(MPa)；

飛逸工況：Ffy+Fp1+Fp2+Fjx+Fcfy=228+15+4.4+61.7+150=459.1(MPa)。

所以額定工況最大可能應(yīng)力為182.1MPa；飛逸工況最大可能應(yīng)力為459.1MPa，材料屈服極限735MPa，滿足強(qiáng)度條件。

3結(jié)語

從拉桿斷裂的應(yīng)力計(jì)算分析來看，小灣發(fā)電機(jī)極間支撐結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)本身合理。那么拉桿斷裂的原因可能不是一個(gè)簡單的因素導(dǎo)致的，很可能是各種原因綜合在一起而產(chǎn)生的一個(gè)偶然事件。這次問題的產(chǎn)生，給機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造和安裝提供了一個(gè)很好的警示作用。告訴我們，任何一個(gè)細(xì)節(jié)的不注意，都可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

王艷武，男，1980年生，工程師，長期從事水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作。

作者簡介：