水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架支臂斷裂分析

王　慧

(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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水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架支臂斷裂分析

王慧

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 ，黑龍江哈爾濱150040)

摘要對(duì)洪江電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架支臂斷裂問(wèn)題進(jìn)行分析,確定是局部應(yīng)力集中和單圓盤(pán)、斜支臂的原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理造成,給出對(duì)支臂應(yīng)力釋放孔和焊縫進(jìn)行修磨以及在中心體圓盤(pán)外緣和支臂之間焊接一圈加強(qiáng)筋板的處理方案。這些方案的實(shí)施成功解決了轉(zhuǎn)子支架支臂斷裂的問(wèn)題,目前處理后的機(jī)組已經(jīng)投入發(fā)電，運(yùn)行狀況良好，證明改造處理方案有效合理。

關(guān)鍵詞貫流式水輪發(fā)電機(jī)組；轉(zhuǎn)子支架；單圓盤(pán)；應(yīng)力集中

0引言

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組適用于低水頭、大容量水力資源。轉(zhuǎn)子支架受力復(fù)雜，是整個(gè)機(jī)組最為關(guān)鍵的部件之一。洪江電站位于湖南省懷化市洪江區(qū)境內(nèi)的沅水干流上，是沅水梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第8級(jí)電站。洪江水電站工程于1998年3月正式開(kāi)工，2003年2月25日首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，年底全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。電站裝設(shè)6臺(tái)45MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組投運(yùn)后，6臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架均出現(xiàn)不同程度的支臂彎曲變形現(xiàn)象，其中4#機(jī)轉(zhuǎn)子支架、#10支臂和5#機(jī)轉(zhuǎn)子支架15#、21#支臂先后發(fā)生斷裂。事故發(fā)生后，我公司非常重視，針對(duì)斷裂的轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，提出了解決和改進(jìn)方案。

1原因分析

轉(zhuǎn)子支架是連接磁軛和轉(zhuǎn)軸成一體的中間部件，正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子支架要承受除額定扭矩、磁極和磁軛的重力矩，自身的離心力和不平衡磁拉力之外,還要承受自身重力、軸向交變力等其他綜合力的作用。因此貫流機(jī)組轉(zhuǎn)子支架是受力復(fù)雜的關(guān)鍵部件洪江水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架由一個(gè)中心體圓盤(pán)、22塊斜支臂和磁軛圈構(gòu)成(如圖1所示)。

圖1轉(zhuǎn)子支架縱剖視圖

支架為柔性支臂結(jié)構(gòu)。支臂材料為25mm厚的鋼板Q345B，屈服點(diǎn)：325MPa，抗拉強(qiáng)度：470～630MPa，輪轂材料為IIxJB/T1270鍛鋼20SiMn，屈服點(diǎn)：255MPa，抗拉強(qiáng)度：470MPa。轉(zhuǎn)子支架出現(xiàn)問(wèn)題后，我公司采用有限元方法對(duì)原轉(zhuǎn)子支架整體建模進(jìn)行剛強(qiáng)度校核，如圖2所示。

圖2轉(zhuǎn)子支架有限元計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子支架的最大綜合應(yīng)力不高(為82.89MPa)，安全系數(shù)滿足要求，疲勞壽命也在允許值范圍內(nèi)。

剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示應(yīng)力不高，但筋板產(chǎn)生斷裂，可見(jiàn)僅從強(qiáng)度考核轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)并不合理，我們考慮可能是局部應(yīng)力集中造成。通過(guò)轉(zhuǎn)子支架有限元?jiǎng)倧?qiáng)度計(jì)算表明，支臂在應(yīng)力釋放孔處的應(yīng)力值最高。機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的非對(duì)稱(chēng)交變應(yīng)力，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中同一支臂在不同位置時(shí)其應(yīng)力值可相差數(shù)倍。由于應(yīng)力釋放孔處存在尖角和焊縫缺陷，并且未進(jìn)行修磨工藝措施。應(yīng)力釋放孔處即使存在微小缺陷，運(yùn)行時(shí)受到交變應(yīng)力作用后缺陷會(huì)放大幾倍甚至幾十倍，從而造成局部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致支臂疲勞斷裂，如圖3所示。

圖3轉(zhuǎn)子支架支臂裂紋

經(jīng)過(guò)和別的貫流式水輪發(fā)電機(jī)對(duì)比分析，我公司制造的江口轉(zhuǎn)子支架采用雙圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，1998年投運(yùn)至今沒(méi)有發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)子支架裂紋現(xiàn)象。后續(xù)投運(yùn)的紅花、康揚(yáng)、長(zhǎng)洲、大頂子山等機(jī)組采用雙圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，也未發(fā)現(xiàn)裂紋問(wèn)題。原因分析：由于燈泡式機(jī)組屬于臥式機(jī)組，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的受力比立式機(jī)組復(fù)雜，除額定扭矩、離心力和不平衡磁拉力之外,還要承受自身重力、軸向交變力等其他綜合力的作用。因此貫流式機(jī)組采用單圓盤(pán)、斜支臂結(jié)構(gòu)比較薄弱，筋板易發(fā)生變形。由于支臂剛度不足，當(dāng)機(jī)組空載或過(guò)速時(shí)(此時(shí)無(wú)電磁制動(dòng)力矩)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與停機(jī)時(shí)(此時(shí)制動(dòng)器未投入)水輪機(jī)槳葉阻力矩相互產(chǎn)生的扭矩作用使得支臂彎曲變形。對(duì)比證明燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組雙圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子支架剛度要優(yōu)于單圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，能夠承受交變載荷影響。

2處理方案

因?yàn)樵撾娬疽呀?jīng)投入發(fā)電，所以處理方案既要能有效地遏制裂紋的發(fā)展，防止再次發(fā)生支臂斷裂事故，還要考慮施工盡量簡(jiǎn)單，不影響電廠正常的發(fā)電量。我們充分了解其他電廠轉(zhuǎn)子支架筋板斷裂的具體情況及處理措施, 避免重復(fù)其無(wú)效方案。從處理效果、施工難易程度及經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合分析后最終提供了第一階段處理方案和第二階段處理方案。

2.1第一階段處理方案

由于該電站正在運(yùn)行發(fā)電，第一階段的修復(fù)要求簡(jiǎn)單方便，耗時(shí)短。我公司提出封堵應(yīng)力釋放孔、用鋼板焊接覆蓋應(yīng)力釋放孔、對(duì)支臂應(yīng)力釋放孔進(jìn)行修磨等臨時(shí)措施。針對(duì)封堵應(yīng)力釋放孔方案：由于應(yīng)力釋放孔為不規(guī)則橢圓形，封堵塊焊縫需清根、消除應(yīng)力和UT探傷，對(duì)焊接質(zhì)量要求非常高。另外，應(yīng)力釋放孔數(shù)較多(22塊)，焊接工作量較大，并且應(yīng)力釋放孔封堵后有可能帶來(lái)其他預(yù)想不到的后果，因此最終沒(méi)有采用封堵應(yīng)力釋放孔的方案；用鋼板焊接覆蓋應(yīng)力釋放孔的方案焊縫為角焊，焊接工作量不大，但是對(duì)以后應(yīng)力釋放孔的觀察及再處理帶來(lái)諸多不便。由于修磨應(yīng)力釋放孔施工簡(jiǎn)單易行，工作量小，并且不會(huì)改變轉(zhuǎn)子支架原有結(jié)構(gòu)，因此對(duì)比以上方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了對(duì)支臂應(yīng)力釋放孔和焊縫進(jìn)行修磨作為第一階段處理方案。該處理方案只需要在機(jī)組正常停機(jī)檢修時(shí)即可操作，不影響機(jī)組正常發(fā)電運(yùn)行。

2.2第二階段處理方案

為徹底消除轉(zhuǎn)子支架潛在隱患，確保機(jī)組長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，決定在5#機(jī)組大修時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行更換處理。

為保證工期，在機(jī)組大修之前制作一個(gè)新轉(zhuǎn)子支架備品(如圖4所示)，這樣保證大修時(shí)能及時(shí)更換轉(zhuǎn)子支架，不影響工期。新轉(zhuǎn)子支架在中心體圓盤(pán)外緣和支臂之間焊接一圈漸變形加強(qiáng)筋板，延伸了中心體圓盤(pán)直徑，以適應(yīng)轉(zhuǎn)子本身的柔性結(jié)構(gòu)，同時(shí)將支臂應(yīng)力釋放孔上下游側(cè)加寬，增加支臂受力截面積，增強(qiáng)支臂自身剛度。另外嚴(yán)格保證焊接質(zhì)量，焊后PT檢查應(yīng)無(wú)缺陷，對(duì)焊縫及應(yīng)力釋放孔進(jìn)行修磨處理，使其光滑過(guò)渡。漸變筋板下料要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙要求，以保證下料的準(zhǔn)確性。

圖4改進(jìn)后的新轉(zhuǎn)子支架

由于支臂加寬可能引起風(fēng)量降低并影響冷卻效果的問(wèn)題，我們對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了通風(fēng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，原結(jié)構(gòu)風(fēng)量值為27.07m3/s，新結(jié)構(gòu)風(fēng)量值為26.37m3/s。雖然新結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子支架通風(fēng)面積減少了大約一半，但由于此區(qū)域風(fēng)速不高，總風(fēng)量變化不大，因此對(duì)發(fā)電機(jī)各發(fā)熱部件的冷卻效果影響很小。

同時(shí)，制作了修復(fù)其余3臺(tái)轉(zhuǎn)子支架所需的加強(qiáng)筋板，對(duì)更換下來(lái)的轉(zhuǎn)子支架中心體圓盤(pán)外緣和支臂之間焊接一圈漸變形加強(qiáng)筋板，并將支臂應(yīng)力釋放孔上下游側(cè)打磨光滑，如此對(duì)其余我公司制造機(jī)組進(jìn)行滾動(dòng)維修。

3方案實(shí)施效果

洪江電廠利用改造方案對(duì)3#-6#機(jī)組轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行滾動(dòng)檢修，利用方案中的新轉(zhuǎn)子支架更換斷裂的轉(zhuǎn)子支架，運(yùn)行至今機(jī)組未發(fā)現(xiàn)支臂斷裂問(wèn)題。本文所述處理方案簡(jiǎn)單易操作,處理效果好,不影響電站正常運(yùn)行和發(fā)電。這對(duì)保證電站正常安全穩(wěn)定運(yùn)行有極大的意義。

4結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)子支架作為貫流發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在電磁交變力、重力等的作用下，承受很強(qiáng)的動(dòng)載荷，長(zhǎng)期運(yùn)行之后，類(lèi)似的單圓盤(pán)轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象較為普遍，使機(jī)組的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，本文提出貫流機(jī)組轉(zhuǎn)子支架雙圓盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)于單圓盤(pán)的觀點(diǎn)，并通過(guò)分析對(duì)比得到了驗(yàn)證。因此，可見(jiàn)此方案是切實(shí)可行的，并為進(jìn)行類(lèi)似燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)子支架的設(shè)計(jì)以及修復(fù)提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

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Breaking Analysis on Rotor Spider Arm of Hydrogenerator

WangHui

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

AbstractThis paper analyzes the breaking problem of rotor spider arm of hydrogenerator in Hongjiang power station, draws a conclusions that the problem is caused by local stress concentration and unreasonable original structure design of single disk and skew supporting arm, and gives treatment programs of regrinding weld joint and stress release hole of supporting arm and welding a circle of reinforcement plates both on outer edge of centerbody disk and between support arms. The implementation of these solutions has successfully solved the breaking problem of rotor spider arm. The treated hydroelectric generating set has already generated electricity and runs well. It has proved effectivity and reasonability of the reconstruction treatment program. Key wordsTubular hydroelectric generating set；rotor spider；single disk；stress concentration

收稿日期：2015-12-01

作者簡(jiǎn)介：王慧女1984年生；畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作.

中圖分類(lèi)號(hào)：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-7281(2016)02-0052-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.15