托口電站水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板開裂問題分析與處理

王書楓，王艷武

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

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托口電站水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板開裂問題分析與處理

王書楓，王艷武

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

闡述了托口電站3#、4#水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)側(cè)筋板的焊縫根部在運行一段時間后發(fā)現(xiàn)裂紋的問題。分別從轉(zhuǎn)子支架在運行工況時所承受的載荷以及轉(zhuǎn)子起吊工況時所承受的載荷情況分析了中心體內(nèi)側(cè)筋板的焊縫根部出現(xiàn)裂紋的原因，通過有限元模型找出了轉(zhuǎn)子支架的薄弱位置，提出了補強轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)側(cè)筋板方案，并提出了今后在轉(zhuǎn)子起吊時的注意事項。

水輪發(fā)電機；轉(zhuǎn)子支架；裂紋

0 引言

托口水輪發(fā)電機為立軸半傘式雙路徑向無風(fēng)扇端部回風(fēng)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電機，單機容量為200 MW。托口水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子為三段軸結(jié)構(gòu)，由磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子支架及轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子支架為圓盤式斜筋焊接結(jié)構(gòu)，有17個主立筋，分成1個中心體與6個外環(huán)組件，到工地焊接成一體。首臺機組2012年投入運行，到2014年，四臺機全部投入運行。經(jīng)過幾年的運行，一些問題也暴露了出來。

2015年12月，托口水電廠對發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體部位進行了重點檢查，在3號、4號發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)側(cè)筋板的焊縫根部檢查發(fā)現(xiàn)裂紋，發(fā)生裂紋的筋板未進行加強處理。3號機筋板為貫穿性裂紋，徑向長度約730 mm，如圖1所示；4號機筋板同一位置貫穿性裂紋長度約15 mm，如圖2所示。

圖1 3號機筋板為貫穿性裂紋圖

圖2 4號機筋板為貫穿性裂紋圖

為保證機組的安全穩(wěn)定運行，我們利用有限元對轉(zhuǎn)子支架進行了充分的計算分析，并提出了加強處理方案。

1 轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板裂紋問題分析

托口水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體的結(jié)構(gòu)為成熟結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在許多機組上，沒有出現(xiàn)過類似問題。但我們也按常規(guī)方法從各方面進行分析，主要考慮以下幾個方面：

1) 轉(zhuǎn)子支架在額定工況運行時的載荷對轉(zhuǎn)子支架的應(yīng)力是否滿足材料的許用應(yīng)力；

2) 轉(zhuǎn)子起吊時，轉(zhuǎn)子支架應(yīng)力是否滿足材料的許用應(yīng)力；

3) 轉(zhuǎn)子支架材料本身存在缺陷。

1.1 轉(zhuǎn)子支架載荷分析

轉(zhuǎn)子支架在運行過程中承受電磁力、重力和離心力作用，這些載荷主要由轉(zhuǎn)子支架支臂承擔(dān)，傳遞到中心體筋板的載荷很小，其應(yīng)力水平較低。額定運行時的轉(zhuǎn)子支架中心體筋板應(yīng)力大約40 MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在支臂下部，最大應(yīng)力169 MPa，滿足強度要求，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子支架額定工況應(yīng)力分布圖

因此，轉(zhuǎn)子支架在額定運行中，額定載荷不會對筋板產(chǎn)生破壞。

1.2 轉(zhuǎn)子起吊時轉(zhuǎn)子支架受力分析

為保證所有轉(zhuǎn)子支架受力情況均被考慮到，我們研究了是否因為起吊導(dǎo)致筋板焊縫初始破壞。因此對托口轉(zhuǎn)子起吊方式進行模擬分析，建立計算模型，充分考慮轉(zhuǎn)子支架、磁極、磁軛質(zhì)量，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子起吊工況轉(zhuǎn)子支架中心體筋板應(yīng)力分布圖

通過對托口轉(zhuǎn)子支架6塊筋板模型的起吊工況計算，得到中心體筋板的應(yīng)力為284 MPa，在材料的屈服極限之下，不會產(chǎn)生初始裂紋。

但也不能排除在起吊過程中，由于施工工期緊的原因，操作人員沒有對起吊螺栓預(yù)緊的重要性給予重視，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力嚴重不均勻的可能性。從而導(dǎo)致筋板受力不均勻，承受了較高應(yīng)力，使焊縫內(nèi)部出現(xiàn)初始裂紋。在運行過程中，隨著機組交變載荷作用，裂紋逐漸擴展，最終形成貫穿性裂紋。

1.3 轉(zhuǎn)子支架材料本身存在缺陷

轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板材料如果本身存在缺陷，材料的許用應(yīng)力較低，低于轉(zhuǎn)子支架本身的起吊應(yīng)力，也會導(dǎo)致問題的發(fā)生。由于原材料的檢驗環(huán)節(jié)是受到嚴格控制的，所以這種情況出現(xiàn)的幾率比較小，但也不能排除該原因。

2 轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板裂紋問題處理

由于該問題的出現(xiàn)可能是由多方面原因?qū)е碌囊粋€綜合結(jié)果，所以，為保證機組的安全穩(wěn)定運行，我們采用將轉(zhuǎn)子支架補強的方式盡量降低最大應(yīng)力，如圖5所示。補強方案為在原有筋板的內(nèi)側(cè)，焊接加強鋼板，使裂紋位置的應(yīng)力降低。

圖5 轉(zhuǎn)子支架補強后位置示意圖

經(jīng)過有限元分析計算，出現(xiàn)裂紋區(qū)域的最大應(yīng)力明顯降低，由補強前的284 MPa降為約223 MPa。

3 結(jié)語

補強后的轉(zhuǎn)子支架在經(jīng)過一段時間運行后沒有再次出現(xiàn)裂紋，說明運行過程中產(chǎn)生的力或者材料缺陷導(dǎo)致的裂紋的可能性較小。我們認為出現(xiàn)貫穿性裂紋之前，在出現(xiàn)裂紋的位置實際上已經(jīng)出現(xiàn)內(nèi)部初始裂紋，而能夠產(chǎn)生初始裂紋的最大可能性就是起吊過程中，螺栓預(yù)緊力嚴重不均勻?qū)е陆畎迨芰Σ痪鶆?，承受了較高應(yīng)力。為此，在吊運轉(zhuǎn)子的過程中一定要嚴格按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，不能存在任何失誤。同時，在今后機組的轉(zhuǎn)子設(shè)計計算時，也應(yīng)該適當?shù)脑黾釉撐恢玫睦碚撛O(shè)計安全系數(shù)，以保證不會出現(xiàn)類似的情況發(fā)生，保證機組的安全穩(wěn)定運行。

王書楓，1982年生，女，工程師，長期從事水輪發(fā)電機組調(diào)速器設(shè)計工作。

王艷武，1980年生，男，高級工程師，長期從事水輪發(fā)電機的設(shè)計工作。